УСТРОЙСТВО УДАРНОГО ДЕЙСТВИЯ (ВАРИАНТЫ)

Техническое решение относится к горной и строительной технике и предназначено для проходки скважин в грунте, разрушения горных пород, забивания стержневых элементов в грунт, трамбования грунта и т.п.
Известен пневматический ударный механизм по авторскому свидетельству №395251, кл. В25d 17/00, опубл. в БИ №35 за 1973 г., содержащий цилиндр с дифференциальным поршнем-ударником и подпружиненный в осевом направлении рабочий наконечник. Поршень-ударник имеет калиброванное отверстие, соединяющее над- и подпоршневое пространства, а головка рабочего наконечника выполнена в виде клапана, перекрывающего связь подпоршневого пространства с атмосферой.
Недостатком известного пневматического ударного механизма является медленное и с различной скоростью открывание клапана для выхлопа в атмосферу воздуха из подпоршневого пространства, что приводит к снижению энергии и частоты ударов, а также к их нестабильности. Кроме этого, этот механизм ненадежен в работе, так как весь удар передается через клапан, что может привести к его быстрому износу и выходу из строя.
Наиболее близким аналогом по технической сущности и совокупности существенных признаков является устройство ударного действия по патенту РФ №2105881, кл. Е21С 3/24, E02F 5/18, опубл. в БИ №6 за 1998 г., содержащее корпус с впускным и выхлопным отверстиями, установленный в корпусе с возможностью перемещения ударник, камеры прямого и обратного хода, канал в ударнике для сообщения камер прямого и обратного хода, запорный клапан. На наружной поверхности ударника выполнена кольцевая канавка, на внутренней поверхности корпуса выполнены передний кольцевой выступ и ограничитель обратного хода, а запорный клапан выполнен в виде упругого кольца, установленного в кольцевой канавке ударника с возможностью взаимодействия с внутренней поверхностью корпуса. Ограничитель обратного хода ударника выполнен в виде углублений или сквозных отверстий на внутренней цилиндрической поверхности корпуса, а поверхность переднего кольцевого выступа выполнена сферической или конической, упругое кольцо в сечении выполнено прямоугольным или круглым. Устройство снабжено направляющим элементом для ударника, выполненным в виде кольцеобразного ряда выступов на внутренней поверхности корпуса или на наружной поверхности ударника, при этом корпус снабжен наковальней, а кольцевой выступ и ограничитель обратного хода выполнены на внутренней поверхности наковальни.
Недостатком этого устройства является небольшая по сравнению с поперечным габаритом машины эффективная площадь ударника со стороны камеры прямого хода, что снижает энергию единичного удара. Вывод: устройство работает неэффективно.
Технической задачей предлагаемого решения является повышение эффективности работы за счет повышения энергии единичного удара устройства ударного действия путем увеличения отношения эффективной площади ударника со стороны камеры прямого хода к площади поперечного сечения устройства.
Поставленная задача решается следующим образом. Предлагается устройство ударного действия, включающее корпус с патрубком и впускным и выхлопным/выхлопными отверстиями, установленный в корпусе с возможностью перемещения ударник, камеры прямого и обратного хода, направляющий элемент для ударника, канал в ударнике для сообщения камер прямого и обратного хода, запорный клапан. На наружной поверхности ударника в передней его части выполнена кольцевая канавка, корпус содержит наковальню, на внутренней поверхности которой выполнены передний кольцевой выступ и ограничитель обратного хода ударника, а запорный клапан выполнен в виде упругого кольца, установленного в указанной кольцевой канавке ударника с возможностью взаимодействия с внутренней поверхностью корпуса. Ограничитель обратного хода ударника выполнен в виде углублений, а поверхность переднего кольцевого выступа выполнена сферической или конической, упругое кольцо в сечении выполнено прямоугольным или круглым, направляющий элемент для ударника выполнен в виде кольцеобразного ряда выступов на внутренней поверхности корпуса или на наружной поверхности ударника. Согласно техническому решению оно имеет дополнительную камеру прямого хода, дополнительный запорный клапан, дополнительную кольцевую канавку, задний кольцевой выступ, выполненный на внутренней поверхности корпуса, при этом дополнительная камера прямого хода образована корпусом, наружной поверхностью патрубка и дополнительным запорным клапаном, выполненным в виде упругого кольца, установленного в дополнительной кольцевой канавке в задней части ударника с возможностью взаимодействия с цилиндрической поверхностью корпуса, а выхлопное/выхлопные отверстия расположены в задней боковой части корпуса. На наружной поверхности патрубка выполнена кольцевая ступень или кольцеобразный ряд впадин, а на внутренней поверхности ударника - соответственно кольцеобразный ряд впадин или кольцевая впадина.
