ГРАВИТАЦИОННАЯ ПНЕВМОУДАРНАЯ МАШИНА

Техническое решение относится к горной и строительной технике, а именно к пневмоударным устройствам гравитационного типа, и может быть использовано для разрушения горных пород, трамбования грунта, забивания в грунт свай, труб и т.п.
Известна пневмоударная машина для забивания стержней в грунт по патенту РФ №78231 на полезную модель, кл. E02D 7/08, опубл. 20.11.2008 г., содержащая ударную массу, направляющий узел для движения размещенной в нем ударной массы, узел подъема ударной массы, имеющий корпус с полостью, в которой размещено распределительное устройство, и рабочую камеру для сжатого воздуха, образованную с помощью мембраны, имеющей отверстие для выхлопа сжатого воздуха. Корпус узла подъема ударной массы имеет канал для подачи сжатого воздуха из магистрали и отверстие для подачи сжатого воздуха в рабочую камеру из его полости. Ударная масса установлена с возможностью взаимодействия с мембраной и через упомянутые отверстия - для выхлопа сжатого воздуха в мембране и для подачи сжатого воздуха в корпусе узла подъема ударной массы - с указанным распределительным устройством, выполненным в виде клапана отсечки. Направляющий узел имеет выхлопные окна и выполнен в виде установленной вертикально трубы, которая соединена с корпусом узла подъема ударной массы. Корпус узла подъема ударной массы имеет также ступенчатую полость, в которой размещен ступенчатый стержень, и крышку, выполненную заодно с трубой, в полости которой размещен верхний торец забиваемого стержня. Ступенчатый стержень установлен с возможностью осевого смещения относительно корпуса узла подъема ударной массы и взаимодействия верхним торцом с ударной массой, а нижним - с торцом забиваемого стержня, причем большая по поперечному размеру ступень ступенчатого стержня имеет поперечный размер больше поперечного размера меньшей части ступенчатой полости корпуса узла подъема ударной массы. Рабочая камера для сжатого воздуха образована с помощью дополнительной мембраны с отверстием для впуска сжатого воздуха и кольцевого обода, которым соединены мембрана и дополнительная мембрана и который имеет возможность осевого смещения относительно корпуса узла подъема ударной массы. Ступенчатый стержень выполнен четырехступенчатым, а клапан отсечки установлен на верхней ступени четырехступенчатого стержня с возможностью осевого смещения по ней и взаимодействия верхним торцом с ударной массой через отверстия в мембране, дополнительной мембране и корпусе узла подъема ударной массы, а нижним торцом - с бортиком второй сверху ступени четырехступенчатого стержня. Узел подъема ударной массы снабжен промежуточной направляющей втулкой, размещенной между его корпусом и крышкой, при этом указанную ступенчатую полость образует промежуточная направляющая втулка с крышкой, а полость, в которой размещен клапан отсечки, образуют корпус, указанная втулка и верхняя ступень четырехступенчатого стержня.
Недостатком этой пневмоударной машины является то, что узел подъема ударной массы имеет малый рабочий ход эффективной площади мембраны, через которую передается усилие от давления сжатого воздуха к ударной массе, вследствие чего - относительно небольшое время воздействия сжатого воздуха на ударную массу. Это предопределяет накопление ударной массой небольшой кинетической энергии и, как следствие, сообщение забиваемому стержню сравнительно небольшого ударного импульса, что снижает эффективность работы известной пневмоударной машины. Кроме того, машина имеет сравнительно сложную конструкцию узла подъема ударной массы, что предопределяет расшатывание его элементов и износ мембраны при взаимодействии с ударной массой, и как следствие, снижает надежность работы машины.
