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

Изобретение относится к горной промышленности и строительству, в частности к устройствам ударного действия, используемым для разрушения твердых естественных и искусственных материалов.
Известно техническое решение пневматического молотка (см., например, а.с. СССР №607885, М кл. Е02D 2/07, 1978 год), содержащее корпус, ступенчатый ударник со сквозным каналом, в котором размещена трубка, закрепленная уплотненно в корпусе и хвостовике инструмента. Сквозной канал в ударнике предназначен для пропуска стержней, труб и т.п. элементов для ударного погружения в грунт. Ступенчатый ударник снабжен радиальным впускным каналом и разделяет полость корпуса на кольцевые камеры: холостого хода со стороны инструмента, выпускную с противоположной инструменту стороны и среднюю - рабочего хода, выполняющую одновременно функции камеры сетевого давления воздуха.
Недостатками такого конструктивного решения являются:
1) наличие камеры выпуска в корпусе, которая обуславливает неполное использование площади сечения ударника в формировании силового импульса со стороны рабочего хода ударника и потенциально снижает энергетические параметры молотка;
2) жесткое уплотненное закрепление трубки относительно корпуса и инструмента обуславливает необходимость обеспечения соосности трех посадочных участков - «корпус-ударник», «ударник-трубка» и «трубка-корпус». Это представляет существенные технические сложности при выполнении общей соосности ударника, корпуса и трубки, а нарушение соосности приводит к дополнительным силам трения между элементами и снижению скорости ударника, а следовательно, к снижению энергетических параметров молотка. Наличие увеличенного трения между элементами ударник-корпус-трубка предопределяет увеличение сил отдачи, что весьма нежелательно как для ручных, так и неручных машин ударного действия, поскольку ухудшает санитарно-гигиенические условия и приводит к более интенсивному износу элементов молотка при работе.
Известно также конструктивное решение пневматического молотка (см., например, патент США №1384641, 1921 год), содержащего ступенчатые корпус и ударник, промежуточный ударник, хвостовик с инструментом, систему впускных, перепускных и впускных каналов в корпусе, систему включения кранового типа, воздухоподводящую трубку для продувки забоя, для чего ударник, промежуточный ударник и хвостовик с инструментом снабжены осевыми сквозными каналами для пропуска трубки, которая закреплена уплотненно относительно корпуса и промежуточного ударника, причем трубка своим окончанием со стороны инструмента, входящая в хвостовик инструмента и на большей части промежуточного ударника, установлена по отношению к ним с зазором, но без опирания на них своей торцевой частью.
Основным недостатком указанного технического решения является жесткое уплотнительное закрепление трубки относительно корпуса и промежуточного ударника, что обусловливает необходимость обеспечения соосности трех посадочных участков - «корпус-ударник», «ударник-трубка» и «трубка-промежуточный ударник». Это практически сложно выполнимо, а поэтому, как правило, соосность указанных элементов не достигается. Нарушение соосности приводит к дополнительным силам трения между элементами и снижает скорость ударника, а также энергетические параметры молотка. Увеличение сил трения, а следовательно, сил отдачи приводит к ухудшению санитарно-гигиенических условий эксплуатации ручных молотков и более интенсивному износу деталей неручных молотков.
Известны техническое и конструктивное решения пневматического устройства ударного действия с дроссельным воздухораспределением (см., например, патент РФ №2259478, кл. Е21С 37/24 В25D 9/26, 2005 года, прототип), содержащий корпус с радиально-выпускным каналом и центральным каналом, опертую уплотненно на торец корпуса крышку с кольцевым буртиком и центральным отверстием, ударник с осевым сквозным каналом, разделяющим центральный канал корпуса на камеры рабочего и холостого ходов, трубку с глухим буртиком со стороны крышки, продольным и радиальным каналами, установленную соосно в центральном канале корпуса и размещенную в осевом сквозном канале ударника и центральном отверстии крышки, с образованием между трубкой и крышкой кольцевого канала с возможностью перекрытия его глухим буртиком трубки, стакан, уплотненно установленный относительно кольцевого буртика крышки и корпуса с образованием между боковыми поверхностями стакана и корпуса кольцевой аккумуляционной камеры, постоянно сообщенной с камерой рабочего хода, радиальным перепускным каналом в корпусе, предкамеру, образованную кольцевым буртиком крышки и стаканом с воздухоподводящим каналом, сообщающим постоянно предкамеру с сетью сжатого воздуха посредством воздухопроводного рукава и ниппеля, разъемно соединенных со стаканом, воздухоотбойное кольцо с выпускными отверстиями, образующее между корпусом и кольцом камеру выпуска, рабочий инструмент с хвостовиком и буртиком, взаимодействующим с торцом корпуса и хвостовиком, установленным с возможностью взаимодействия с ударником и посредством выполненного на хвостовике буртика с торцом корпуса, колпак с торцевым амортизатором, удерживающим рабочий инструмент от выпадения из центрального канала корпуса, хвостовик рабочего инструмента выполнен с центральным глухим отверстием, в котором с опорой на его дно размещена трубка с образованием между ее боковой поверхностью и боковой поверхностью глухого отверстия в хвостовике кольцевого канала, проходное сечение которого составляет не менее проходного сечения продольного канала трубки.