Указанная совокупность признаков обеспечивает увеличение эффективной площади ударника со стороны дополнительной камеры прямого хода при неизменной площади поперечного сечения устройства, что повышает энергию единичного удара ударника, а значит, повышает эффективность работы устройства.
Во втором варианте исполнения предлагается устройство ударного действия, включающее корпус с патрубком и впускным и выхлопным/выхлопными отверстиями, установленный в корпусе с возможностью перемещения ударник, камеры прямого и обратного хода, направляющий элемент для ударника, канал в ударнике для сообщения камер прямого и обратного хода, запорный клапан. На наружной поверхности ударника в передней его части выполнена кольцевая канавка, корпус содержит наковальню, на внутренней поверхности которой выполнены передний кольцевой выступ и ограничитель обратного хода ударника, а запорный клапан выполнен в виде упругого кольца, установленного в указанной кольцевой канавке ударника с возможностью взаимодействия с внутренней поверхностью корпуса. Ограничитель обратного хода ударника выполнен в виде углублений, а поверхность переднего кольцевого выступа выполнена сферической или конической, упругое кольцо в сечении выполнено прямоугольным или круглым. Согласно техническому решению оно имеет дополнительное выхлопное/выхлопные отверстия, дополнительную камеру прямого хода, дополнительный запорный клапан, дополнительную кольцевую канавку, задний кольцевой выступ, выполненный на внутренней поверхности корпуса. Дополнительная камера прямого хода образована корпусом, наружной поверхностью патрубка и дополнительным запорным клапаном, выполненным в виде упругого кольца, установленного в дополнительной кольцевой канавке в задней части ударника с возможностью взаимодействия с цилиндрической поверхностью корпуса, выхлопное/выхлопные отверстия расположены в задней боковой части корпуса, дополнительное выхлопное/выхлопные отверстия - в передней боковой части корпуса. На наружной поверхности патрубка выполнена кольцевая ступень или кольцеобразный ряд впадин, а на внутренней поверхности ударника - соответственно кольцеобразный ряд впадин или кольцевая впадина. Направляющий элемент для ударника выполнен в виде кольцевого выступа на наружной поверхности ударника или на внутренней поверхности корпуса.
Выполнение направляющего элемента для ударника в виде кольцевого выступа на наружной поверхности ударника или на внутренней поверхности корпуса уменьшает число концентраторов напряжений на ударнике или в корпусе и упрощает технологию изготовления устройства за счет исключения операций по фрезерованию кольцеобразного ряда выступов на наружной поверхности ударника или на внутренней поверхности корпуса. Тем самым повышается надежность работы устройства и уменьшаются затраты на его изготовление, при этом эффективность работы устройства не снижается по сравнению с устройством по первому варианту исполнения за счет остальной совокупности признаков.
Сущность технического решения поясняется примером конкретного исполнения и чертежами фиг.1, 2, где на фиг.1 изображен продольный разрез устройства с запорным клапаном круглого сечения по первому варианту исполнения (слева от оси - направляющий элемент для ударника выполнен на наружной поверхности ударника, справа - на внутренней поверхности корпуса); на фиг.2 - продольный разрез устройства с запорным клапаном клапаном квадратного сечения по второму варианту исполнения (слева от оси - направляющий элемент для ударника выполнен на наружной поверхности ударника, справа - на внутренней поверхности корпуса).