Наиболее близким аналогом по технической сущности и совокупности существенных признаков является пневмоударная машина для забивания инструментов в грунт по патенту РФ №2440460, кл. E02D 7/10, опубл. 20.01.2012 г., содержащая ударную массу, направляющий узел для движения размещенной в нем ударной массы, узел подъема ударной массы, имеющий корпус, в полости которого размещено распределительное устройство, промежуточную направляющую втулку (далее - втулка) и рабочую камеру. Узел подъема ударной массы имеет канал для подачи сжатого воздуха из магистрали, выполненный в его корпусе, и отверстие для подачи сжатого воздуха в рабочую камеру из полости его корпуса. Направляющий узел выполнен в виде установленной вертикально трубы с выхлопными окнами, которая соединена с узлом подъема ударной массы, имеющим сквозную ступенчатую полость, в которой размещен ступенчатый стержень, установленный с возможностью осевого смещения относительно корпуса узла подъема ударной массы и взаимодействия верхним торцом с ударной массой. Большая по поперечному размеру ступень ступенчатого стержня имеет поперечный размер больше поперечного размера меньшей части ступенчатой полости узла подъема ударной массы. Втулка размещена между корпусом узла подъема ударной массы и направляющим узлом и имеет на внутренней поверхности кольцевой выступ и ограничитель обратного хода ударной массы в виде пазов, а также отверстие/отверстия для подачи сжатого воздуха в рабочую камеру. Последняя образована упругим кольцевым клапаном, установленным в кольцевой канавке на наружной поверхности передней части ударной массы, внутренней поверхностью втулки и торцом ступенчатого стержня, которым служит ступенчатый хвостовик инструмента. Распределительное устройство выполнено в виде упругого кольцевого клапана отсечки, установленного в кольцевой канавке на наружной поверхности втулки, а корпус узла подъема ударной массы имеет впускной канал, соединенный с магистралью дроссельным каналом. Магистраль и дроссельный канал снабжены пусковым устройством для впуска сжатого воздуха в полость корпуса узла подъема ударной массы и в рабочую камеру соответственно. Упругий кольцевой клапан и клапан отсечки установлены с возможностью взаимодействия с внутренними поверхностями втулки и корпуса узла подъема ударной массы соответственно.
Известная пневмоударная машина требует повышенного непроизводительного расхода сжатого воздуха через дроссельный канал для надежного срабатывания упругого кольцевого клапана отсечки, т.к. при меньшем поступлении сжатого воздуха через дроссельный канал давление в рабочей камере не повышается до величины, при которой он срабатывает. Это обусловлено перемещением ударной массы под небольшим давлением сжатого воздуха в рабочей камере, т.е. увеличивающаяся в объеме рабочая камера под ударником не успевает заполняться сжатым воздухом, при этом упругий кольцевой клапан отсечки не срабатывает и в рабочую камеру не поступает основной поток сжатого воздуха из полости корпуса узла подъема ударной массы. В результате заброс ударной массы вверх будет небольшим и, соответственно, небольшая энергия единичного удара. Это снижает эффективность работы устройства.
Технической задачей предлагаемого решения является повышение эффективности работы пневмоударной машины за счет уменьшения удельного расхода сжатого воздуха.
Поставленная задача решается следующим образом. Предлагается гравитационная пневмоударная машина, содержащая ударную массу, корпус для движения размещенной в нем ударной массы, имеющий в нижней части накопительную камеру сжатого воздуха для подъема ударной массы, в которой размещено распределительное устройство, рабочую камеру в средней части корпуса и выхлопные окна. Нижняя часть корпуса имеет канал для подачи сжатого воздуха из магистрали и отверстие для подачи сжатого воздуха в рабочую камеру из накопительной камеры. Средняя часть корпуса имеет на внутренней поверхности кольцевой выступ и ограничитель обратного хода ударной массы. Рабочая камера образована передней частью ударной массы, упругим кольцевым клапаном, установленным в кольцевой канавке на наружной поверхности передней части ударной массы, внутренней поверхностью средней части корпуса и наковальней. Согласно техническому решению распределительное устройство выполнено в виде клапана отсечки, установленного на направляющем стержне в нижней части корпуса с возможностью осевого смещения по нему и взаимодействия верхним торцом с ударной массой через отверстие для подачи сжатого воздуха в рабочую камеру из накопительной камеры, а нижним торцом - с буртиком направляющего стержня.
