ГИДРОДВИГАТЕЛЬ СВАЕБОЙНОГО МОЛОТА
HYDRAULIC MOTOR FOR PILE-DRIVING HAMMER

Изобретение относится к гидродвигателям для молотов, используемых для погружения в грунт железобетонных и стальных свай, шпунта и других забивных элементов.
Одним из  направлений в совершенствовании  гидродвигателей ударных машин (гидромолотов сваебойных, кузнечных, штамповочных, некоторых типов гидравлических прессов) является повышение коэффициента полезного действия устройства путем минимизации утечек, имеющих место при  реверсировании  хода поршня вследствие переключения гидрораспределителя (клапанов, золотников), что сопровождается так называемым «коротким замыканием» - более или менее кратковременным прямым сообщением напорной и сливной магистралей гидродвигателя. Преодоление данного негативного эффекта осуществляется как уменьшением времени срабатывания гидрораспределителя, так и разнесением по времени фаз срабатывания отдельных клапанов (золотников).
Примером  такого технического решения является система управления гидравлическим прессом (см. патент SU 1003469, МПК В30В15/20, опубликован 23.12.1987 г.), включающая исполнительный цилиндр, соединенный гидролиниями через напорный и сливной клапаны с управляющими полостями соответственно с аккумулятором и сливной магистралью, а также соединенный своим входом с аккумулятором двухпозиционный четырехлинейный распределитель для переключения клапанов,  дополнительно включающий два блока задержки в виде напорного золотника с управляющей полостью, обратного клапана и дросселя, при этом управляющие полости клапанов соединены с аккумулятором через напорные золотники, а выходы двухпозиционного распределителя соединены через дроссели и обратные клапаны с управляющей полостью напорных золотников.
Приведенное техническое решение имеет следующие недостатки: во-первых, регулирование времени срабатывания клапанов посредством дросселей не исключает полностью короткого замыкания – клапаны будут двигаться с разной скоростью, но движение начнется одновременно и какое-то время оба клапана будут открыты, во-вторых, напорные золотники, выполняющие также функции усилителя, не являются герметичными элементами и сами по себе являются источниками утечек.
Известен принятый в качестве прототипа гидродвигатель сваебойного молота  (см. патент RU 156215, МПК E02D 7/10, 10.11.2015 г.), включающий гидроцилиндр, внутреннее пространство которого разделено перемещаемым поршнем на штоковую и поршневую полости; два двухпозиционных клапана, периодически соединяющих-разъединяющих между собой: один – поршневую полость гидроцилиндра со сливной магистралью, другой – поршневую полость гидроцилиндра со штоковой полостью; два электрогидравлических распределителя, открывающих-закрывающих клапаны; формирующий сигналы для переключения электрогидравлических распределителей контроллер; подвижный элемент, установленный на гидроцилиндре, датчик положения и неуправляемый обратный клапан, позволяющий рабочей жидкости свободно перетекать из поршневой полости в штоковую и препятствующий перемещению рабочей жидкости в обратном направлении, при этом одна из полостей управления напорного клапана постоянно соединена со сливной магистралью, а одна из полостей управления сливного клапана - с напорной магистралью.
Данное техническое решение обеспечивает полное отсутствие утечек короткого замыкания, но имеет следующий недостаток: скорость переключения клапанов ограничена расходными характеристиками электрогидравлических распределителей, что ограничивает частотные характеристики гидродвигателя и, следовательно, гидромолота. Указанный недостаток наиболее отчетливо проявляется для гидродвигателей больших типоразмеров, поскольку они требуют применения соответствующих типоразмеров клапанов.
3
2
-3
2
Отмеченное выше можно проиллюстрировать простым расчетом: так, максимальная расходная характеристика электрогидравлического распределителя прямого действия не превышает 120 л/мин=2000 см/c, для клапана с диаметром заклапанной полости 3 см (7,1 см) и ходом 1,2 см время переключения составит 1,2/(2000/7,1)=4,3⋅10с, что приемлемо. В то же время, например, для клапана диаметром 10 см (78,5 см)  и ходом 3 см (подобный типоразмер клапана необходим  гидродвигателю для перемещения ударной массы молота 20…40 тонн) указанное время составит: 3/(2000/78,5)=0,12 с. Сваебойные гидромолоты должны достигать частоты ударов на минимальной энергии по крайней мере, 100 ударов в минуту, то есть иметь продолжительность цикла не более 60/100=0,6 с. За это время каждый из клапанов – сливной и напорный - должны  переключиться по два раза, то есть время, необходимое для переключения клапанов, составит 2⋅(0,12⋅2)=0,48 с, что сопоставимо с временем цикла, и очевидно, что при этом невозможно гарантировать устойчивый рабочий процесс.