Устройство ударного действия по первому варианту исполнения содержит корпус 1 (фиг.1), ударник 2, установленный с возможностью перемещения в корпусе 1, патрубок 3, камеру 4 прямого хода, дополнительную камеру 5 прямого хода, камеру 6 обратного хода, запорный клапан 7, дополнительный запорный клапан 8. Дополнительная камера 5 прямого хода образована корпусом 1, наружной поверхностью патрубка 3 и дополнительным запорным клапаном 8. Корпус 1 включает наковальню 9 и заднюю гайку 10. В корпусе 1 выполнены впускное отверстие 11, проходящее через патрубок 3, и выхлопное/выхлопные отверстия 12 в задней части. На внутренней поверхности наковальни 9 выполнены передний 13 и задний 14 кольцевые выступы и ограничитель обратного хода (поз. не обозначен). Передний кольцевой выступ 13 расположен между цилиндрическими внутренними поверхностями 15 и 16 наковальни 9, образующими камеру 6 обратного хода, а задний кольцевой выступ 14 - между цилиндрическими поверхностями 17 и 18 корпуса 1. В ударнике 2 выполнен сквозной канал 19 для сообщения камеры 4 прямого хода с камерой 6 обратного хода. На наружной поверхности ударника 2 выполнены в передней его части кольцевая канавка 20, а в задней его части - дополнительная кольцевая канавка 21, в которых установлены соответственно запорный клапан 7 и дополнительный запорный клапан 8 в виде упругих колец, имеющих наружную 22 и внутреннюю 23 поверхности. Запорный клапан 7 установлен с возможностью взаимодействия с внутренней поверхностью 15 наковальни 9, а дополнительный запорный клапан 8 - с возможностью взаимодействия с цилиндрической поверхностью 17 корпуса 1. Патрубок 3 установлен с возможностью взаимодействия его наружной поверхности (поз. не указана) с внутренней поверхностью (поз. не указана) ударника 2. Наружная поверхность патрубка 3 имеет кольцевую ступень 24 или кольцеобразный ряд впадин 24 (слева от оси), а внутренняя поверхность ударника 2 - соответственно кольцеобразный ряд впадин 25 или кольцевую впадину 25 (слева от оси), которые образуют канал для сообщения камеры 4 прямого хода с дополнительной камерой 5 прямого хода при верхнем (по чертежу) положении ударника 2.
Запорный клапан 7 и дополнительный запорный клапан 8 могут быть выполнены в виде упругого кольца круглого сечения (фиг.1) или прямоугольного сечения (фиг.2).
Устройство имеет направляющий элемент 26 (фиг.1) для ударника 2, выполненный в виде кольцеобразного ряда выступов на внутренней поверхности корпуса 1 (справа от оси) или на наружной поверхности ударника 2 (слева от оси). Ограничитель обратного хода выполнен в виде углублений 27 на цилиндрической внутренней поверхности 16 наковальни 9.
Поверхности переднего 13 и заднего 14 кольцевых выступов выполнены сферическими или коническими.
