Результат интеллектуальной деятельности: РЕГУЛИРУЕМАЯ УДАРНАЯ МАШИНА (ВАРИАНТЫ)

Техническое решение относится к машиностроению и может найти применение в горном деле при отбойке монолитов, в строительстве при разрушении отслуживших фундаментов, а также в сейсморазведке как механический источник возбуждения сейсмических волн на малых глубинах.

Известна ударная машина, описанная в патенте РФ №2376467, Е21С 37/00, B25D 9/00 на устройство для управления рабочим циклом ударной машины (2-й вариант), опубл. 20.12.2009, Бюл. №35, включающая корпус, ударник, камеры прямого и обратного хода, рабочий инструмент и управляющее устройство, в корпусе которого установлены золотник и шток, взаимодействующий с золотником. Управляющее устройство снабжено турбинкой, выхлопным соплом, соплом управления и поворотной пружиной. Золотник выполнен поворотного типа, а в качестве штока использован вал, на котором установлены золотник, турбинка и поворотная пружина, работающая на закрытие золотника при отсутствии воздействия управляющего импульса Р_упр. давления рабочей среды на турбинку от сопла управления. Выхлопное сопло соединено через выпускное и впускное отверстия золотника при его открытом положении с камерой обратного хода и через дроссель - с источником рабочей среды. Выхлопное сопло и сопло управления сориентированы на турбинку с возможностью открытия золотника.

Недостатком данной ударной машины является высокая степень отдачи из-за жесткости пружины (и пневматической, и механической) в камере прямого хода, что ограничивает возможность ее применения при различных видах работ, например, в сейсморазведке или при отбойке монолитов и, как следствие, ведет к снижению эффективности ее работы.

Наиболее близкой по технической сущности и совокупности существенных признаков является регулируемая ударная машина по патенту РФ №2476644, E02D 7/10, опубл. 27.02.2013, Бюл. №6, содержащая корпус, ударник, камеры прямого и обратного хода, рабочий инструмент и управляющее устройство, содержащее золотник и взаимодействующий с ним шток, турбинку, выхлопное сопло, сопло управления, поворотную пружину, дроссель и источник рабочей среды. Золотник выполнен поворотного типа и в качестве штока использован вал, на котором установлены золотник, турбинка и поворотная пружина, работающая на закрытие золотника при отсутствии воздействия управляющего импульса Р_упр. давления рабочей среды на турбинку от сопла управления. Выхлопное сопло соединено через выпускное и впускное отверстия золотника при его открытом положении с камерой обратного хода и через дроссель - с источником рабочей среды. Выхлопное сопло и сопло управления сориентированы на турбинку с возможностью открытия золотника. Корпус регулируемой ударной машины снабжен камерой управления, а управляющее устройство - вакуумным эжектором, обратным клапаном и регулятором вакуума, соединенным с камерой прямого хода. Камера управления соединена с соплом управления, а через камеру обратного хода в верхнем положении ударника и указанный выше дроссель - с источником рабочей среды и через впускное, выпускное отверстия золотника, вакуумный эжектор и обратный клапан - с камерой прямого хода, выполненной в виде вакуумной пружины.

Одним из недостатков этой регулируемой ударной машины является сложность конструкции и нечеткость запуска, т.к. при подаче рабочей среды от источника (тем более через дроссель) в камеру обратного хода не всегда удается сразу преодолеть сопротивление вакуумной пружины (камеры прямого хода) и начать движение ударника вверх, что снижает эффективность и надежность ее работы.

Другим недостатком этой машины является снижение ее мощности из-за перетечек рабочей среды между камерами прямого и обратного хода, неизбежно происходящих в процессе работы. Одним из способов борьбы с перетечками рабочей среды является повышение точности обработки ударника и корпуса, что приводит к значительному удорожанию регулируемой ударной машины. Снижение мощности регулируемой ударной машины приводит к снижению эффективности ее работы.

Кроме того, при работе регулируемой ударной машины в труднодоступных местах (подвалы, чердаки и т.д.) достаточно сложно обеспечить ее источником рабочей среды - компрессором из-за его веса и габаритов, что резко ограничивает возможность ее использования.

Технические задачи - повышение эффективности и надежности работы регулируемой ударной машины за счет четкого и надежного ее запуска путем снижения перетечек рабочей среды между камерами прямого и обратного хода и камерой управления и, как следствие, увеличения мощности регулируемой ударной машины, а также путем расширения возможностей ее использования.

