Ударная компрессионно-вакуумная машина двойного действия
DOUBLE ACTION COMPRESSION-VACUUM IMPACT MACHINE

Техническое решение относится к горному делу и строительству, а именно к машинам ударного действия, и может найти применение при отбойке монолитов, для разрушения устаревших фундаментов при реконструкции зданий и забивке свай, а также в сейсморазведке как источник возбуждения сейсмических волн на малых глубинах.
Известна компрессионно-вакуумная машина ударного действия по патенту РФ №2455444, Е21В 1/00, B25D 11/00, опубл. 10.07.2012, Бюл. №19, первый вариант, содержащая корпус и размещенный в нем ударник, образующие нижнюю и верхнюю камеры, вакуум-компрессор, соединенный с верхней камерой, фиксатор для ударника, установленный в верхней части корпуса, и рабочий инструмент. Машина оснащена блоком управления, соединенным с вакуум-компрессором, а фиксатор для ударника выполнен в виде магнита с управляющей катушкой, соединенной с блоком управления, при этом рабочий инструмент машины снабжен по меньшей мере одним магнитом с управляющей катушкой, которая соединена с блоком управления.
Общими признаками аналога и предлагаемого технического решения являются: корпус, размещенный в нем ударник, образующие верхнюю камеру и нижнюю камеру, соединенную с атмосферой, фиксатор для ударника в виде магнита, установленный в верхней части корпуса, вакуум-компрессор, соединенный с верхней камерой, рабочий инструмент.
Недостатком такой машины является сложность ее исполнения из-за использования электронного (блока управления) и магнитного (фиксатор с электрической катушкой) оборудования, что неизбежно ведет к повышению стоимости машины и вероятности поломок электрической катушки из-за постоянных динамических нагрузок при работе машины.
Кроме того, как показывают экспериментальные исследования, даже оснащение ее рабочего инструмента магнитом с управляющей катушкой не только повышает сложность конструкции, ее стоимость и вероятность поломок, но также не устраняет основной недостаток - повторный удар (отскок) ударника, который неприемлем в таких областях использования как сейсморазведка.
Наиболее близкой по технической сущности и совокупности существенных признаков является вакуумная машина ударного действия по патенту РФ на полезную модель №163465, Е21В 1/12, опубл. 20.07.2016, Бюл. №20, содержащая корпус и размещенный в нем ударник, образующие нижнюю и верхнюю камеры, вакуум-компрессор, соединенный с верхней камерой, рабочий инструмент, при этом нижняя камера соединена с атмосферой. Машина снабжена гравитационным переключателем и инерционно-фрикционным клапаном, размещенным в верхней части корпуса и содержащим подпружиненный золотник с фрикционной втулкой-седлом, при этом подпружиненный золотник в нижней части соединен с верхней частью элемента, выполненного гибким и связанного нижней частью с гравитационным переключателем, установленным с возможностью периодического взаимодействия с ударником. Упомянутый элемент выполнен в виде тросиков или веревок, а гравитационный переключатель - в виде груза.
Общими признаками прототипа и предлагаемого технического решения являются: корпус и размещенный в нем ударник, образующие нижнюю и верхнюю камеры, вакуум-компрессор, соединенный с верхней камерой, рабочий инструмент, инерционно-фрикционный клапан в верхней части корпуса, содержащий золотник с фрикционной втулкой-седлом, при этом нижняя камера соединена с атмосферой.
Недостатками известной машины являются: ограничение ее возможностей работы, т.к. удар по рабочему инструменту наносится под действием силы тяжести ударника, а следовательно, машина может работать только вертикально. Энергия удара машины ограничена ее геометрическими параметрами (высотой), что существенно снижает ее энергетические показатели (частоту и энергию удара), и как следствие, эффективность работы. Кроме того, связь между гравитационным переключателем и золотником инерционно-фрикционного клапана (тросик, веревка, телескопическая трубка) является ненадежной.