Устройство ударного действия по второму варианту исполнения содержит корпус 1 (фиг.2), ударник 2, установленный с возможностью перемещения в корпусе 1, патрубок 3, камеру 4 прямого хода, дополнительную камеру 5 прямого хода, камеру 6 обратного хода, запорный клапан 7, дополнительный запорный клапан 8. Дополнительная камера 5 прямого хода образована корпусом 1, наружной поверхностью патрубка 3 и дополнительным запорным клапаном 8. Корпус 1 включает наковальню 9 и заднюю гайку 10. В корпусе 1 выполнены впускное отверстие 11, проходящее через патрубок 3, и выхлопное/выхлопные отверстия 12 в задней части. На внутренней поверхности наковальни 9 выполнены передний 13 и задний 14 кольцевые выступы и ограничитель обратного хода (поз. не обозначен). Передний кольцевой выступ 13 расположен между цилиндрическими внутренними поверхностями 15 и 16 наковальни 9, образующими камеру 6 обратного хода, а задний кольцевой выступ 14 - между цилиндрическими поверхностями 17 и 18 корпуса 1. В ударнике 2 выполнен сквозной канал 19 для сообщения камеры 4 прямого хода с камерой 6 обратного хода. На наружной поверхности ударника 2 выполнены в передней его части кольцевая канавка 20, а в задней его части - дополнительная кольцевая канавка 21, в которых установлены соответственно запорный клапан 7 и дополнительный запорный клапан 8 в виде упругих колец, имеющих наружную 22 и внутреннюю 23 поверхности. Запорный клапан 7 установлен с возможностью взаимодействия с внутренней поверхностью 15 наковальни 9, а дополнительный запорный клапан 8 - с возможностью взаимодействия с цилиндрической поверхностью 17 корпуса 1. Патрубок 3 установлен с возможностью взаимодействия его наружной поверхности (поз не указана) с внутренней поверхностью (поз. не указана) ударника 2. Наружная поверхность патрубка 3 имеет кольцевую ступень 24 (справа от оси) или кольцеобразный ряд впадин 24, а внутренняя поверхность ударника 2 - соответственно кольцеобразный ряд впадин 25 (справа от оси) или кольцевую впадину 25, которые образуют канал для сообщения камеры 4 прямого хода с дополнительной камерой 5 прямого хода при верхнем (по чертежу) положении ударника 2.
Запорный клапан 7 и дополнительный запорный клапан 8 (далее - клапаны 7, 8) могут быть выполнены в виде упругого кольца круглого сечения (фиг.1) или прямоугольного сечения (фиг.2).
Устройство имеет направляющий элемент 26 (фиг.2) для ударника 2, выполненный в виде кольцеобразного ряда выступов на внутренней поверхности корпуса 1 (справа от оси) или на наружной поверхности ударника 2 (слева от оси). Ограничитель обратного хода выполнен в виде углублений 27 на цилиндрической внутренней поверхности 16 наковальни 9. На цилиндрической внутренней поверхности корпуса 1 в его нижней части выполнено дополнительное выхлопное/выхлопные отверстия 28 из камеры 6 обратного хода.
Устройство ударного действия по первому варианту исполнения работает следующим образом. Перед включением устройства ударник 2 (фиг.1) уперт в наковальню 9, а запорный клапан 7 находится в соприкосновении с цилиндрической поверхностью 15. При включении устройства сжатый воздух по впускному отверстию 11, камере 4 прямого хода и сквозному каналу 19 в ударнике 2 поступает в камеру 6 обратного хода, и в ней повышается давление. Под действием давления упругое кольцо клапана 7 растягивается и прижимается наружной поверхностью 22 к цилиндрической поверхности 15. Одновременно с этим упругое кольцо клапана 7 давлением прижимается к верхней (по чертежу) поверхности кольцевой канавки 20 ударника 2. Под действием давления в камере 6 обратного хода за счет разности эффективных площадей ударник 2 перемещается в верхнее (по чертежу) положение.
При прохождении упругим кольцом клапана 7 углублений 27 на цилиндрической внутренней поверхности 16 наковальни 9 происходит выхлоп сжатого воздуха из камеры 6 обратного хода через углубления 27 и дополнительное выхлопное/выхлопные отверстия 12. Одновременно с этим упругое кольцо клапана 8 приходит в соприкосновение с цилиндрической поверхностью 17 - происходит запирание дополнительной камеры 5 прямого хода.
