Устройство ударного действия
IMPACT DEVICE

Техническое решение относится к горной и строительной технике и предназначено для забивания труб (кожухов) и других стержневых элементов в грунт.
Известно устройство ударного действия для проходки скважин в грунте по авторскому свидетельству СССР №1245666, кл. Е02F 5/18, опубл. в БИ №27 за 1986 г., содержащее корпус, в котором размещен ударник и охватывающее его кольцевое подвижное тело, камеру сгорания, камеру обратного хода, кольцевую заднюю камеру, каналы подвода сжатого воздуха и горючей смеси, канал отвода отработанных газов, направляющий цилиндр, который размещен между ударником и кольцевым подвижным телом, а камера обратного хода образована между корпусом устройства, цилиндром и передним торцами ударника и кольцевого подвижного тела, при этом кольцевая камера и камера обратного хода сообщены каналом с обратным клапаном, выполненном в теле направляющего цилиндра.
Общими признаками аналога и предлагаемого технического решения являются корпус, ударник, камера обратного хода, канал подвода сжатого воздуха.
При работе этого известного устройства импульс от удара кольцевого подвижного тела расходуется на уравновешивание максимальной силы отдачи, поэтому недостатком является - забивание трубы в грунт только под действием ударов ударником. В результате известное устройство обладает малой частотой ударов, а значит, и невысокой скоростью забивания.
Известно устройство для забивания стержневого элемента в грунт по патенту РФ №2535316, кл. Е02F 5/18, Е02D 7/10, опубл. в БИ №34 за 2014 г., содержащее основной ударный узел, установленный в отверстии переходного элемента, и как минимум один дополнительный ударный узел, установленный по оси основного ударного узла в дополнительном отверстии переходного элемента и соединенный с этим переходным элементом.
Общими признаками аналога и предлагаемого технического решения являются корпус и ударник ударного узла.
Ударный импульс, возникающий при ударе ударника, передается забиваемому стержневому элементу через переходной элемент сложной конструкции, имеющий большие массу и габариты, превышающие размеры корпуса ударного узла. Недостатком известного устройства является малая скорость забивания трубы в грунт вследствие потери в переходном элементе значительной части импульса от удара как основного, так и дополнительного ударных узлов.
Наиболее близким аналогом по технической сущности и совокупности существенных признаков является устройство ударного действия по патенту РФ №2462575, кл. Е21В 1/38, опубл. в БИ №27 за 2012 г., включающее корпус с отверстиями, установленный в корпусе с возможностью перемещения ударник с продольными каналами на наружной поверхности, камеры прямого и обратного хода, канал в ударнике для сообщения камер прямого и обратного хода, запорную внутреннюю поверхность корпуса с передним кольцевым выступом и ограничителем обратного хода на ее задней части, упругое кольцо, установленное в кольцевой канавке на ударнике с возможностью взаимодействия с запорной внутренней поверхностью корпуса, снабженной конической поверхностью, выполненной между передним кольцевым выступом и ее задней частью и сопряженной с ними, причем между поверхностью задней стенки кольцевой канавки и торцевой поверхностью упругого кольца образован острый угол, вершина которого направлена к оси ударника.
Общими признаками прототипа и предлагаемого технического решения являются корпус с отверстиями, установленный в корпусе с возможностью перемещения ударник с продольными каналами на наружной поверхности, камеры прямого и обратного хода, канал для сообщения камер прямого и обратного хода, запорная внутренняя поверхность корпуса с передним кольцевым выступом и ограничителем обратного хода на ее задней части, упругое кольцо, установленное в кольцевой канавке на ударнике с возможностью взаимодействия с запорной внутренней поверхностью корпуса.
Недостатком этого устройства является невысокая скорость забивания стержневого элемента в грунт вследствие малой частоты ударов. Повышение частоты ударов устройства ударного действия может быть достигнуто сокращением времени цикла между двумя соседними ударами за счет уменьшения длины хода ударника. При достижении минимально возможной длины хода ударника дальнейшее увеличение частоты ударов может происходить только за счет увеличения скорости движения и предударной скорости ударника. Но рост предударной скорости имеет ограничение по условиям прочности соударяющихся деталей. Кроме формирования ударных импульсов в стержневом элементе, высокая частота ударов вызывает эффект "разжижения грунта" и уменьшение сопротивления погружению стержневого элемента в грунт.
