ПНЕВМАТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО УДАРНОГО ДЕЙСТВИЯ С ДРОССЕЛЬНЫМ ВОЗДУХОРАСПРЕДЕЛЕНИЕМ
PNEUMATIC DEVICE OF IMPACT ACTION WITH THROTTLED AIR DISTRIBUTION

Предлагаемое изобретение относится к области строительных и горных машин ударного действия и может быть использовано при создании тяжелых пневмоударных машин для разрушения скальных пород, мерзлых грунтов, проходки подземных скважин, а также при создании пневматических ручных машин для машиностроения.
Известен пневматический молоток (см., например, патент РФ №2248268, М.кл. BD25В 9/04, E02F 5/16, 2002 г.), содержащий рабочий инструмент, полый корпус, полость которого разделена на камеры рабочего и холостого ходов ударником с каналом, с которым взаимодействуют отсекающие ступени трубки, в трубке выполнен продольный канал, постоянно открытый в камеру холостого хода, футорку с постоянно открытым впускным каналом, выпускные каналы в корпусе. В камере рабочего хода со стороны футорки установлена крышка, образующая между футоркой и крышкой предкамеру сетевого воздуха. Трубка установлена в крышке с кольцевым зазором.
Недостатком этого и подобных ему устройств являются каналы значительной протяженности: вдвое больше длины ударника в виде пазов или лысок на наружной поверхности трубки, ограниченных отсекающими ступенями со стороны камер рабочего и холостого ходов, что обусловливает значительный импульс противодавления со стороны камеры холостого в период рабочего хода ударника и незначительный импульс давления со стороны камеры рабочего хода в период рабочего хода ударника, что приводит в обоих случаях к снижению скорости соударения ударника с хвостовиком инструмента и потере кинетической энергии единичного удара и снижению частоты ударов устройства.
Известен пневматический молоток (см., например, патент РФ №2259478, кл. E21C 37/24, B25D 9/26, 2003 г.), содержащий рабочий инструмент, корпус с радиальным выпускным каналом и центральным каналом, ударник с осевым сквозным каналом, разделяющим центральный канал корпуса на камеры рабочего и холостого ходов, трубку с глухим буртиком со стороны крышки, снабженную продольным и радиальным каналами, аккумуляционную камеру, образованную между боковыми поверхностями цилиндра, крышки и ударника, сообщенную постоянно с камерой рабочего хода, причем в хвостовике рабочего инструмента выполнено глухое отверстие, на дно которого опирается трубка, а между боковыми поверхностями трубки и отверстия образован кольцевой канал.
Недостатком этого и подобных ему устройств является наличие аккумуляционной камеры, существенно понижающей импульс давления со стороны камеры рабочего хода в период рабочего хода ударника, и для поддержания расчетного значения импульса силы давления требует увеличения проходного сечения дросселя впуска и повышения расхода воздуха камерой рабочего хода, что приводит к снижению экономичности пневматического молотка за счет увеличения удельного расхода воздуха и снижения величины ударной мощности.
Известно также пневматическое устройство ударного действия с дроссельным воздухораспределением (см., например, патент РФ №2256544, М.кл. B25D 9/04, E21B 1/30, 2005 г.), содержащее сетевую камеру, устройство включения подачи сжатого воздуха в сетевую камеру, полый цилиндр, размещенный в нем ударник с центральным каналом и разделяющий полость цилиндра на камеры холостого и рабочего ходов, пропущенную через центральный канал ударника трубку, соединяющую постоянно сетевую камеру с камерой холостого хода через постоянно открытый впускной дроссельный канал, установленную на одном торце цилиндра со стороны камеры рабочего хода крышку с буртиком и центральным сквозным отверстием для проведения через нее трубки, постоянно открытый впускной в камеру рабочего хода дроссельный канал, соединяющий сетевую камеру с камерой рабочего хода, выпускные каналы, выполненные в боковой стенке цилиндра, и рабочий инструмент с хвостовиком, установленным в другом торце цилиндра, причем на буртике крышки установлен своим днищем стакан, обращенный к буртику крышки, трубка выполнена с возможностью осевого и радиального перемещений относительно центрального сквозного отверстия крышки, а постоянно открытый в камеру рабочего хода дроссельный канал выполнен в виде кольцевого канала с возможностью изменения формы его поперечного сечения, образованного боковыми поверхностями трубки и центрального сквозного отверстия в крышке, трубка со стороны крышки в сетевой камере снабжена буртиком для взаимодействия с седлом отверстия крышки, между стенкой стакана и внешней боковой поверхностью цилиндра образована непроточная форсажная камера, форсажные каналы, сообщающие периодически форсажную камеру с камерой рабочего хода, выполнены в стенке цилиндра в виде радиальных каналов и так, что расстояние от торца крышки, обращенного в камеру рабочего хода до отсечной кромки среза форсажного канала со стороны ближнего выпускного канала, периодически перекрывается ударником, и дроссельный калиброванный канал, соединяющий постоянно сетевую камеру и непроточную форсажную камеру между собой.