Проблемы заключаются в повышении эффективности работы ударной компрессионно-вакуумной машины двойного действия за счет возможности реализации ее работы в любом направлении и повышении энергии и частоты ударов путем накопления давления рабочей среды в верхней камере, воздействия на ударник давлением рабочей среды при прямом ходе и использования рабочей среды вакуум-компрессора как на всасывании рабочей среды при вакууме, так и на ее выхлопе при компрессии, а также в повышении надежности работы машины за счет устранения недолговечных гибких связей.
Проблемы решаются тем, что в ударной компрессионно-вакуумной машине двойного действия, содержащей корпус и размещенный в нем ударник, образующие нижнюю камеру и верхнюю камеру, соединенную с вакуум-компрессором, рабочий инструмент, инерционно-фрикционный клапан в верхней части корпуса, содержащий золотник с фрикционной втулкой-седлом, при этом нижняя камера соединена с атмосферой, согласно техническому решению верхняя камера соединена с вакуумной и напорной линиями вакуум-компрессора попеременно через упомянутый инерционно-фрикционный клапан, золотник которого оснащен в нижней части магнитным фиксатором, в верхней - распределителем рабочей среды, выполненным с возможностью попеременного соединения посредством ударника вакуумной и напорной линий вакуум-компрессора с верхней камерой и атмосферой, а упомянутая фрикционная втулка-седло золотника выполнена из упругого материала с защелкой с возможностью фиксации золотника в его верхнем положении в крышке корпуса, при этом защелка состоит из регулируемой пружины и фиксирующих золотник элементов, расположенных на его внешней стороне.
Совокупность указанных признаков предлагаемого технического решения повышает эффективность работы ударной компрессионно-вакуумной машины двойного действия за счет возможности реализации ее работы в любом направлении посредством подачи рабочей среды в любом положении машины и создания давления в верхней камере в каждом цикле работы ударной машины, а также за счет увеличения энергии и частоты ударов путем накопления давления рабочей среды в верхней камере, воздействия на ударник давлением рабочей среды при прямом ходе и использования рабочей среды вакуум-компрессора как на всасывании рабочей среды при вакууме, так и на выхлопе ее при компрессии. Отказ от недолговечных гибких связей при этом упрощает конструкцию, повышая надежность работы машины.
Целесообразно, чтобы фрикционная втулка-седло золотника была выполнена конусообразной формы, что обеспечивает устойчивую и надежную его фиксацию в верхнем положении.
Сущность технического решения поясняется примером конкретного исполнения ударной компрессионно-вакуумной машины двойного действия и чертежами фиг. 1, 2, где на фиг. 1 показана машина в исходном положении при фрикционно-механической фиксации золотника, на фиг. 2 - то же, при взведенном ударнике. Стрелками на чертежах обозначено направление движения рабочей среды.
Машина содержит корпус 1 (фиг. 1, 2) и размещенный в нем ударник 2, образующие нижнюю 3 и верхнюю 4 камеры, вакуум-компрессор 5, соединенный с верхней камерой 4 напорной 6 и вакуумной 7 линиями через инерционно-фрикционный клапан 8 (далее - клапан 8), рабочий инструмент 9. Нижняя камера 3 соединена каналом 10 с атмосферой. Клапан 8 содержит золотник 11 с фрикционной втулкой-седлом 12, выполненной конусообразной формы из упругого материала (например, резины), и распределитель 13 рабочей среды. В нижней части (по чертежу) золотник 11 клапана 8 оснащен магнитным фиксатором 14. Распределитель 13 рабочей среды клапана 8 через каналы 15, 16 соединен напорной 6 или вакуумной 7 линиями вакуум-компрессора 5 с верхней камерой 4 каналами 17 или 18 соответственно ступенчатого поршня 19 распределителя 13 рабочей среды, или с атмосферой каналами 20 и 21. На ступенчатом поршне 19 имеется упор 22, ограничивающий ход золотника 11. Защелка (фиг. 1, 2) состоит из регулируемой пружины 23 и фиксирующих элементов 24 (например, шариков), расположенных на ее наружной поверхности. В крышке 25 корпуса 1 с внутренней поверхности выполнена проточка 26 для фиксации фрикционной втулки-седла 12 и проточка 27 для фиксации упомянутых элементов 24.
