ПНЕВМОПРОБОЙНИК

Полезная модель 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 обсадных труб» [патент RU на изобретение №2245964], подвешенное на гибкой подвеске балансирного механизма и включающее ударную штангу с хвостовиком, наголовник обсадных труб, пружину и размещенный на хвостовике запорный элемент. Хвостовик ударной штанги выполнен с упорным буртом и снабжен опорной шайбой. Запорный элемент выполнен с возможностью перемещения вдоль оси хвостовика. Пружина установлена между опорной шайбой и запорным элементом.
Недостатком данного устройства является то, что для его работы необходим дополнительно подъемный механизм для поднятия ударной штанги, например, лебедки бурового станка.
Известно также «Устройство для погружения трубы в грунт забиванием» [авторское свидетельство SU на изобретение №1622532], содержащее ударный узел, закрепленную в его передней части втулку для взаимодействия с торцом забиваемой трубы, на которой выполнены радиальные выступы и размещены упругие элементы по окружности между радиальными выступами, и приспособления жесткости упругого элемента. Каждый упругий элемент выполнен в виде изогнутой пластинчатой пружины, установленной с возможностью взаимодействия средней частью с внутренней поверхностью трубы. Приспособление для регулирования жесткости упругого элемента выполнено в виде расположенных на внешней поверхности втулки углублений для размещения концов пружин.
К недостаткам данного устройства можно отнести его сложность и необходимость дополнительно комплектовать его при работе ударным узлом.
Известно также «Пневматическое устройство для забивания труб в грунт» [авторское свидетельство SU на изобретение №1599486], включающее цилиндрический корпус с ударником и воздухораспределительным механизмом, закрепленную в головной части корпуса наковальню, охватывающую корпус и головную обойму с переменной толщиной стенки и воздухоподающий шланг. Наковальня и корпус выполнены с конусными винтовыми поверхностями на сопряженных участках.
Для получения большой мощности удара данным устройством необходимо увеличивать его габариты, так как камер для накопления сжатого газа в нем не предусмотрено.
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. Меньшая его ступень имеет поперечный размер меньше поперечного размера меньшей части ступенчатой полости корпуса узла подъема ударной массы. Шток снабжен пружиной, размещенной между торцом большей ступени штока и корпусом узла подъема ударной массы. Канал для подачи сжатого воздуха в ступенчатую 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.
К недостаткам данного устройства относится невозможность получения больших ударных мощностей.
Наиболее близким аналогом к заявляемой полезной модели является «Пневмоударная машина для забивания стержней в грунт» [патент RU на полезную модель №78231], содержащая ударную массу, направляющий узел для движения размещенной в нем ударной массы, узел подъема ударной массы, имеющий корпус с полостью, в которой размещено распределительное устройство, и рабочую камеру для сжатого воздуха, образованную с помощью мембраны, 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 его полости, 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 указанным распределительным устройством, выполненным в виде клапана отсечки, при этом указанный направляющий узел имеет выхлопные окна и выполнен в виде установленной вертикально трубы, которая соединена с корпусом узла подъема ударной массы, при этом корпус узла подъема ударной массы имеет также ступенчатую полость, в которой размещен ступенчатый стержень, и крышку, выполненную заодно с трубой, в полости которой размещен верхний торец забиваемого стержня, при этом ступенчатый стержень установлен с возможностью осевого смещения относительно корпуса узла подъема ударной массы и взаимодействия верхним торцом с ударной массой, а нижним - с торцом забиваемого стержня, причем большая по поперечному размеру ступень ступенчатого стержня имеет поперечный размер больше поперечного размера меньшей части ступенчатой полости корпуса узла подъема ударной массы, отличающаяся тем, что рабочая камера для сжатого воздуха образована с помощью дополнительной мембраны с отверстием для впуска сжатого воздуха и кольцевого обода, которым соединены мембрана и дополнительная мембрана и который имеет возможность осевого смещения относительно корпуса узла подъема ударной массы, при этом ступенчатый стержень выполнен четырехступенчатым, а клапан отсечки установлен на верхней ступени четырехступенчатого стержня с возможностью осевого смещения по ней и взаимодействия верхним торцом с ударной массой через отверстия в мембране, дополнительной мембране и корпусе узла подъема ударной массы, а нижним торцом - с бортиком второй сверху ступени четырехступенчатого стержня, причем узел подъема ударной массы снабжен промежуточной направляющей втулкой, размещенной между его корпусом и крышкой, при этом указанную ступенчатую полость образует промежуточная направляющая втулка с крышкой, а полость, в которой размещен клапан отсечки, образуют корпус, указанная втулка и верхняя ступень четырехступенчатого стержня.
Недостатком наиболее близкого аналога является невозможность варьирования силы удара, и тем самым невозможность подбора наиболее оптимальной силы удара в каждом конкретном случае.
Задачей заявляемого решения является создание пневмопробойника с варьируемой силой удара и возможности подбора как минимально возможных величин удара, так и максимально возможных нагрузок.
Сущность заявляемой полезной модели заключается в том, что пневмопробойник, имеющий ударный элемент 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, насаженные на направляющий узел и выполненных с возможностью скольжения по его внешней поверхности, узел подъема с корпусом, на боковой поверхности которого выполнены выходное и входное отверстия на магистраль, внутри в центральной части корпуса - выхлопное отверстие, закрывающееся клапаном, размещенным на распределительном элементе в виде штока, и полости в виде камер - рабочей, выполненной с возможностью захода в нее поршня под грузом, и накопительной, имеет дополнительно демпферную и управляющую камеры, выполненные соответственно одна под другой, и под накопительной камерой два поршня - верхний и нижний, расположенные 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 заявляемой полезной модели 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 пневмопробойнике, 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, 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 заявляемой полезной модели представлена на рисунке, 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.
Заявляемый пневмопробойник 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 имеется крепежное устройство 18, предназначенное для крепления заявляемого устройства к подъемному механизму, которым может служить, например, подъемный кран. На верху корпуса 1, соосно с ним, установлен направляющий узел 19, на котором с возможностью скольжения вдоль направляющего узла размещена ударная масса 20.
Пневмопробойник 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 весь пневмопробойник находится в подвешенном состоянии, удерживаемый 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 давлением 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 пневмопробойника в целом.