Проблемой является недостаточно высокая скорость забивания стержневого элемента в грунт. Решение проблемы достигается за счет более частого формирования в забиваемом стержневом элементе эффективного для погружения в грунт ударного импульса при повышении надежности и стабильности его формирования.
Техническое решение проблемы осуществляется следующим образом. Предлагается устройство ударного действия, включающее корпус с отверстиями и установленный в корпусе ударник с продольными каналами на наружной поверхности, образующие камеры прямого и обратного хода, канал для сообщения камер прямого и обратного хода, запорную внутреннюю поверхность корпуса с передним кольцевым выступом и ограничителем обратного хода на ее задней части, упругое кольцо, установленное в кольцевой канавке на ударнике с возможностью взаимодействия с запорной внутренней поверхностью корпуса, которое, согласно техническому решению, снабжено дополнительным ударником, имеющим кольцевой выступ и установленным с возможностью его осевого перемещения в сквозном ступенчатом отверстии указанного ударника, который является основным, при этом передний торец дополнительного ударника выступает из переднего торца основного ударника при упоре его кольцевого выступа во внутреннюю ступень основного ударника, образованную указанным сквозным ступенчатым отверстием, а канал для сообщения камер прямого и обратного хода выполнен в дополнительном ударнике.
Такое выполнение устройства обеспечивает повышение скорости забивания стержневого элемента в грунт за счет увеличения частоты ударных воздействий по торцу стержневого элемента, происходящего вследствие последовательного нанесения ударов двумя ударниками - сначала дополнительным, а затем основным. Предударная скорость этих ударников относительно корпуса имеет одинаковое значение вследствие того, что они перемещаются до удара вместе друг с другом, при этом дополнительный ударник толкает основной ударник, т.к. площадь дополнительного ударника, на которую действует давление в камере прямого хода, значительно больше аналогичной площади основного ударника. Нанесение следующего удара по стержневому элементу через малый промежуток времени не только обеспечивает стабильное и синхронное увеличение в два раза продолжительности импульсного воздействия на забиваемый в грунт стержневой элемент, но и способствует появлению эффекта "разжижения грунта" и снижению сил трения и сопротивления внедрению. Последовательное нанесение ударов обеспечивается тем, что передний торец дополнительного ударника выступает из основного ударника на заданное расстояние относительно переднего торца основного ударника за счет постоянного принудительного прижатия дополнительного ударника к основному ударнику. Это обеспечивает повышение скорости забивания стержневого элемента в грунт. Выполнение канала для сообщения камер прямого и обратного хода при этом в дополнительном ударнике обеспечивает не только быстрое наполнение сжатым воздухом камеры обратного хода, но и повышение надежности устройства благодаря простоте конструкции.
Целесообразно канал для сообщения камер прямого и обратного хода выполнить осевым, а в основном и в дополнительном ударниках следует выполнить поперечные каналы таким образом, чтобы они были сообщены между собой по кольцевой проточке на наружной поверхности дополнительного ударника при крайнем переднем положении основного и дополнительного ударников, а также с осевым каналом для сообщения камер прямого и обратного хода и с камерой обратного хода. Такое выполнение устройства обеспечивает стабильную работу устройства за счет гарантированного наполнения камеры обратного хода сжатым воздухом и быстрое начало работы с высокой частотой ударов.
Целесообразно взаимодействующие при упоре поверхности внутренней ступени основного ударника и кольцевого выступа дополнительного ударника выполнить коническими. Такое выполнение устройства повысит надежность и стабильность формирования эффективного и продолжительного импульса в стержневом элементе в результате снижения концентрации напряжений и деформации металла в местах соприкосновения ударников.