Отмеченное устройство ударного действия принято в качестве прототипа как имеющее наибольшее количество существенных признаков по отношению к предлагаемому устройству.
Прототипу свойственен основной недостаток: несмотря на наличие аккумуляционной камеры со значительным объемом, дополняющим объем камеры рабочего хода, в ней создается противодавление с опережающим торможением ударника, приводящим к сокращению величины хода ударника, что приводит к уменьшению участка его разгона, снижению скорости соударения с хвостовиком инструмента и, следовательно, к потере кинетической энергии, ему переданной. Снижению скорости соударения ударника с хвостовиком способствует также противодавление со стороны камеры холостого хода, которая приводит к торможению ударника в конце его рабочего хода.
Основной недостаток прототипа можно исключить, если осуществить частичное вытеснение воздуха из камеры рабочего хода в конце холостого хода ударника, а из камеры холостого хода в конце рабочего хода, а также осуществить частичный перепуск между камерами на участках движения ударника, на которых осуществляется формирование силового импульса давления с приращением его величины для обеих камер за счет перепуска.
Решение технической задачи обуславливается тем, что пневматическое устройство ударного действия с дроссельным воздухораспределением, содержащее корпус с радиально-выпускным каналом и центральным каналом, опертую уплотненно на торец корпуса крышку с кольцевым буртиком и центральным отверстием, ударник с осевым сквозным каналом, разделяющим центральный канал корпуса на камеры рабочего и холостого ходов, трубку с глухим буртиком со стороны крышки, продольным и радиальным каналами, установленную соосно в центральном канале корпуса и размещенную в осевом сквозном канале ударника и центральном отверстии крышки, с образованием между трубкой и крышкой кольцевого канала с возможностью перекрытия его глухим буртиком трубки, стакан, уплотненно установленный относительно кольцевого буртика крышки и корпуса с образованием между боковыми поверхностями стакана и корпуса кольцевой аккумуляционной камеры, постоянно сообщенной с камерой рабочего хода, радиальным перепускным каналом в корпусе, предкамеру, образованную кольцевым буртиком крышки и стаканом с воздухоподводящим каналом, сообщающим постоянно предкамеру с сетью сжатого воздуха посредством воздухопроводного рукава и ниппеля, разъемно соединенных со стаканом, воздухоотбойное кольцо с выпускными отверстиями, образующее между корпусом и кольцом камеру выпуска, рабочий инструмент с хвостовиком и буртиком, взаимодействующим с торцом корпуса и хвостовиком, установленный с возможностью взаимодействия с ударником и посредством выполненного на хвостовике буртика с торцом корпуса, колпак с торцевым амортизатором, удерживающим рабочий инструмент от выпадения из центрального канала корпуса, хвостовик рабочего инструмента выполнен с центральным глухим отверстием, в котором с опорой на его дно размещена трубка с образованием между ее боковой поверхностью и боковой поверхностью глухого отверстия в хвостовике кольцевого канала, проходное сечение которого составляет не менее проходного сечения продольного канала трубки, причем на трубке коаксиально установлена дополнительная трубка с радиальными каналами и так, что кольцевой зазор между трубками образует канал вытеснения, а расстояние между наиболее удаленными кромками каналов выпуска и радиальных каналов дополнительной трубки со стороны камер холостого и рабочего ходов выполнены большими длины образующей ударника.
Исполнение пневматического устройства ударного действия поясняется чертежом продольного разреза с трубками.
