ПНЕВМАТИЧЕСКОЕ УДАРНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАБИВАНИЯ В ГРУНТ ДЛИННОМЕРНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
PNEUMATIC IMPACT DEVICE FOR DRIVING LENGTHY ELEMENTS INTO SOIL

Изобретение относится к строительной и горной промышленности, а именно к пневматическим ударным устройствам для забивания в грунт стержневых элементов, например труб, и может найти применение также в других областях промышленности, где требуется ударное воздействие.
Известно «Устройство для забивки колонны обсадных труб» [авторское свидетельство SU на изобретение №1204677], содержащее наголовник, выполненный с осевым отверстием, ударник с хвостовиком, установленным соосно в осевом отверстии наголовника. Оно снабжено набором съемных кольцевых грузов с осевыми отверстиями, установленных на наголовнике, и фиксатором их положения, выполненным в виде охватывающей хвостовик ударника трубы с упорным фланцем на торце, установленной в осевом отверстии наголовника с возможностью вертикального перемещения. Набор съемных грузов размещен между торцом наголовника и упорным фланцем трубы. Масса каждого груза равна массе обсадной трубы колонны.
Недостатком данного устройства является необходимость использования устройства совместно с механизмом для поднятия и бросания груза, например бурильной лебедкой или подъемным краном.
Известно также «Устройство для забивания трубы в грунт [авторское свидетельство SU на изобретение №1416621], включающее ударный узел, смонтированный на нем переходник для соединения его с забиваемой трубой, распорный узел, размещенный между упорами переходника и содержащий пневмокамеру с подпружиненными прокладками. Устройство также снабжено механизмом осевого перемещения переходника, выполненного в виде двух кольцевых пневмокамер, размещенных по обе стороны распорного узла. Распорный узел снабжен обоймой, свободно установленной на переходнике.
Однако в данном устройстве сила удара не может быть больше, чем сила трения распорного узла и стенок забиваемой трубы, поэтому сила удара ограничена. Тем более, что во влажной трубе сила трения уменьшается. Стенки пневмокамер изготовлены из эластичных материалов, что снижает их долговечность при многократных деформациях и надежность.
Известен также пневматический вибровозбудитель [авторское свидетельство SU №1641735], содержащий корпус с размещенным в нем ударником и эластичные манжеты, образующие с корпусом и ударником камеры прямого и обратного хода. Камера обратного хода выполнена в виде двух полостей - рабочей и выхлопной, связанных между собой перепускным каналом, при этом стенка выхлопной камеры выполнена с выхлопным каналом и расположена с возможностью взаимодействия с манжетой камеры обратного хода.
Недостатком известного пневматического вибровозбудителя является неэффективность использования его в качестве ударного устройства, т.к. данный вибровозбудитель вырабатывает сравнительно небольшую энергию единичного удара относительно массы своего ударника.
Известно также пневматическое устройство для забивания в грунт длинномерных элементов, например труб [патент RU на изобретение №2149956], содержащее ударный узел, выполненный в виде маятника, ударная масса которого на шарнирном подвесе прикреплена к кронштейну над забиваемым элементом, узел подъема ударной массы, имеющий корпус со ступенчатой полостью, мембрану с каналом для выхлопа сжатого воздуха, перекрывающую выход меньшей части ступенчатой полости, шток, размещенный в ступенчатой полости корпуса узла подъема ударной массы с возможностью взаимодействия через мембрану с ударной массой. В корпусе узла подъема ударной массы выполнен канал для подачи сжатого воздуха в ступенчатую полость корпуса. Шток выполнен ступенчатым, при этом меньшая его ступень имеет поперечный размер меньше поперечного размера меньшей части ступенчатой полости корпуса узла подъема ударной массы, и снабжен пружиной, размещенной между торцом большей ступени штока и корпусом узла подъема ударной массы. Канал для подачи сжатого воздуха в ступенчатою полость корпуса соединен с наружной боковой поверхностью корпуса узла подъема ударной массы и с внутренней поверхностью корпуса, прилегающей к большей части ступенчатой полости. Выход канала для подачи сжатого воздуха в большую часть ступенчатой полости выполнен на расстоянии от меньшей части ступенчатой полости, меньшем длины большей ступени штока.