Техническим результатом изобретения является повышение частотной характеристики гидродвигателя сваебойного молота и, соответственно, частоты ударов молота за счет увеличения скоростей срабатывания сливного и напорного клапанов.
Сущность изобретения заключается в том, что в гидродвигателе сваебойного молота, включающем два двухпозиционных клапана, один из которых, сливной, периодически сообщает поршневую полость гидроцилиндра со сливной магистралью, другой, напорный, периодически сообщает поршневую полость гидроцилиндра с напорной магистралью, каждый из клапанов содержит полость управления и заклапанную полость, причем полость управления напорного клапана постоянно соединена со сливной магистралью, а полость управления сливного клапана постоянно соединена с напорной магистралью,  управление сливным и напорным клапанами осуществляется путём периодического соединения их заклапанных полостей со сливной или напорной магистралью при помощи отдельного электрогидравлического четырехлинейного двухпозиционного распределителя, сигналы для переключений каждого из распределителей формируются контроллером при взаимодействии подвижного элемента молота с датчиком положения, между поршневой и штоковой полостью гидродвигателя устанавливается обратный клапан, позволяющий рабочей жидкости свободно перетекать из поршневой полости в штоковую и препятствующий перемещению рабочей жидкости в обратном направлении, при этом в линиях управления, соединяющих заклапанные полости сливного и напорного клапанов со сливной или напорной магистралью, дополнительно установлены пилотные клапаны, по два пилотных клапана в каждой линии управления, один из которых периодически соединяет заклапанную полость соответствующего клапана с напорной магистралью, другой периодически соединяет заклапанную полость соответствующего клапана со сливной магистралью, причем переключение каждой пары пилотных клапанов осуществляется непосредственно отдельным четырехлинейным двухпозиционным распределителем.
На чертеже приведена схема гидродвигателя сваебойного молота, поясняющая сущность изобретения.
Гидродвигатель содержит закрепленный на корпусе молота гидроцилиндр  1, шток  2  которого соединен с ударной массой  3. Поршень 4, соединенный со штоком 2, разделяет внутреннее пространство гидроцилиндра 1 на штоковую полость 5 и поршневую 6.  В состав гидродвигателя входят также: напорный клапан 7, полость управления 8 которого постоянно соединена со сливной (Т) магистралью, а заклапанная полость 9 периодически сообщается с напорной (P) и сливной (T) магистралями посредством двух пилотных клапанов  10 и 11 соответственно, в свою очередь, управляемых электрогидравлическим четырехлинейным двухпозиционным распределителем 12, обеспечивающим открытие-закрытие пилотных клапанов 10 и 11; сливной клапан 13, полость управления 14 которого постоянно соединена с напорной магистралью (Р), а заклапанная полость 15 периодически сообщается с напорной (P) и сливной (T) магистралями посредством двух пилотных клапанов  16 и 17 соответственно, в свою очередь, управляемых электрогидравлическим четырехлинейным двухпозиционным распределителем 18, обеспечивающим открытие-закрытие пилотных клапанов 16 и 17. Гидродвигатель включает также датчик положения 19, взаимодействующий с подвижным элементом гидродвигателя,  например  дополнительным штоком 20, и контроллер 21, обеспечивающий переключение электрогидравлических распределителей 12 и 18 по команде датчика 19.  Поршневая 6 и штоковая 5 полости соединены между собой обратным клапаном 22, позволяющим перемещаться рабочей жидкости из полости 6 в полость 5 и препятствующим ее движению в обратном направлении.
Гидродвигатель сваебойного молота работает  следующим образом.
В исходном положении ударная масса 3 оперта на забиваемый элемент, распределитель 12 под действием пружины находится в крайнем левом положении, а распределитель 18 под действием электромагнита – в крайнем правом положении. Соответственно, давление в заклапанных полостях пилотных клапанов 11 и 16 будет равно давлению в сливной магистрали и эти клапаны будут открыты, а давление в заклапанных полостях пилотных клапанов 10 и 17 будет равно давлению напорной магистрали и эти клапаны будут закрыты. Открытый пилотный клапан 11 сообщает заклапанную полость 9 напорного клапана 7 со сливной магистралью, что обеспечивает его открытие, а открытый пилотный клапан 16 сообщает заклапанную полость 15 сливного клапана 13  с напорной магистралью, что обуславливает его закрытие. Таким образом, давление в штоковой 5 и поршневой 6 полостях будет равным давлению в напорной магистрали вследствие открытия напорного клапана 7, сообщающего указанные полости, и закрытия сливного клапана 13, разобщающего поршневую полость 6 и сливную магистраль.