Прототипу свойственны следующие недостатки: значительный участок сжатия воздуха, отсеченного в камере рабочего хода после перекрытия ударником форсажного канала, и воздуха, постоянно поступающего через кольцевой дроссель впуска в камеру, что создает значительное противодавление, тормозящее ударник, и снижает величину его рабочего хода; значительный участок сжатия воздуха, отсеченного в камере холостого хода, и воздуха, постоянно поступающего в камеру через дроссельный канал в трубке, что создает значительное противодавление, тормозящее ударник в конце рабочего хода, а следовательно, снижающего скорость соударения ударника с инструментом и кинетическую энергию единичного удара.
Недостатки прототипа и ему подобных пневматических устройств ударного действия можно исключить, если часть воздуха из камеры рабочего хода в конце холостого хода ударника после перекрытия им канала форсажа перепустить в камеру холостого хода, снизив при этом противодавление воздуха в камере рабочего хода, а также в камере холостого хода за счет уменьшенного расхода воздуха, поступающего в нее по дроссельному каналу трубки из сети, чем повысить также экономичность устройства.
Отмеченное позволит повысить скорость соударения и сократить время движения ударника как при рабочем, так и холостом его ходе.
Таким образом, для достижения положительного эффекта необходимо выполнить канал перепуска с соответствующими координатами со стороны камер рабочего и холостого ходов.
Сущность предлагаемого технического решения устройства ударного действия с дроссельным воздухораспределением заключается в следующем.
Пневматическое устройство ударного действия с дроссельным воздухораспределением включает сетевую камеру, устройство включения подачи сжатого воздуха в сетевую камеру, полый цилиндр, размещенный в нем ударник с центральным каналом и разделяющий полость цилиндра на камеры холостого и рабочего ходов, пропущенную через центральный канал ударника трубку, соединяющую постоянно сетевую камеру с камерой холостого хода через постоянно открытый впускной дроссельный канал, установленную на одном торце цилиндра со стороны камеры рабочего хода крышку с буртиком и центральным сквозным отверстием для проведения через нее трубки, постоянно открытый впускной в камеру рабочего хода дроссельный канал, соединяющий сетевую камеру с камерой рабочего хода, выпускные каналы, выполненные в боковой стенке цилиндра, и рабочий инструмент с хвостовиком, установленным в другом торце цилиндра, причем на буртике крышки установлен своим днищем стакан, обращенный к буртику крышки, трубка выполнена с возможностью осевого и радиального перемещений относительно центрального сквозного отверстия крышки, а постоянно открытый впускной в камеру рабочего хода дроссельный канал выполнен в виде кольцевого канала с возможностью изменения формы его поперечного сечения, образованного боковыми поверхностями трубки и центрального сквозного отверстия в крышке, трубка со стороны крышки в сетевой камере снабжена буртиком для взаимодействия с седлом отверстия крышки, между стенкой стакана и внешней боковой поверхностью цилиндра образована непроточная форсажная камера, а форсажные каналы, сообщающие периодически форсажную камеру с камерой рабочего хода, выполнены в стенке цилиндра в виде радиальных каналов и так, что расстояние от торца крышки, обращенного в камеру рабочего хода, до отсечной кромки среза форсажного канала со стороны ближнего выпускного канала периодически перекрывается ударником и выполнено меньшим длины ударника, в крышке выполнен дроссельный калиброванный канал, соединяющий постоянно сетевую камеру и непроточную форсажную камеру между собой, причем на трубке коаксиально установлена дополнительная трубка, кольцевой зазор между которыми образует перепускной канал, снабженный радиальными перепускными каналами и так, что расстояния между наиболее удаленными кромками форсажного канала и радиального перепускного канала со стороны камеры рабочего хода и наиболее удаленные кромки форсажного канала и выпускного канала, а также наиболее удаленные кромки выпускного канала и радиального перепускного канала со стороны камеры холостого хода выполнены меньшими длины ударника по его образующей.
На чертеже показано пневматическое устройство ударного действия с дроссельным воздухораспределением с частичным профильным разрезом, с коаксиально установленной дополнительной трубкой, с радиальными каналами перепуска со стороны камер рабочего и холостого ходов.