Недостатком этого пневматического устройства 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 элементу сравнительно небольшого ударного импульса, что снижает эффективность работы известного пневматического устройства. Кроме того, наличие пары скольжения (шток - полость корпуса узла подъема ударной массы) снижает надежность данного пневматического устройства из-за возможного заклинивания и износа деталей.
Известна также «Пневмоударная машина для забивания стержней в грунт» [патент RU на изобретение №2276229], содержащая ударную массу, направляющий узел для движения ударной массы, узел подъема ударной массы, имеющий корпус с полостью, в которой размещено распределительное устройство, и рабочую камеру для сжатого воздуха, образованную корпусом узла подъема ударной массы и мембраной, имеющей отверстие для выхлопа сжатого воздуха, при этом корпус узла подъема ударной массы имеет канал для подачи сжатого воздуха из магистрали и отверстие для подачи сжатого воздуха в рабочую камеру из полости, в которой размещено распределительное устройство. Причем 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 распределительным устройством, выполненным в виде подпружиненного клапана отсечки, при этом направляющий узел для движения размещенной в нем ударной массы имеет выхлопные окна и выполнен в виде установленной вертикально трубы с крышкой, которые соединены с корпусом узла подъема ударной массы. Корпус узла подъема ударной массы имеет ступенчатую полость, в которой размещен подпружиненный трехступенчатый стержень, по меньшей мере, два отверстия для подачи сжатого воздуха в рабочую камеру из полости, в которой размещено распределительное устройство, и крышку, выполненную заодно с трубой, в полости которой размещен нижний торец трехступенчатого стержня и верхний торец забиваемого стержня, при этом трехступенчатый стержень установлен с возможностью осевого смещения относительно корпуса узла подъема ударной массы и взаимодействия верхним торцом с ударной массой, а нижним - с забиваемым стержнем, причем распределительное устройство установлено с возможностью взаимодействия с ударной массой через мембрану, кольцевую пластину и жесткие связи, свободно пропущенные через указанные отверстия корпуса узла подъема ударной массы, при этом центральная ступень трехступенчатого стержня имеет поперечный размер больше поперечного размера меньшей части ступенчатой полости корпуса узла подъема ударной массы.
Недостатком данной 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 распределительного устройства, что предопределяет расшатывание его элементов и износ мембраны при взаимодействии с ударной массой и, как следствие, снижает надежность работы машины.
Наиболее близким аналогом к заявляемому изобретению является «Пневматическое ударное устройство для забивания в грунт стержневых элементов, например труб» [патент RU на изобретение №2229558]. Устройство содержит ударную массу, направляющий узел для движения ударной массы, включающий подвес на шарнире для движения ударной массы, прикрепленный к кронштейну над забиваемым стержневым элементом, и узел подъема ударной массы, имеющий корпус с полостью, в которой размещено распределительное устройство, и рабочую камеру для сжатого воздуха, образованную корпусом узла подъема ударной массы и мембраной, 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 полости, в которой размещено распределительное устройство. 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 распределительным устройством. Мембрана выполнена в виде усеченного конуса, а распределительное устройство - в виде подпружиненного клапана отсечки. Во втором варианте исполнения направляющий узел для движения размещенной в нем ударной массы выполнен в виде установленной вертикально трубы с крышкой, которые соединены с корпусом узла подъема ударной массы.
Недостатком данного устройства является невозможность забивания в грунт стержней без применения приспособления для передачи ударного импульса от корпуса узла подъема ударной массы забиваемому стержню, которое может быть выполнено, например, в виде цилиндрической насадки, неподвижно соединяющей нижнюю часть машины с торцом забиваемого стержня. Однако указанное приспособление увеличивает потери ударного импульса в системе: ударник - корпус узла подъема ударной массы - приспособление для передачи ударного импульса - забиваемый стержень. Все это снижает эффективность работы устройства.