Пневматическое устройство ударного действия содержит корпус 1 с радиальным выпускным каналом 2 и центральным каналом 3, опертую уплотненно на торец 4 корпуса крышку 5 с кольцевым буртиком 6 и центральным отверстием 7, ударник 8 с осевым сквозным каналом 9, разделяющий центральный канал корпуса на камеры рабочего 10 и холостого 11 ходов. В центральном канале 3 корпуса 1 и соосно ему размещена трубка 12 с глухим буртиком 13 со стороны крышки 5, радиальным каналом 14 и продольным каналом 15 для впуска воздуха в камеру 11. Трубка 12, размещенная в осевом сквозном канале 9 ударника 8 и центральном отверстии 7 крышки 5 с образованием между трубкой и крышкой кольцевого канала 16 впуска воздуха в камеру 10 с возможностью перекрытия его глухим буртиком 13 трубки 12. Стакан 17 уплотненно установлен относительно кольцевого буртика 6 крышки 5 и корпуса 1 и образует с боковой поверхностью корпуса кольцевую аккумуляционную камеру 18, сообщенную постоянно с камерой 10 радиальным перепускным каналом 19 в корпусе. Предкамера 20 образована кольцевым буртиком 6 крышки 5 и стаканом 17 и постоянно сообщается воздухоподводящим каналом 21 с сетью сжатого воздуха посредством разъемно соединенных воздухопроводящего рукава 22 и ниппеля 23. Воздухоотбойное кольцо 24 с выпускными отверстиями 25 образует с корпусом 1 на уровне радиального выпускного канала 2 кольцевую выпускную камеру 26. Рабочий инструмент 27 с буртиком 28 взаимодействует с торцом 29 корпуса 1, снабжен хвостовиком 35 и установлен с возможностью взаимодействия с ударником 8 и посредством выполненного на хвостовике буртика 28 с торцом корпуса 1.
Дополнительная трубка 30 коаксиально сопряжена с уплотнением на трубке 12, кольцевой зазор 31 между которыми образует канал 32 вытеснения. Трубка 30 снабжена радиальными каналами 33 и 34 с выходами в центральный канал 3 корпуса 1, которые в зависимости от положения ударника 8 периодически сообщают канал 32 вытеснения с камерами 10 и 11 рабочего и холостого ходов. Каналы 33 и 34 выполнены так, что расстояние между наиболее удаленными кромками канала 2 выпуска и радиального канала 33 со стороны камеры 10 рабочего хода, а также наиболее удаленными кромками канала 2 выпуска и радиального канала 34 со стороны камеры 11 холостого хода выполнены меньшими длины ударника по его образующей. В хвостовике 35 выполнено осевое глухое отверстие 36 с дном 37, на которое опираются сопряженные трубки 12 и 30. Боковые поверхности дополнительной трубки 30 и глухого отверстия 36 образуют кольцевой канал 38, проходное сечение которого составляет не менее проходного сечения продольного канала 15 трубки 12.
Таким образом, сопряженные трубки 12 и 30 снабжены тремя соосными опорными участками: в отверстии 7 крышки 5, в канале 9 ударника 8 и в отверстии 36 хвостовика 35 рабочего инструмента 27. То есть трубки 12 и 30 постоянно обеспечены опорами по ее концам, что обеспечивает ее устойчивое осевое положение относительно центрального канала 3 корпуса 1.
Рабочий инструмент 27 удерживается от произвольного выпадения из центрального канала 3 корпуса 1 колпаком 39. На стакане 17 установлены элементы 40 крепления пневматического устройства ударного действия к манипулятору базовой машины.
Пневматическое устройство ударного действия работает следующим образом.
При включении подачи воздуха от ресивера компрессора он по воздухопроводящему рукаву 22 с ниппелем 23 поступает в воздухопроводящий канал 21 стакана 17 и в предкамеру 20 сетевого воздуха. При этом буртик 13 трубки 12 поджимается давлением воздуха к устью кольцевого канала 16 крышки 5 и перекрывает его. Воздух из камеры 20 не распределяется и накапливается на ней.
Распределение воздуха из камеры 20 в камеры 10 и 11, а также в сообщенную с камерой 10 посредством перепускного канала 19 аккумуляционную камеру 18 возможно только после подачи молотка к разрушаемому материалу и упором в него рабочим инструментом 27. В результате нажатия на инструмент 27 его хвостовик 35 выталкивает ударник 8 и сопряженные трубки 12 и 30 в полость центрального канала 3. При этом ход хвостовика 35 ограничивается упором его буртика 28 в торец 29 корпуса 1. Одновременно буртик трубки 13 выдвигается в камеру 20, открывая радиальный канал 14, и воздух поступает по каналу 15 и посредством кольцевого канала 38 в хвостовике 35 в камеру 11 холостого хода. Также одновременно открывается кольцевой канал 16, и воздух из камеры 20 поступает в камеру 10 и по каналу 19 в камеру 18. Поскольку камера 10 и 18 сообщены в этот момент посредством выпускного канала 2, камеры 26, каналов 25 в кольце 24 с атмосферой, давление воздуха в камерах 10 и 18 будет близким к атмосферному благодаря существенно большему проходному сечению выпускного канала 2 в сравнении с проходным сечением выпускного кольцевого канала 16.