Сущность устройства ударного действия поясняется примером его конструктивного исполнения и чертежами фиг. 1-3. На фиг. 1 изображено устройство ударного действия, общий вид в продольном разрезе, в котором дополнительный ударник с кольцевым выступом установлен в сквозном ступенчатом отверстии основного ударника, при этом канал для сообщения камер прямого и обратного хода выполнен в дополнительном ударнике. На фиг. 2 - устройство ударного действия, общий вид в продольном разрезе, в котором канал для сообщения камер прямого и обратного хода выполнен осевым, а в основном и в дополнительном ударниках выполнены поперечные каналы, которые сообщены между собой по кольцевой проточке на наружной поверхности дополнительного ударника, а также с осевым каналом и с камерой обратного хода. На фиг. 3 - изображен фрагмент общего вида в продольном разрезе устройства ударного действия, в котором взаимодействующие при упоре поверхности внутренней ступени основного ударника и кольцевого выступа дополнительного ударника выполнены коническими.
Устройство ударного действия (далее - устройство) содержит корпус 1 (фиг. 1), основной ударник 2, установленный с возможностью перемещения в корпусе 1, образующие камеру 3 прямого хода, камеру 4 обратного хода. В основном ударнике 2 выполнено сквозное ступенчатое отверстие 5. Для подачи сжатого воздуха в камеру 3 прямого хода предназначено впускное отверстие 6. На наружной поверхности основного ударника 2 выполнена кольцевая канавка 7, в которую установлено упругое кольцо 8 с возможностью взаимодействия с запорной внутренней поверхностью корпуса 1. На запорной внутренней поверхности корпуса 1 выполнен передний кольцевой выступ 9, а на краю ее задней части 10 - ограничитель 11 обратного хода в виде ряда пазов, выходящих на эту заднюю часть 10. Коническая поверхность 12 выполнена на запорной внутренней поверхности корпуса 1 между передним кольцевым выступом 9 и ее задней частью 10 и сопряжена с ними. На наружной поверхности основного ударника 2, которая взаимодействует с корпусом 1, выполнены продольные каналы 13, предназначенные для прохода воздуха после его выхлопа из камеры 4 обратного хода. В заднем торце корпуса 1 выполнены выпускное отверстие / выпускные отверстия 14. В сквозном ступенчатом отверстии 5, выполненном по оси основного ударника 2, установлен с возможностью его осевого перемещения в ступени с меньшим диаметром, расположенной в передней части устройства, дополнительный ударник 15, имеющий кольцевой выступ 16. Если ударники 2 и 15 не находятся на переднем внутреннем торце корпуса 1, то передний торец дополнительного ударника 15 выступает из переднего торца основного ударника 2 при упоре его кольцевого выступа во внутреннюю ступень основного ударника 2, образованную указанным сквозным ступенчатым отверстием 5. В дополнительном ударнике 15 выполнен канал 17 для сообщения камер прямого 3 и обратного 4 хода (далее - канал 17). Внутренняя ступень 18 основного ударника 2 имеет возможность взаимодействия с кольцевым выступом 16 дополнительного ударника 15.
Канал 17 в дополнительном ударнике 15 (фиг. 2) целесообразно выполнить осевым, а в основном 2 и в дополнительном ударниках 15 выполнить поперечные каналы 19 и 20 таким образом, чтобы они были сообщены между собой по кольцевой проточке 21 на наружной поверхности дополнительного ударника 15 при крайнем переднем положении основного 2 и дополнительного 15 ударников, а также с каналом 17 и с камерой 4 обратного хода.
В устройстве (фиг. 3) взаимодействующие между собой при упоре поверхности внутренней ступени 18 основного ударника 2 и кольцевого выступа 16 дополнительного ударника 15 целесообразно выполнить коническими.