Задачей заявляемого решения является создание пневматического устройства с варьируемой силой удара и возможности подбора как минимально возможных величин удара, так и максимально возможных нагрузок.
Сущность заявляемого изобретения характеризуется тем, что пневматическое ударное устройство для забивания в грунт длинномерных элементов имеет ударник на рабочем конце, ударную массу на противоположном конце и направляющий узел для движения ударной массы вверх-вниз, при этом ударная масса представляет собой ряд грузов и поршень под ними, насаженных на направляющий узел и выполненных с возможностью скольжения по его внешней поверхности, узел подъема с корпусом, имеющим: на боковой стороне корпуса отверстия - входное и выходное на пневмомагистраль, выхлопное отверстие в его центральной верхней части; ряд полостей внутри корпуса в виде пневмокамер - рабочей, выполненной с возможностью захода в нее поршня под грузом, накопительной, демпферной и управляющей, расположенных соответственно одна под другой; распределительный элемент в центре корпуса в виде штока, на котором размещен клапан, закрывающий выхлопное отверстие между рабочей и накопительной камерами; два поршня верхний и нижний, расположенных - верхний под накопительной камерой, нижний - под демпферной, при этом демпферная камера имеет делящую ее на верхнюю и нижнюю части перегородку с вертикальным каналом для прохождения штока и соединения частей демпферной камеры над и под перегородкой.
Технический результат заявляемого изобретения заключается в возможности точного подбора силы удара с учетом плотности и тяжести грунтов, а также конкретно поставленной задачи, например при выполнении пневмоударных работ под точечную застройку в местах исторической значимости путем варьирования массы груза и давления, от минимально до максимально создаваемых в накопительной и управляющей камерах.
Кроме того, демпферная камера, введенная в устройство, создает плавность работы распределительного элемента и всего заявляемого пневматического устройства в целом. В отличие от наиболее близкого аналога и других подобных устройств, у которых ударная масса помещена внутри направляющего корпуса (в нашем случае направляющего узла), заявляемое устройство позволяет работать в широком диапазоне силовых нагрузок - от минимально до максимально возможных, что достигается количеством грузов и массой каждого из них. Это делает устройство относящимся к классу оборудования с точным дозируемым заданным ударом, которое позволяет избежать, в частности, незапланированных разрушений и аварийных ситуаций, вызванных чрезмерными воздействиями на грунт с важными подземными коммуникациями и другими объектами, в том числе старинными архитектурными строениями и памятниками старины.
Конструкция заявляемого изобретения представлена на чертеже, где цифрами обозначены: 1 - корпус узла подъема, 2 - выхлопное отверстие, 3 - поршень ударной массы, 4 - рабочая камера, 5 - клапан, 6 - накопительная камера, 7 - шток, 8 - верхний поршень, 9 - демпферная камера, 10 - жидкость в демпферной камере, 11 - канал, 12 - нижний поршень, 13 - управляющая камера, 14 и 16 - отверстия, соединяющие с пневмомагистралью, 15 - перегородка, 17 - ударник, 18 - крепежное устройство, 19 - направляющий узел, 20 - ударная масса.