Поскольку камера 11 с атмосферой разобщена, то в ней давление воздуха будет увеличиваться и ударник 8 начнет движение от хвостовика 30 в сторону камер 10 и 18, совершая холостой ход. После первого соударения с хвостовиком 35 ударник 8 начнет свое движение под действием импульса давления воздуха со стороны камеры 11 холостого хода с присоединением импульса отскока ударника от хвостовика инструмента 27.
Продолжая движение, ударник 8 перекроет своим торцом выпускной канал 2 и в камерах 10 и 18, теперь разобщенных с атмосферой, начнется сжатие отсеченного в них воздуха, а также воздуха, вновь поступающего по кольцевому каналу 16 из предкамеры 20.
Перемещаясь в сторону камеры 10 рабочего хода, ударник 8 откроет радиальный канал 34 трубки 30 и часть воздуха из камер 10 и 18 поступит по каналу 32, кольцевому зазору 31 и радиальному каналу 34 в камеру 11. Таким образом осуществляется перепуск части воздуха из камеры 10 рабочего хода для его повторного использования со стороны камеры 11 холостого хода, обуславливая тем самым снижение противодавления воздуха в камерах 10 и 18, обеспечивая тем самым больший ход ударника 8. При этом повышается импульс давления воздуха со стороны камеры 11 с одновременным снижением расхода воздуха, поступающего по каналу 15 из предкамеры 20 и сети по каналу 21.
Перемещаясь в сторону крышки 5, ударник 8 откроет своим торцом выпускной канал 2 и камера 11 сообщится посредством канала 2, камеры 26 и каналов 25 кольца 24 с атмосферой. Благодаря существенно большему проходному сечению канала 2 в сравнении с выпускными сечениями радиального впускного канала 14 и продольного канала 15 трубки 12, а также кольцевого канала 38 в хвостовик 35, давление воздуха в камере 11 установится и будет поддерживаться близким к атмосферному.
Поскольку длина участка образующей ударника 8 меньше расстояний между наиболее удаленными кромками каналов 2 и 34 со стороны камеры 10, часть воздуха из камер 10 и 18 вытесняется по каналам 32, 33 и 34 в камеру 11 и далее по каналу 2 в камеру 26, по каналу 25 в кольце 24 и в атмосферу, что дополнительно снижает противодавление воздуха со стороны камеры 10 и гарантирует расчетный ход ударника.
Продолжая движение, ударник 8 перекроет радиальный канал 33 и процесс вытеснения воздуха из камеры 10 прекратится.
Исчерпав силовой импульс давления воздуха со стороны камеры 11, ударник 8 начнет затормаживать свое движение и остановится в расчетной точке со стороны крышки 5. Торможение ударника 8 будет не резким вследствие действия аккумуляционной камеры 18, снижающей противодавление со стороны камеры 10, что обусловит меньшую силу отдачи, действующую на молоток, и более благоприятные условия ее гашения со стороны манипулятора молотка к базовой машине и закрепленной относительно нее посредством элементов 40.
В период окончания движения и остановки ударника 8 в конце холостого хода эффект торможения передается сопряженным трубкам 30 и 12, вызывая раскачивание противоположного их конца, что может увеличивать перекос трубок, силы и время торможения ударника. Это приводит к увеличению времени цикла и снижению частоты, а следовательно, ударной мощности молотка. Однако раскачиванию сопряженных трубок 12 и 30 противодействует дополнительное соосное опирание ее со стороны хвостика 35 инструмента 27, поскольку трубки установлены в отверстии 38. Таким образом, трубки 12 и 30 снабжаются тремя соосными опорами достаточной жесткости: в отверстии 7 крышки 5, осевом сквозном канале 9 ударника 8 и в отверстии 38 хвостика 35, что обеспечивает трубкам 12 и 30 соосное достаточно устойчивое положение и перекосы ее исключаются.
За период холостого хода тем самым обеспечивается расчетное неувеличенное время торможения ударника 8.