Устройство работает следующим образом. Сжатый воздух через впускное отверстие 6 (фиг. 1) поступает в камеру 3 прямого хода, и в ней повышается давление. Под действием давления основной ударник 2 и дополнительный ударник 15 из любого положения перемещаются в крайнее переднее (нижнее по чертежу) положение, при этом передний торец дополнительного ударника 15 выступает из основного ударника 2 до момента прихода в крайнее переднее положение. До крайнего переднего положения основного ударника 2 камера 4 обратного хода сообщена с атмосферой по продольным каналам 13 через выпускное отверстие / выпускные отверстия 14. При крайнем переднем положении основного ударника 2 упругое кольцо 8 приходит в соприкосновение с передним кольцевым выступом 9, в результате чего камера 4 обратного хода закрывается. По каналу 17 сжатый воздух поступает в камеру 4 обратного хода, и в средней части этой камеры повышается давление, которое перемещает основной ударник 2 назад для образования щели, по которой сжатый воздух заполняет всю камеру 4 обратного хода. Под действием давления сжатого воздуха упругое кольцо 8 своей торцевой поверхностью прижимается к поверхности задней стенки кольцевой канавки 7 и к поверхности переднего кольцевого выступа 9. За счет разности площадей камер прямого 3 и обратного 4 хода основной ударник 2 осуществляет обратный ход и перемещается в крайнее заднее (верхнее по чертежу) положение. При этом дополнительный ударник 15 давлением в камере 3 прямого хода прижат своим кольцевым выступом 16 к внутренней ступени 18 основного ударника 2, с которым он перемещается в крайнее заднее (верхнее по чертежу) положение. Вместе с ударником 2 упругое кольцо 8 скользит по запорной внутренней поверхности корпуса 1: сначала по поверхности переднего кольцевого выступа 9, затем по конической поверхности 12 и далее по задней части 10 запорной внутренней поверхности. При этом упругое кольцо 8 растягивается в радиальном направлении и сохраняет свой контакт со всеми вышеперечисленными поверхностями. При выходе упругого кольца 8 на ряд пазов ограничителя 11 обратного хода начинается сообщение камеры 4 обратного хода с атмосферой по продольным каналам 13 и через выпускное отверстие / выпускные отверстия 14. Давление в ней снижается. За счет упругих сил, накопленных в упругом кольце 8, происходит быстрое его сжатие в радиальном направлении и восстановление его первоначальной формы - упругое кольцо 8 быстро опускается в кольцевую канавку 7 на основном ударнике 2. Через образовавшийся кольцевой зазор, далее по продольным каналам 13 и через выпускное отверстие / выпускные отверстия 14 заканчивается выхлоп сжатого воздуха в атмосферу.
Под действием давления воздуха в камере 3 прямого хода основной 2 и дополнительный 15 ударники сначала останавливаются в крайнем заднем положении, а затем совершают ускоренное движение вперед и наносят поочередные удары по внутреннему переднему торцу корпуса 1 - сначала дополнительный ударник 15, а затем основной ударник 2. При этом воздух вытесняется ударниками 2 и 15 из камеры 4 обратного хода в атмосферу. Непосредственно перед ударом упругое кольцо 8 приходит в соприкосновение с передним кольцевым выступом 9. Камера 4 обратного хода закрывается. В ней вновь повышается давление, и цикл работы устройства повторяется.
Канал 17 для сообщения камер прямого 3 и обратного 4 хода, выполненный в дополнительном ударнике 15 осевым (фиг. 2), позволяет повысить частоту ударов за счет простого увеличенного поперечного сечения этого канала. Поперечные каналы 19 и 20 даже при их минимальном сечении, выполненные в основном 2 и в дополнительном 15 ударниках устройства соответственно, и кольцевая проточка 21, выполненная на наружной поверхности дополнительного ударника 15, обеспечивают постоянное сообщение камер прямого 3 и обратного 4 хода. Благодаря этому обеспечивается более быстрое наполнение камеры 4 обратного хода сжатым воздухом при стабильной работе устройства при высокой частоте ударов.
Выполненные коническими взаимодействующие при упоре поверхности внутренней ступени 18 основного ударника 2 и кольцевого выступа 16 дополнительного ударника 15 (фиг. 3) способствуют снижению концентрации напряжений и деформации металла в местах расположения ступеней.