Заявляемое устройство имеет толстостенный цилиндрический металлический корпус узла подъема 1, в верхней части которого имеется выхлопное отверстие 2, предназначенное для выхода сжатого воздуха в рабочую камеру 4 из накопительной камеры 6. Поршень 3 выполнен с возможностью захода в рабочую камеру 4. В корпусе узла подъема 1 с возможностью перемещения вдоль него размещен шток 7 с расположенными на нем клапаном 5, верхним 8 и нижним 12 поршнями. Причем рабочая площадь верхнего поршня 8 больше, чем рабочая площадь клапана 5. В корпусе узла подъема 1 выполнены также четыре пневмокамеры: рабочая камера 4, накопительная камера 6, демпферная камера 9 и управляющая камера 13. Сверху и снизу демпферную камеру ограничивают поршни 8 и 12. Под нижним поршнем 12 в корпусе узла подъема 1 расположена управляющая камера 13. В средней части демпферной камеры 12 расположена перегородка 15 с каналом 11 для прохождения штока 7, а также для перетекания воздуха или залитой в эту камеру жидкости 10 между верхней и нижней частями камеры, разделенных перегородкой 15. Отверстия 14 и 16, выполненные в корпусе узла подъема 1, соединяют соответственно накопительную камеру 6 и управляющую камеру 13 с пневмомагистралью, по которой осуществляется подача и отвод сжатого воздуха в заявляемое устройство. Снизу корпуса узла подъема 1 установлен ударник 17. Наверху направляющего узла 19 имеется крепежное устройство 18, предназначенное для крепления заявляемого устройства к подъемному механизму, которым может служить, например, подъемный кран. Наверху корпуса 1 соосно с ним установлен направляющий узел 19, на котором с возможностью скольжения вдоль направляющего узла 19 размещена ударная масса 20.
Пневматическое ударное устройство для забивания в грунт длинномерных элементов работает следующим образом.
В исходном состоянии шток 7 находится в крайнем верхнем положении. При этом в управляющую камеру 13 и в накопительную камеру 6 подан сжатый газ. Давление сжатого газа в камере 13 удерживает нижний поршень 12 прижатым вверх к перегородке 15. Клапан 5 в исходном положении перекрывает выхлопное отверстие 2. Ударная масса 20 находится в крайнем нижнем положении, и ее поршень 3 полностью до упора вставлен в рабочую камеру 4. При этом все устройство находится в подвешенном состоянии, удерживаемое за крепежное устройство 18 подъемным механизмом, а ударник 17 опирается, например, на трубу, предназначенную для забивания в грунт.
Для того чтобы произошло срабатывание устройства, отверстие управляющей камеры 13 соединяют через пневмомагистраль с атмосферой. При этом давление в камере 13 падает, и сила, с которой сжатый газ давит на нижний поршень 12, уменьшается. Из-за разницы рабочих площадей верхнего поршня 7 и клапана 5 на шток действует сила, направленная вниз. Когда сила прижатия поршня 12 становится меньше силы, действующей на шток 7 в противоположном направлении, шток 7 начинает двигаться вниз, и клапан 5 открывает выхлопное отверстие 2. Сжатый воздух вырывается в рабочую камеру 4 через выхлопное отверстие 2. Давление газа в рабочей камере 4 повышается, при этом на поршень ударной массы 3 начинает действовать сила, толкающая его вверх. В результате ударная масса 20 движется по направляющему узлу 19 вверх. При этом на корпус узла подъема 1 действует сила отдачи, направленная вниз, которая через ударник 17 передается на забиваемый в грунт длинномерный элемент, например трубу или сваю. Когда поршень ударной массы 3 выходит из рабочей камеры 4, в образовавшуюся щель из рабочей камеры 4 начинает выходить сжатый воздух. При этом давление воздуха в рабочей камере 4 падает, и ударная масса 20 вместе с поршнем ударной массы 3 возвращается в исходное положение под действием своего веса и производит второй удар по корпусу узла подъема 1, который через ударник 17 передается на забиваемый в грунт длинномерный элемент. Затем цикл повторяют.
Варьируя давление воздуха в управляющей 13 и накопительной 6 камерах, можно добиться изменения силы ударов в широких пределах. Максимально возможную силу удара можно получить, увеличив вес ударной массы 20 и увеличив давление сжатого воздуха в накопительной камере 6. Снизить силу ударов до минимума можно уменьшением веса применяемой ударной массы и давления воздуха в накопительной камере.
При перемещении штока 7 происходит продавливание газа или жидкости, находящихся в демпферной камере 10, через канал 11 между ее верхней и нижней частями, что способствует более плавной работе штока 7, более быстрому его торможению в крайних положениях, что увеличивает надежность и продолжительность работы устройства в целом.