Пневматическое устройство ударного действия содержит полый цилиндр 1 с размещенным в нем ударником 2 с центральным сквозным каналом 3 и разделяющим полость цилиндра 1 на камеры рабочего 4 и холостого 5 ходов, трубку 6 с продольным каналом 7, снабженным постоянно открытым дроссельным каналом 8 в камеру холостого хода. Трубка 6 снабжена коаксиально сопряженной с ней дополнительной трубкой 9. Цилиндр 1 со стороны камеры 4 рабочего хода снабжен неподвижной крышкой 10 с центральным отверстием 11. Возможность продольного и радиального перемещений трубок 6 и 9 обеспечивается за счет кольцевого зазора между боковой поверхностью 12 трубки 9 и боковой поверхностью 13 отверстия 11 крышки 10. При этом зазор выполняет функции впускного дроссельного канала 14 с переменной формой площади сечения, но постоянного проходного сечения в камеру 4 рабочего хода. Крышка 10 снабжена фланцевым буртиком 15 и уплотнительным буртиком 16, посредством которых она опирается на торец 17 цилиндра 1 и стакан 18, обращенным к буртику 16. Стакан 18 уплотненно и разъемно, например, посредством резьбового соединения закреплен на цилиндре 1 и снабжен воздухоподводящим каналом 19 от расположенного в стакане 18 пускового устройства 20 любого известного типа. Между стаканом 18, буртиком 16 в крышке 10 образована сетевая камера 21, а между стаканом 18, буртиками 16 и 15 и цилиндром 1 образована кольцевая форсажная камера 22, периодически сообщающаяся посредством радиального форсажного канала 23 в цилиндре с камерой 4. Исполнение форсажного канала 23 должно удовлетворять условию: расстояние от торца крышки, обращенного в камеру 4 рабочего хода, до отсечной кромки среза форсажного канала со стороны ближнего выпускного канала 24 выполнено меньшим длины ударника 2 по его образующей.
Цилиндр 1 снабжен радиальными выпускными каналами 24, 25 и 26, расположенными ярусами, на уровне которых установлено воздухоотбойное кольцо 27 с выпускным каналом, например, в виде щели 28. Хвостовик 30 рабочего инструмента 31 установлен в камере 5 и удерживается колпаком 32, закрепленным разъемно относительно цилиндра 1 посредством резьбового или другого известного соединения. На трубке 6 со стороны сетевой камеры 21 выполнен уплотнительный буртик 33 с уплотнительным седлом 34. Центральное сквозное отверстие - кольцевой впускной дроссельный канал 14 крышки 10 выполнен с кольцевым уплотнительным седлом 35, что позволяет уменьшить удельный ударный импульс седла 34 буртика 33 трубки 6 о крышку 10, чем увеличивает ресурс крышки, трубки и молотка в целом. Буртик 16 крышки 10 для обеспечения гарантированного постоянного впуска сжатого воздуха из камеры 21 в форсажную камеру 22 снабжен дроссельным калиброванным радиальным каналом 36 впуска в буртике 16 крышки 10.
Дополнительная трубка 9 сопряжена коаксиально с трубкой 6, кольцевой зазор 37 между которыми образует продольный кольцевой канал 38 перепуска, соединяющий радиальный канал 39 перепуска с выходом в камеру 4 рабочего хода и радиальный канал 40 перепуска с выходом в камеру 5 холостого хода. Исполнение радиальных каналов 39 и 40, каналов 24, 25 и 26 должно удовлетворять условию: расстояние между наиболее удаленными кромками форсажного канала 23 и перепускного канала 39 со стороны камеры 4 рабочего хода и наиболее удаленными кромками форсажного канала 23 и выпускного канала 26, а также наиболее удаленными кромками выпускного канала 24 и перепускного канала 40 со стороны камеры 5 холостого хода выполнены меньшими длины ударника 2 по его образующей.
Уплотняющее положение буртика 16 крышки 10 относительно стакана 18 может обеспечиваться дополнительным устройством, например, пружиной поджатия, установленной между буртиком цилиндра 1 и буртиком 15 крышки.
Пневматическое устройство ударного действия с дроссельным воздухораспределением работает следующим образом.