Давление напорной линии, воздействуя на поршень с обеих сторон, удерживает поршень 4 и, соответственно, ударную массу 3 в исходном положении. При включении молота срабатывают электрогидравлический распределитель 12, под действием электромагнита занимая крайнее правое положение, при этом рабочая жидкость из напорной линии поступает в заклапанную полость пилотного клапана 11, закрывая его, одновременно заклапанная полость пилотного клапана 10 сообщается со сливной магистралью, клапан 10 открывается. Рабочая жидкость из напорной магистрали через пилотный клапан 10 поступает в заклапанную полость 9 напорного клапана 7, закрывая его. Далее, с некоторой задержкой, обеспечивающей полное закрытие напорного клапана 7, срабатывает электрогидравлический распределитель 18, под действием пружины занимая крайнее левое положение. Соответственно,  пилотный клапан 16 закрывается, разобщая заклапанную полость 15 сливного клапана 13 с напорной магистралью, а пилотный клапан 17 открывается, сообщая заклапанную полость 15 сливного клапана 13 со сливной магистралью. Поскольку давление в полости управления 14 сливного клапана 13 равно давлению напорной магистрали, указанный клапан будет открываться, сообщая поршневую полость 6 гидродвигателя со сливной магистралью. Давление в поршневой полости 6 гидродвигателя  падает, и под действием разности давлений, действующей на поршень 4, ударная масса  3 перемещается от забиваемого элемента, совершая холостой ход. На части хода дополнительный шток 20 пересекает створ датчика положения 19, что является сигналом для срабатывания электрогидравлических распределителей 12 и 18, которые, в свою очередь, обеспечивают срабатывание пилотных клапанов 10 и 11 (для переключения напорного клапана 7) и пилотных клапанов 16 и 17 (для переключения сливного клапана 13). Команда на срабатывание электрогидравлических распределителей подается контроллером 21 от сигнала датчика 19 с некоторой задержкой, задаваемой оператором молота, чем регулируется высота подъема ударной массы, и, соответственно, энергия удара. В программе управления контроллера 21 заложено, что электрогидравлический распределитель 18 срабатывает раньше, чем распределитель 12.  Соответственно, сливной клапан 13 закрывается раньше, чем открывается напорный клапан 7, при определенном смещении по времени срабатывания распределителей, сливной клапан 13 может полностью закрыться к моменту начала движения напорного клапана 7, тем самым полностью исключив утечку «короткого замыкания». В течение весьма непродолжительного времени, оцениваемого несколькими миллисекундами, оба клапана – напорный  7 и сливной 13 - могут оказаться закрытыми,  поршневая полость 6, фактически, будет герметичной, а ударная масса 3 и, соответственно, поршень 4 будут продолжать движение по инерции. Даже кратковременное сжатие герметичной полости могло бы вызвать скачок давления в ней, однако обратный клапан 22 обеспечивает сброс жидкости из поршневой полости 6 в штоковую 5 (фактически, в напорную линию), обеспечивая поддержание давления в полости 6, близким к номинальному.
После переключения клапанов 7 и 13 ударная масса 3, под действием собственного веса и гидравлической силы, обусловленной разницей площадей поршневой 6 и штоковой 5 полостей, затормаживается, останавливается и начинает движение в сторону забиваемого элемента, совершая рабочий ход. В предударный период, при прохождении дополнительным штоком 20 уровня датчика положения 19, контроллером 21 формируется сигнал для последующего переключения. Переключение, которое может состояться как в самом конце рабочего хода, так и в начале следующего холостого, осуществляется по аналогичному алгоритму, сначала закрывается напорный клапан 7, затем открывается сливной клапан 13 и далее цикл повторяется. В случае когда переключение происходит в начале холостого хода (при подъеме ударной массы 3), при одновременно закрытых напорном и сливном клапанах, обратный клапан 22, как и в конце холостого хода, осуществляет сброс рабочей жидкости из поршневой полости 6, препятствуя возникновению скачков давления в указанной полости.
Следует отметить, что применение пилотных клапанов позволяет существенно увеличить расход жидкости, поступающей в заклапанные полости сливного и напорного клапанов, тем самым увеличить скорость их движения и, соответственно, уменьшить время их переключения, что позволяет повысить частоту ударов сваебойного молота. При этом, несмотря на то что срабатывание пилотных клапанов неизбежно сопровождается кратковременной утечкой короткого замыкания, это не влияет на эффективность работы, поскольку седла пилотных клапанов имеют диаметр, в 5…6 раз меньший, чем у основных – сливного и напорного клапанов, и общие потери данных утечек не превышают нескольких десятых долей процента энергии цикла.