После остановки ударника 8 действующий на него силовой импульс давления воздуха со стороны камер 10 и 18 обусловит его ускоренное движение от крышки 5 в сторону хвостика 35, совершая рабочий ход. В период торможения и разгона ударника 8 в начале рабочего хода эффект ускоренного начала движения передается сопряженным трубкам 12 и 30, но, как и в конце холостого хода до остановки ударника, от возможных раскачиваний и перекосов трубок также удерживают соосные опоры достаточной жесткости, образованные в отверстии 7, канале 9 и отверстии 38. Поэтому время разгона ударников, обусловленное максимальными тормозящими силами на участке ударник-трубки, обеспечивает достаточно эффективный его разгон, что также способствует сокращению времени рабочего хода и повышению как частоты, так и ударной мощности молотка.
Продолжая движение, ударник 8 откроет радиальный канал 33 и часть воздуха из камер 10 и 18 начнет поступать через канал кольцевого зазора 31, канал 32 вытеснения и радиальный канал 34 в камеру 11, осуществляя вытеснение части воздуха из камер 10 и 18 в камеру 11, давление воздуха в которой по величине близко к атмосферному. При этом при открытом канале 2 выпуска со стороны камеры 11 часть воздуха будет вытесняться в камеру 26 и по каналу 25 кольца 24 в атмосферу.
Учитывая ускоренное движение ударника 8 и наличие воздуха в камере 18, снижение давления воздуха в камере 10 будет иметь плавный характер, что способствует незначительному снижению импульса давления воздуха в камере.
После перекрытия канала 2 вытеснения ударником 8 в камере 11 начнется процесс сжатия отсеченного в ней воздуха, а также воздуха, поступающего по дроссельному каналу 15 впуска в трубке 12 и воздуха, поступающего по каналам 34, 32 и 33 в процессе вытеснения из камер 10 и 18.
Поскольку давление воздуха в камерах 10 и 18 снижается, то возрастающее давление воздуха в камере 11 обусловит вытеснение части воздуха через каналы 34, 32 и 33 в камеры 10 и 18, что обеспечит возрастание импульса давления рабочего хода и снижение противодавления действующего на ударник 8 со стороны камеры 11, в результате чего ударник будет испытывать незначительные силы торможения, что позволит сохранить ему характер ускоренного движения. Ударник 8 последовательно перекрывает своим торцом канал 2, в результате чего камера 11 разобщается с атмосферой и в ней начинается сжатие отсеченного в ней воздуха и сетевого воздуха, поступающего по каналу 15 трубки 12, а также по кольцевому каналу 38 в хвостовике 36 из предкамеры 20.
Поскольку длина участка образующей ударника 8 меньше расстояний между наиболее удаленными кромками каналов 2 и 34 со стороны камеры 11, то при открытии канала 2 со стороны камеры 10 часть воздуха будет вытесняться по каналам 34, 32 и 33 в камеру 10 и далее по каналу 2 в камеру 26 и каналу 25 в кольце 24 в атмосферу, существенно снижая тормозящее противодавление воздуха, действующее на ударник.
После перекрытия радиального канала 34 в дополнительной трубке 30 процесс вытеснения воздуха из камеры 11 прекратится и воздух, отсеченный в камере, а также воздух, поступающий по дроссельному каналу 15 трубки 12, будут сжиматься.
В следующий момент времени ударник 8 нанесет удар по хвостовику 35 инструмента 27, передавая ему существенно большую кинетическую энергию, чем это имело бы место при наличии процесса торможения ударника противодавлением воздуха со стороны камеры 11.
После соударения рабочий процесс будет повторяться, используя в каждом последующем цикле разгона при холостом ходе импульс отскока, достигающий в зависимости от свойств обрабатываемой среды до 30% величины кинетической энергии ударника, что является положительным подходом в реализации рабочего цикла пневматических машин ударного действия.
Выполнение пневматического устройства ударного действия с дополнительной трубкой и радиальными каналами в ее стенке, установленной коаксиально основной трубке с зазором между ними, образующим канал вытеснения, и так, что расстояние между наиболее удаленными кромками канала выпуска и радиальных каналов дополнительной трубки как со стороны камеры холостого хода, так со стороны камеры рабочего хода, выполненных большими длины образующей ударника, позволяют осуществить частичное вытеснение воздуха из камеры рабочего хода в конце холостого хода ударника, а из камеры холостого хода - в конце рабочего хода. Техническое решение позволяет также осуществить частичный перепуск воздуха между камерами на участках движения ударника, на которых осуществляется формирование силового импульса давления с приращением его величины для обеих камер за счет перепуска.
Таким образом, совмещение процессов вытеснения и перепуска воздуха между камерами позволяет повысить ударную мощность пневматического устройства ударного действия с дроссельным воздухораспределением до 30%.