По первому варианту исполнения поставленные задачи решаются тем, что в регулируемой ударной машине, содержащей корпус, ударник, камеры прямого и обратного хода, камеру управления, рабочий инструмент и управляющее устройство, содержащее золотник и взаимодействующий с ним шток, турбинку, выхлопное сопло камеры обратного хода, сопло управления камеры управления, поворотную пружину, дроссель и источник рабочей среды, при этом золотник выполнен поворотного типа и в качестве штока использован вал, на котором установлены золотник, турбинка и поворотная пружина, работающая на закрытие золотника при отсутствии воздействия управляющего импульса Р_упр. давления рабочей среды на турбинку от сопла управления камеры управления, при этом впускное отверстие золотника при его открытом положении через выпускное отверстие золотника соединено с выхлопным соплом камеры обратного хода, а через указанный дроссель - с источником рабочей среды, причем выхлопное сопло камеры обратного хода и сопло управления камеры управления сориентированы на турбинку с возможностью открытия золотника, а управляющее устройство снабжено вакуумным эжектором, обратным клапаном и регулятором вакуума, соединенным с камерой прямого хода, при этом камера управления соединена через камеру обратного хода в верхнем положении ударника и указанный выше дроссель с источником рабочей среды и через впускное, выпускное отверстия золотника, вакуумный эжектор и обратный клапан - с камерой прямого хода, выполненной в виде вакуумной пружины, согласно техническому решению управляющее устройство снабжено ресивером, связанным с химическим источником рабочей среды, электроклапаном запуска и блоком управления, взаимодействующим с источником рабочей среды и электроклапаном запуска, соединенным с камерой обратного хода.

Надежность работы регулируемой ударной машины повышается за счет введения в нее блока управления, который, во-первых, обеспечивает включение и выключение источника рабочей среды, а во-вторых, взаимодействует с ресивером и при достижении последним давления рабочей среды, необходимого для запуска регулируемой ударной машины, четко открывает электроклапан запуска.

Энергии сжатого воздуха, накопленной в ресивере от источника рабочей среды, достаточно, чтобы после резкого открытия электроклапана запуска посредством блока управления, обеспечить четкий и надежный запуск. Использование химического источника рабочей среды, подающего пену, например, смесь высококонцентрированного раствора бикарбоната калия (КНСО₃), поверхностно-активных веществ (далее - ПАВ) и соляной кислоты HCl, в ресивер, затем посредством блока управления через электроклапан запуска в камеру обратного хода, позволяет значительно сократить перетечки рабочей среды из камеры обратного хода в камеры управления и прямого хода, что значительно повышает мощность регулируемой ударной машины (т.е. энергию удара и частоту) и, как следствие, эффективность ее работы.

По второму варианту исполнения регулируемая ударная машина, содержащая корпус, ударник, камеры прямого и обратного хода, камеру управления, рабочий инструмент и управляющее устройство, содержащее золотник и взаимодействующий с ним шток, турбинку, выхлопное сопло камеры обратного хода, сопло управления камеры управления, поворотную пружину, при этом золотник выполнен поворотного типа и в качестве штока использован вал, на котором установлены золотник, турбинка и поворотная пружина, работающая на закрытие золотника при отсутствии воздействия управляющего импульса Р_упр. давления рабочей среды на турбинку от сопла управления камеры управления, при этом впускное отверстие золотника при его открытом положении через выпускное отверстие золотника соединено с выхлопным соплом камеры обратного хода, причем выхлопное сопло камеры обратного хода и сопло управления камеры управления сориентированы на турбинку с возможностью открытия золотника, а управляющее устройство снабжено вакуумным эжектором, обратным клапаном и регулятором вакуума, соединенным с камерой прямого хода, а камера управления соединена через камеру обратного хода в верхнем положении ударника и впускное, выпускное отверстия золотника, вакуумный эжектор и обратный клапан с камерой прямого хода, выполненной в виде вакуумной пружины, согласно техническому решению управляющее устройство снабжено блоком управления и ресивером, оснащенным датчиком давления и соединенным с химическим источником рабочей среды и электроклапаном запуска, при этом блок управления связан с упомянутым датчиком давления и электроклапаном запуска, соединенным с камерой обратного хода.

Указанная совокупность признаков позволяет повысить надежность работы регулируемой ударной машины за счет четкого и надежного запуска.