Машина работает следующим образом. В исходном положении ударник 2 находится на рабочем инструменте 9, клапан 8 - в нижнем положении (фиг. 1, 2), напорная линия 6 вакуум-компрессора 5 через канал 15, правую (по чертежу) проточку ступенчатого поршня 19 и канал 20 соединена с атмосферой, а вакуумная линия 7 через канал 16, левую (по чертежу) проточку ступенчатого поршня 19 и канал 18 - с верхней камерой 4 машины. Включают вакуум-компрессор 5. Сжатый воздух через напорную линию 6, канал 15, правую проточку ступенчатого поршня 19, канал 20 выхлопывается в атмосферу. В верхней камере 4 образуется разрежение, поскольку в нижнем положении золотника 11 вакуумная линия 7 вакуум-компрессора 5 соединена через канал 16, левую проточку ступенчатого поршня 19 и канал 18 с верхней камерой 4. Начинается движение ударника 2 в верхнее положение (фиг. 2). Ударник 2 сцепляется с магнитным фиксатором 14 и продолжает движение вверх, смещая при этом золотник 11 в верхнее положение. Фиксирующие элементы 24, сжимая регулируемую пружину 23, входят в проточку 27 крышки 25 корпуса 1. В конце движения фрикционная втулка-седло 12 упирается в конец проточки 26 на крышке 25 корпуса 1. Фиксирующие элементы 24 фиксируют вместе с фрикционной втулкой-седлом 12 золотник 11 в верхнем положении (фиг. 2). При этом, кроме фрикционной фиксации золотника 11, фрикционная втулка-седло 12 выполняет роль амортизатора энергии обратного хода ударника 2. Ступенчатый поршень 19 смещается вверх и соединяет вакуумную линию 7 через канал 16, правую проточку ступенчатого поршня 19 и канал 21 распределителя 13 рабочей среды с атмосферой. Одновременно напорная линия 6 вакуум-компрессора 5 через канал 15, левую проточку ступенчатого поршня 19 и канал 17 соединяется с верхней камерой 4 машины. В верхней камере 4 образуется повышенное давление, однако золотник 11 за счет фрикционных свойств втулки-седла 12 и упругих свойств регулируемой пружины 23, воздействующей на фиксирующие элементы 24, остается в верхнем положении (фиг. 2). При достижении давлением в верхней камере 4 заданного значения и соответственно заданным фрикционным сопротивлением фрикционной втулки-седла 12 и механическим сопротивлением регулируемой пружины 23 происходит резкое смещение вниз золотника 11. Золотник 11 - магнитный фиксатор 14 - ударник 2 устремляются вниз. В момент удара ступенчатого поршня 19 упором 22 распределителя 13 рабочей среды золотник 11 прекращает свое движение, при этом ударник 2, благодаря инерционным силам, отрывается от магнитного фиксатора 14 золотника 11 клапана 8 и продолжает движение вниз, ускоряемый давлением, образованным в верхней камере 4. В конце своего движения ударник 2 наносит удар по рабочему инструменту 9. Переместившийся вниз ступенчатый поршень 19 золотника 11 вновь соединяет вакуумную линию 7 через левую проточку ступенчатого поршня 19 с верхней камерой 4 машины, а напорную линию 6 через правую проточку ступенчатого поршня 19 - с атмосферой. Цикл повторяется.
Предлагаемая машина является машиной двойного действия, поскольку на ударник 2 производится двойное воздействие рабочей среды от вакуум-компрессора 5: при взводе ударника 2 - разрежение рабочей среды в верхней камере 4 машины; при ударе ударника 2 - избыточное давление рабочей среды в упомянутой камере 4.