Сжатый воздух из камеры 4 прямого хода по каналу, образованному внутренней поверхностью ударника 2 и наружной поверхностью патрубка 3, поступает в дополнительную камеру 5 прямого хода. С момента запирания клапаном 8 дополнительной камеры 5 прямого хода в ней повышается давление. Под действием давления на внутреннюю поверхность 23 упругого кольца клапана 8 происходит его растяжение и прижатие наружной поверхностью 22 к внутренней поверхности 17 корпуса 1. Одновременно с этим упругое кольцо клапана 8 прижимается к нижней (по чертежу) поверхности дополнительной канавки 21. Под действием давления в камере 4 прямого хода и дополнительной камере 5 прямого хода ударник 2, не встречая сопротивления со стороны камеры 6 обратного хода, ускоренно движется вниз и наносит удар по наковальне 9.
Перед ударом происходит выхлоп сжатого воздуха из дополнительной камеры 5 прямого хода через выхлопные отверстия 12 при выходе упругого кольца клапана 8 на отверстия 12. В этот момент давление на внутреннюю поверхность 23 упругого кольца клапана 8 уменьшается и под действием упругих сил упругое кольцо клапана 8 сжимается.
В крайнем нижнем положении ударника 2 упругое кольцо клапана 7 соприкасается с цилиндрической поверхностью 15, при этом происходит запирание камеры 6 обратного хода. Далее цикл повторяется.
Устройство ударного действия по второму варианту исполнения работает следующим образом. Перед включением устройства ударник 2 (фиг.2) уперт в наковальню 9, а запорный клапан 7 находится в соприкосновении с цилиндрической поверхностью 15. При включении устройства сжатый воздух по впускному отверстию 11, камере 4 прямого хода и сквозному каналу 19 в ударнике 2 поступает в камеру 6 обратного хода, и в ней повышается давление. Под действием давления упругое кольцо клапана 7 растягивается и прижимается наружной поверхностью 22 к цилиндрической поверхности 15. Одновременно с этим упругое кольцо клапана 7 давлением прижимается к верхней (по чертежу) поверхности кольцевой канавки 20 ударника 2. Под действием давления в камере 6 обратного хода за счет разности эффективных площадей ударник 2 перемещается в верхнее (по чертежу) положение.
При прохождении упругим кольцом клапана 7 углублений 27 на цилиндрической внутренней поверхности 15 наковальни 9 происходит выхлоп сжатого воздуха из камеры 6 обратного хода через углубления 27 и дополнительное выхлопное/выхлопные отверстия 28. Одновременно с этим упругое кольцо клапана 8 приходит в соприкосновение с цилиндрической поверхностью 17 - происходит запирание дополнительной камеры 5 прямого хода.
Сжатый воздух из камеры 4 прямого хода по каналу, образованному внутренней поверхностью ударника 2 и наружной поверхностью патрубка 3, поступает в дополнительную камеру 5 прямого хода. С момента запирания клапаном 8 дополнительной камеры 5 прямого хода в ней повышается давление. Под действием давления на внутреннюю поверхность 23 упругого кольца клапана 8 происходит его растяжение и прижатие наружной поверхностью 22 к внутренней поверхности 17 корпуса 1. Одновременно с этим упругое кольцо клапана 8 прижимается к нижней (по чертежу) поверхности дополнительной канавки 21. Под действием давления в камере 4 прямого хода и дополнительной камере 5 прямого хода ударник 2, не встречая сопротивления со стороны камеры 6 обратного хода, ускоренно движется вниз и наносит удар по наковальне 9.
Перед ударом происходит выхлоп сжатого воздуха из дополнительной камеры 5 прямого хода через выхлопные отверстия 12 при выходе упругого кольца клапана 8 на отверстия 12. В этот момент давление на внутреннюю поверхность 23 упругого кольца клапана 8 уменьшается и под действием упругих сил упругое кольцо клапана 8 сжимается.
В крайнем нижнем положении ударника 2 упругое кольцо клапана 7 соприкасается с цилиндрической поверхностью 15, при этом происходит запирание камеры 6 обратного хода. Далее цикл повторяется.