Повышение эффективности работы и расширение возможностей использования регулируемой ударной машины достигается за счет использования ее без источника рабочей среды (громоздкого компрессора). Химический источник рабочей среды вырабатывает, например, смесь высококонцентрированного раствора бикарбоната калия (КНСО₃), ПАВ и соляной кислоты HCl и подает рабочую среду в виде пенной субстанции посредством блока управления через ресивер и электроклапан запуска в камеру обратного хода регулируемой ударной машины. Весь процесс запуска и работы регулируемой ударной машины происходит так же, как и в прототипе, однако, во-первых, при таком варианте исполнения не нужен источник рабочей среды с дросселем, во-вторых, пенная субстанция так же, как и в первом варианте исполнения, способствует повышению мощности регулируемой ударной машины за счет сокращения перетечек рабочей среды между камерами прямого и обратного хода и камерой управления и, в-третьих, пенная субстанция за счет своей плотности позволяет повысить управляющий импульс Р_упр. давления рабочей среды, который будет более резко (чем в прототипе и в первом варианте исполнения) воздействовать на турбинку, при этом вся система переключения золотника становится четче, а значит, повышается эффективность работы машины в целом.

Повышение надежности работы регулируемой ударной машины достигается введением блока управления, который позволяет при необходимом давлении рабочей среды в ресивере и от сигнала датчика давления мгновенно открыть электроклапан запуска и тем самым обеспечить импульсный и надежный запуск регулируемой ударной машины.

Сущность технического решения поясняется примерами конкретного исполнения регулируемой ударной машины и чертежами фиг. 1, 2, где на фиг. 1 изображена схема регулируемой ударной машины по первому варианту исполнения, на фиг. 2 - то же по второму варианту исполнения.

Регулируемая ударная машина (далее - РУМ) по первому варианту исполнения содержит корпус 1 (фиг. 1), ударник 2, камеры прямого 3 и обратного 4 хода, камеру 5 управления, рабочий инструмент 6 и управляющее устройство 7, содержащее золотник 8 и взаимодействующий с ним шток 9, турбинку 10, выхлопное сопло 11 камеры 4 обратного хода, сопло 12 управления камеры 5 управления, поворотную пружину 13, дроссель 14 и источник 15 рабочей среды (далее - источник 15), при этом золотник 8 выполнен поворотного типа и в качестве штока 9 использован вал, на котором установлены золотник 8, турбинка 10 и поворотная пружина 13, работающая на закрытие золотника 8 при отсутствии воздействия управляющего импульса Р_упр. давления рабочей среды на турбинку 10 от сопла 12 управления камеры 5 управления. Впускное 16 отверстие золотника 8 через выпускное 17 отверстие золотника 8 при его открытом положении соединено с выхлопным соплом 11 камеры 4 обратного хода и через указанный дроссель 14 с источником 15, причем выхлопное сопло 11 камеры 4 обратного хода и сопло 12 управления камеры 5 управления сориентированы на турбинку 10 с возможностью открытия золотника 8. Управляющее устройство 7 снабжено вакуумным эжектором 18, обратным клапаном 19 и регулятором 20 вакуума. Камера 5 управления соединена через камеру 4 обратного хода в верхнем положении ударника 2 и указанный выше дроссель 14 с источником 15 и через впускное 16, выпускное 17 отверстия золотника 8, вакуумный эжектор 18 и обратный клапан 19 - с камерой 3 прямого хода, выполненной в виде вакуумной пружины. Регулятор 20 вакуума соединен с камерой 3 прямого хода. Управляющее устройство 7 снабжено ресивером 21, связанным с химическим источником 22 рабочей среды (далее - химический источник 22), электроклапаном 23 запуска и блоком 24 управления, взаимодействующим с источником 15 и электроклапаном 23 запуска, соединенным с камерой 4 обратного хода.