При нажатии на устройстве до упора инструментом 31 в обрабатываемую среду сопряжение трубки 9 и 6 выталкивается хвостовиком 30 в сетевую камеру 21, уплотнительное седло 34 буртика 33 трубки отходит от уплотнительного седла 35 крышки 10 и при включении пускового устройства 20 сжатый воздух поступает по каналу 19 в стакане 18 в сетевую камеру. Из камеры 21 сетевой воздух поступает в камеру 4 рабочего хода по кольцевому выпускному дроссельному каналу 14 и одновременно в непроточную форсажную камеру 22, либо через дроссельный калиброванный радиальный канал 36 в буртике 16 и одновременно из непроточной форсажной камеры 22 поступает в камеру 4 через форсажный канал 23, если он не перекрыт ударником 2. Так же из камеры 21 сетевой воздух поступает в камеру 5 холостого хода по впускному дроссельному каналу 8 и продольному каналу 7 в трубке 6.
Давление воздуха в камерах 4 и 22 будет оставаться практически равным атмосферному, так как выпускные каналы 24 и 25, а также форсажный канал 23, имеющие площади проходного сечения, превышающие площади впускного кольцевого дросселя 14 и дроссельного калиброванного радиального канала 36, открыты, то посредством каналов 24 и 25 с выпускной камерой 29 и посредством щелевого канала 28 в воздухоотбойном кольце 27 камеры 4 и 22 сообщены с атмосферой.
В камере 5 холостого хода, поскольку она разобщена с атмосферой, давление воздуха увеличивается, и ударник 2 начнет перемещаться по трубке 9 от хвостовика 30 инструмента 31, установленного в колпаке 32, совершая холостой ход.
При последующем перемещении ударник 2 перекроет своей боковой поверхностью последовательно выпускные каналы 25 и 24, в результате чего начнется повышение давления воздуха, отсеченного в камерах 4 и 22, а также воздуха, вновь натекаемого в эти камеры через кольцевой впускной дроссельный канал 14 и через дроссельный калиброванный радиальный канал 36.
Перемещаясь в сторону камеры 4 рабочего хода, ударник 2 откроет радиальный перепускной канал 40 дополнительной трубки 9 и часть воздуха из камеры 4 рабочего хода поступит по радиальному пропускному каналу 39, продольному кольцевому каналу 38 перепуска и каналу 40 в камеру 5 холостого хода для повторного его использования в рабочем процессе со стороны этой камеры. При этом снижается противодавление в камере 4, обусловливая ударнику 2 большую величину потенциальной энергии его холостого хода, за счет приращения импульса давления воздуха.
Практически одновременно с перекрытием выпускного канала 24 начнется открытие выпускного канала 26 и давление в камере 5 холостого хода будет снижаться до значения атмосферного давления, несмотря на поступление сетевого воздуха через впускной дроссельный канал 8 и канал 7 в трубке 6 из камеры 21, а так как проходное сечение выпускного канала 26 существенно больше проходного сечения впускного дроссельного канала 8, такому снижению давления воздуха способствуют и открывающиеся последовательно выпускные каналы 25 и 24. Таким образом, отработавший воздух из камеры 5 выпускается в выпускную камеру 29 и через щелевой канал 28 в воздухоотбойном кольце 27 в атмосферу.
По мере совершения ударником холостого хода давление воздуха в камере 4 и сообщенной с ней посредством форсажного канала 23 камере 22 будет увеличиваться незначительно. При последующем перекрытии ударником 2 форсажного канала 23 давление воздуха в камере 22 будет интенсивно повышаться до уровня сетевого благодаря его непрерывному поступлению в камеру через дроссельный калиброванный радиальный канал 36 из сетевой камеры 21. Повышенное давление воздуха в камере 22 не сказывается на повышении противодавления в камере 4, поскольку они разобщены. При открытых радиальном перепускном канале 39 в зазоре 37 между сопряжением трубки 6 и 9, радиальном перепускном канале 40 воздух вытесняется ударником 2 из камеры 4 в камеру 5 и далее через открытые выпускные каналы 26, 25 и 24, выпускную камеру 29 и через щелевой канал 28 в воздухоотбойном кольце 27 в атмосферу. Таким образом существенного противодавления воздуха на ударник 2 со стороны камеры 4 не оказывается. Под действием разницы импульсов давлений воздуха в камерах 4 и 5 ударник 2 будет затормаживать свое движение и останавливаться в расчетной точке.
При частичном перекрытии радиального перепускного канала 39 и поступлении воздуха через кольцевой впускной дроссельный канал 14 со стороны камеры 4 создается достаточный импульс давления для обеспечения ускоренного движения в сторону хвостовика 30, совершая рабочий ход.