Указанная совокупность признаков обеспечивает рабочий цикл гравитационной пневмоударной машины при меньшем удельном расходе сжатого воздуха путем своевременной его отсечки при выхлопе в атмосферу, тем самым повышается эффективность ее работы.
Целесообразно выхлопные окна выполнить в виде кольцеобразного ряда впадин на наружной поверхности ударной массы, при этом ограничитель обратного хода ударной массы выполнить в виде пазов.
Такое исполнение позволяет среднюю часть корпуса выполнить цельной - без отверстий, что защищает машину от попадания грязи вовнутрь при ее транспортировке.
Целесообразно выхлопные окна выполнить в виде кольцеобразного ряда впадин на внутренней поверхности корпуса, при этом ограничитель обратного хода ударной массы выполнить в виде пазов. Это также позволяет среднюю часть корпуса выполнить цельной - без отверстий, тем самым защитить машину от попадания грязи вовнутрь при ее транспортировке, а также повысить надежность работы машины за счет исключения кольцеобразного ряда впадин на наружной поверхности ударной массы, которые ослабляют прочность ударной массы.
Целесообразно выхлопные окна выполнить в виде сквозных отверстий в средней части корпуса, которые служат ограничителем обратного хода ударной массы. Такое решение позволяет упростить технологию изготовления машины: исключаются сложные операции по выполнению кольцеобразного ряда впадин на наружной поверхности ударной массы или кольцеобразного ряда впадин на внутренней поверхности корпуса, а также операции по выполнению ограничителя обратного хода ударной массы в виде пазов.
Целесообразно поверхность кольцевого выступа выполнить сферической. Это обеспечивает надежность запирания рабочей камеры за счет плавного растяжения упругого кольцевого клапана.
Целесообразно поверхность кольцевого выступа выполнить конической. В этом случае, кроме надежного запирания камеры обратного хода, улучшается технологичность изделия.
Сущность технического решения поясняется примером конкретного исполнения гравитационной пневмоударной машины и чертежами фиг. 1, 2, на которых изображен общий вид гравитационной пневмоударной машины, частичный продольный разрез: фиг. 1 - в момент удара, слева от оси выхлопные окна выполнены в виде сквозных отверстий в средней части корпуса и служат ограничителем обратного хода ударной массы; справа от оси - ограничитель обратного хода выполнен в виде пазов на внутренней поверхности средней части корпуса, а выхлопные окна выполнены в виде кольцеобразного ряда впадин на внутренней поверхности корпуса, фиг. 2 - то же, в момент начала выхлопа, слева от оси выхлопные окна выполнены в виде сквозных отверстий в средней части корпуса и служат ограничителем обратного хода ударной массы; справа от оси - выхлопные окна выполнены в виде кольцеобразного ряда впадин на наружной поверхности ударной массы.
Гравитационная пневмоударная машина содержит ударную массу 1 (фиг. 1, 2), корпус 2 для движения размещенной в нем ударной массы 1, имеющий в нижней части 3 накопительную камеру 4 сжатого воздуха для подъема ударной массы 1, рабочую камеру 5 в средней части 6 корпуса 2. Нижняя часть 3 корпуса 2 имеет канал 7 для подачи сжатого воздуха из магистрали и отверстие 8 для подачи сжатого воздуха в рабочую камеру 5 из накопительной камеры 4. Средняя часть 6 корпуса 2 (пунктиром показаны линии раздела корпуса 2 на части) имеет на внутренней поверхности кольцевой выступ 9 и ограничитель обратного хода ударной массы 1. Рабочая камера 5 образована передней частью ударной массы 1 наковальней 10 упругим кольцевым клапаном 11 (далее - клапан 11), установленным в кольцевой канавке 12 на наружной поверхности передней части ударной массы 1, и внутренней поверхностью 13 средней части 6 корпуса 2. В накопительной камере 4 размещено распределительное устройство, которое выполнено в виде клапана 14 отсечки (далее - клапан 14), установленного на направляющем стержне 15 в нижней части корпуса 2 с возможностью осевого смещения по нему и взаимодействия верхним торцом с ударной массой 1 через отверстие 8, а нижним торцом - с буртиком 16 направляющего стержня 15. Ударная масса 1 установлена с возможностью взаимодействия с наковальней 10.