РУМ по первому варианту исполнения работает следующим образом. В исходном положении золотник 8 закрыт (фиг. 1), ударник 2 находится в нижнем положении, поворотная пружина 13 разжата, прижимая при этом шток 9 к верхнему по чертежу упору. Электроклапан 23 запуска закрыт. Посредством блока 24 управления включают источник 15 и открывают электроклапан 23 запуска. В ресивере 21 начинает расти давление рабочей среды. Химический источник 22 подает в ресивер 21 пенную субстанцию, например смесь высококонцентрированного раствора бикарбоната калия КНСО₃, ПАВ и соляной кислоты HCl (далее - пена). Посредством блока 24 управления электроклапан 23 запуска закрывают. Рабочая среда от источника 15 продолжает поступать в камеру 4 обратного хода. Как правило, давления этой рабочей среды недостаточно для движения ударника 2 вверх. Когда давление рабочей среды в ресивере 21 становится достаточным для резкого взвода ударника 2, с помощью блока 24 управления открывается электроклапан 23 запуска. Пена вместе с рабочей средой резко поступает в камеру 4 обратного хода. Происходит надежный и четкий запуск РУМ, т.е. ударник 2 устремляется вверх. Пена, попадая в камеру 4 обратного хода, закупоривает сопряженные поверхности корпуса 1 и ударника 2 и предотвращает возможные перетечки рабочей среды из камеры 4 обратного хода в камеру 5 управления и в камеру 3 прямого хода. Процесс подачи рабочей среды в ресивер 21 и камеру 4 обратного хода регулируется дросселем 14. При движении ударника 2 вверх происходит соединение камеры 4 обратного хода и камеры 5 управления. Возникает управляющий импульс Р_упр. давления рабочей среды, который через сопло 12 управления камеры 5 управления, создавая струю рабочей среды, воздействует на турбинку 10, вращая последнюю по часовой (фиг. 1) стрелке. От турбинки 10 через шток 9 поворачивается золотник 8 по часовой стрелке. Поворотная пружина 13 начинает сжиматься. При самом небольшом открытии золотника 8 рабочая среда от источника 15 через дроссель 14, впускное 16 и выпускное 17 отверстия золотника 8 поступает на турбинку 10 через выхлопное сопло 11 камеры 4 обратного хода, что создает добавочную реактивную силу на турбинке 10, ускоряя сжатие поворотной пружины 13, поворот штока 9 до нижнего по чертежу (фиг. 1) упора и, соответственно, открытие золотника 8. От источника 15 часть рабочей среды через дроссель 14, впускное 16 и выпускное 17 отверстия золотника 8 попадает в вакуумный эжектор 18, с помощью которого через обратный клапан 19 в камере 3 прямого хода, представляющей собой вакуумную пружину, создается вакуум, глубину которого, а соответственно и энергию удара, можно регулировать с помощью регулятора 20 вакуума. Ударник 2 достигает верхнего положения и под действием вакуумной пружины (камеры 3 прямого хода) начинает движение вниз. Рабочая среда из камеры 4 обратного хода устремляется через впускное 16 и выпускное 17 отверстия золотника 8 на выхлопное сопло 11 камеры 4 обратного хода, сжимая поворотную пружину 13 и прижимая шток 9 к нижнему по чертежу (фиг. 1) упору. Золотник 8 остается в открытом состоянии, даже при разделении камеры 4 обратного хода и камеры 5 управления. В конце прямого хода ударник 2 наносит удар по рабочему инструменту 6. Рабочая среда из камеры 4 обратного хода уже не может воздействовать через выхлопное сопло 11 камеры 4 обратного хода на турбинку 10, поскольку давление в камере 4 обратного хода резко снижается. Управляющий импульс Р_упр. давления рабочей среды отсутствует, т.к. камера 4 обратного хода и камера 5 управления разделены. Давления рабочей среды, поступающей от ресивера 21 через впускное 16 и выпускное 17 отверстия золотника 8 на выхлопное сопло 11 камеры 4 обратного хода, недостаточно, чтобы удерживать через турбинку 10 и шток 9 золотник 8 в открытом состоянии. Поворотная пружина 13 разжимается, поворачивая шток 9 к верхнему по чертежу (фиг. 1) упору. Золотник 8 закрывается. Цикл работы РУМ повторяется.

Пена за счет своей плотности служит уплотнением сопряженных поверхностей ударника 2 и корпуса 1, что приводит к снижению перетечек рабочей среды между камерами прямого 3 и обратного 4 хода и камерой 5 управления, к повышению мощности РУМ, а следовательно, к повышению эффективности ее работы.