По мере перемещения ударника 2 давление воздуха в камере 4 рабочего хода будет несколько снижаться. Это вызвано тем, что быстро увеличивающийся объем камеры 4 не успевает заполняться сетевым воздухом, поступающим из камеры 21 через кольцевой впускной дроссельный канал 14, при одновременном перепуске части воздуха из камеры 4 через каналы 39, 38 и 40, а также камеру 5, каналы 26, 25 и 24, камеру 29 и канал 28 в атмосферу. Поэтому при последовательном перекрытии ударником 2 каналов 24, 25 и 26 давление воздуха в камере 4 понижаться не будет, а при повышении давления воздуха в камере 5 часть воздуха начнет поступать через каналы 39, 40 и 38 в камеру 4, снижая при этом противодавление воздуха в камере 5, что способствует ударнику 2 перемещаться при меньшем его торможении силами противодавления.
При дальнейшем перемещении ударника 2 его боковая поверхность откроет форсажный канал 23 и практически одновременно перекроет радиальный перепускной канал 40, вследствие чего накопленный в камере 22 воздух резко наполнит объем камеры 4 и повысит в ней давление, что существенно увеличит импульс давления воздуха рабочего хода и скорость перемещения ударника 2. Поскольку ударник 2 является подвижным, то на площадку крышки 15 приходится меньшая сила, нежели это было бы при неподвижном ударнике или его возвратном перемещении при сжатии воздуха в объеме камеры 4.
В камере 5 холостого хода при перекрытии канала 40 давление воздуха, вследствие его поступления по каналам 7 и 8 из камеры 21 и сжатия меньшего объема его в камере, повысится менее значительно, чем это было бы при отсутствии перепускного канала 40, который позволил существенно уменьшить участок сжатия воздуха в камере. Это обстоятельство позволит существенно снизить импульс противодавления воздуха, действующий на ударник 2, и не уменьшит его предударную скорость.
При дальнейшем перемещении ударника 2 его боковая поверхность откроет выпускной канал 24 и сразу же перекроет выпускной канал 26. Так как скорость ударника велика, а проходное сечение канала 24 не так велико, то резкого снижения давления воздуха в камерах 4 и 22 не произойдет, и давление в них будет поддерживаться расчетным.
После открытия боковой поверхностью ударника выпускного канала 25 давление воздуха в камере 4 рабочего хода и сообщенной с ней форсажной камере 22 резко упадет до величины атмосферного, так как посредством выпускных каналов 24 и 25 камера 4, а камера 22 посредством форсажного канала 23 сообщается с камерой 4, которая посредством каналов 24 и 25 сообщается с выпускной камерой 29 и через щель 28 в воздухоотбойном кольце 27 с атмосферой.
Преодолевая уменьшенный импульс противодавления воздуха со стороны камеры 5 холостого хода под действием разницы импульсов давления воздуха со стороны камеры 4, 22 и 5, ударник 2 наносит удар по хвостовику 30 инструмента 31 и описанный рабочий процесс будет повторятся с той лишь разницей, что холостой ход ударника будет формироваться также при участии импульса отскока ударника от хвостовика инструмента.
Устойчивость рабочего цикла с форсажем рабочего хода со стороны камеры 4 и частичным перепуском воздуха между камерами 4 и 5 посредством перепускных клапанов 39, 38 и 40 в дополнительной трубке 9 сопряженной с трубкой 6, обеспечивается соблюдением герметичности между камерами 19 и 20 при сохранении проходного сечения дроссельного калиброванного канала 36 и герметичности сопряжения между трубками 6 и 35. При этом необходимо соблюдение условий: расстояние между наиболее удаленными кромками форсажного канала 23 и радиального перепускного канала 39 со стороны камеры 4 рабочего хода и наиболее удаленными кромками форсажного канала 23 и выпускного канала 26, а также наиболее удаленными кромками выпускного канала 24 и радиального перепускного канала 40 со стороны камеры 5 холостого хода выполнены меньшими длины ударника по его образующей. Указанное позволяет без увеличения общего расхода воздуха за счет реализации перепуска части воздуха между камерами 4 и 5, а также форсажа при рабочем ходе со стороны камеры 4 увеличить импульс давления и предударную скорость ударника 2 по хвостовику 30 инструмента 31. Отмеченное обусловлено также снижением противодавления в камере 4 рабочего хода в конце холостого хода ударника 2 и в камере 5 холостого хода в конце рабочего хода ударника. Снижение противодавления в камерах 4 и 5 позволяет также увеличить ход ударника при том же расчетном импульсе давления воздуха со стороны камеры 5 холостого хода при холостом ходе ударника и увеличить длину участка его разгона без увеличения времени цикла, поскольку время рабочего хода ударника 2 уменьшится за счет импульса форсажа, что будет способствовать увеличению ударной мощности и снижению удельного расхода воздуха пневматическим устройством ударного действия с дроссельным воздухораспределителем.