В гравитационной пневмоударной машине выхлопные окна могут быть выполнены в виде кольцеобразного ряда впадин 17 на наружной поверхности ударной массы 1 (фиг. 2, справа) или на внутренней поверхности корпуса 2 (фиг. 1, справа), или выхлопные окна могут быть выполнены в виде сквозных отверстий 18 в средней части корпуса 2 (фиг. 1, 2 слева).
В гравитационной пневмоударной машине ограничитель обратного хода ударной массы 1 может быть выполнен в виде пазов 19 на внутренней поверхности средней части корпуса или ограничителем обратного хода ударной массы 1 могут служить выхлопные окна в виде сквозных отверстий 18.
В гравитационной пневмоударной машине поверхность кольцевого выступа 9 может быть выполнена сферической или конической, а клапан 11 может быть выполнен в сечении прямоугольным или круглым.
Гравитационная пневмоударная машина работает следующим образом. Перед включением машины ее устанавливают нижней торцевой частью в положение перед работой на забиваемую в грунт трубу (швеллер, стержень и т.п.), на поверхность уплотняемого грунта или разрушающий горную породу инструмент и т.д. При этом ударная масса 1 (см. фиг. 1) уперта в наковальню 10, клапан 11 находится в соприкосновении с внутренней поверхностью 13 средней части 6 корпуса 2, а клапан 14 находится в соприкосновении с буртиком 16. Далее подают сжатый воздух из магистрали через канал 7, накопительную камеру 4, отверстие 8 в рабочую камеру 5. Под действием давления сжатого воздуха клапан 11 растягивается и прижимается своей наружной поверхностью к внутренней поверхности 13. Одновременно с этим клапан 11 давлением сжатого воздуха прижимается к верхней (по чертежу) поверхности кольцевой канавки 12 ударной массы 1. Под действием давления в рабочей камере 5 ударная масса 1 перемещается вверх (по чертежу), при этом клапан 11 скользит по сферической или конической поверхности кольцевого выступа 9.
При прохождении клапаном 11 отверстий 18 или пазов 19 происходит выхлоп сжатого воздуха из рабочей камеры 5 в атмосферу. В случае с пазами 19 выхлоп в атмосферу происходит через впадины 17 на внутренней поверхности корпуса 2 или на наружной поверхности ударной массы 1.
В этот момент давление на внутреннюю поверхность (поз. не обозначена) клапана 11 уменьшается и под действием упругих сил клапан 11 сжимается, одновременно под действием перепада давления в рабочей камере 5 и накопительной камере 4 клапан 14 перемещается вверх и перекрывает доступ сжатому воздуху в рабочую камеру 5 из накопительной камеры 4. Далее ударная масса 1, подлетая до соответствующей высоты, останавливается и под действием гравитации ускоренно движется вниз и наносит удар по наковальне 10, жестко связанной, например, с забиваемой трубой.
В момент перед ударом наружная поверхность клапана 11 соприкасается с внутренней поверхностью 13 средней части 6 корпуса 2, а ударная масса 1 воздействует на клапан 14, смещая его вниз и открывая доступ сжатому воздуху из накопительной камеры 4 в рабочую камеру 5 через отверстие 8. Затем цикл повторяется.