РУМ по второму варианту исполнения, который применяется при невозможности использования источника рабочей среды (компрессора), содержит корпус 1 (фиг. 2), ударник 2, камеры прямого 3 и обратного 4 хода, камеру 5 управления, рабочий инструмент 6 и управляющее устройство 7, содержащее золотник 8 и взаимодействующий с ним шток 9, турбинку 10, выхлопное сопло 11 камеры 4 обратного хода, сопло 12 управления камеры 5 управления, поворотную пружину 13. Золотник 8 выполнен поворотного типа. В качестве штока 9 использован вал, на котором установлен золотник 8, турбинка 10 и поворотная пружина 13, работающая на закрытие золотника 8 при отсутствии управляющего импульса Р_упр. давления рабочей среды на турбинку 10 от сопла 12 управления камеры 5 управления. Впускное 14 отверстие золотника 8 при его открытом положении через выпускное 15 отверстие золотника 8 соединено с выхлопным соплом 11 камеры 4 обратного хода. При этом выхлопное сопло 11 камеры 4 обратного хода и сопло 12 управления камеры 5 управления сориентированы на турбинку 10 с возможностью открытия золотника 8. Управляющее устройство 7 снабжено вакуумным эжектором 16, обратным клапаном 17 и регулятором 18 вакуума. Камера 5 управления соединена через камеру 4 обратного хода в верхнем положении ударника 2 и впускное 14, выпускное 15 отверстия золотника 8, вакуумный эжектор 16, обратный клапан 17 с камерой 3 прямого хода, выполненной в виде вакуумной пружины. Регулятор 18 вакуума соединен с камерой 3 прямого хода. Управляющее устройство 7 снабжено блоком 19 управления и ресивером 20, оснащенным датчиком 21 давления и соединенным с химическим источником 22 рабочей среды (далее - химический источник 22) и электроклапаном 23 запуска, при этом блок 19 управления связан с датчиком 21 давления и электроклапаном 23 запуска, соединенным с камерой 4 обратного хода.

РУМ по второму варианту исполнения работает следующим образом. В исходном положении золотник 8 (фиг. 2) закрыт, ударник 2 находится в нижнем положении, поворотная пружина 13 разжата, прижимая шток 9 к верхнему по чертежу упору. Электроклапан 23 запуска закрыт. После того как химический источник 22, подавая в ресивер 20 рабочую среду в виде пенной субстанции, например, смесь высококонцентрированного раствора бикарбоната калия КНСО₃, ПАВ и соляной кислоты HCl (далее - пена), создает в ресивере 20 необходимое для работы РУМ давление рабочей среды, датчик 21 давления передает сигнал на блок 19 управления. Последний в свою очередь открывает электроклапан 23 запуска и пена поступает в камеру 4 обратного хода. Происходит резкий и надежный взвод ударника 2 и соединение камеры 4 обратного хода и камеры 5 управления. Возникает управляющий импульс Р_упр. давления рабочей среды в виде пены, который через сопло 12 управления камеры 5 управления, создавая струю рабочей среды, воздействует на турбинку 10, вращая последнюю по часовой (фиг. 2) стрелке. От турбинки 10 через шток 9 поворачивается золотник 8 по часовой стрелке. Поворотная пружина 13 начинает сжиматься. При самом небольшом открытии золотника 8 часть рабочей среды из ресивера 20 через электроклапан 23 запуска, впускное 14 и выпускное 15 отверстия золотника 8 поступает на турбинку 10 через выхлопное сопло 11 камеры 4 обратного хода, что создает добавочную реактивную силу на турбинке 10, ускоряя сжатие поворотной пружины 13, поворот штока 9 до нижнего по чертежу (фиг. 2) упора и, соответственно, открытие золотника 8. Часть рабочей среды через впускное 14 и выпускное 15 отверстия золотника 8 попадает в вакуумный эжектор 16, с помощью которого через обратный клапан 17 в камере 3 прямого хода, представляющей собой вакуумную пружину, создается вакуум, глубину которого, а соответственно, и энергию удара, можно регулировать с помощью регулятора 18 вакуума. Ударник 2 достигает верхнего положения и под действием вакуумной пружины (камеры 3 прямого хода) начинает движение вниз. Рабочая среда из камеры 4 обратного хода устремляется через впускное 14 и выпускное 15 отверстия золотника 8 на выхлопное сопло 11 камеры 4 обратного хода, сжимая поворотную пружину 13 и прижимая шток 9 к нижнему по чертежу (фиг. 2) упору. Золотник 8 остается в открытом состоянии даже при разделении камеры 4 обратного хода и камеры 5 управления. В конце прямого хода ударник 2 наносит удар по рабочему инструменту 6. Давление рабочей среды в камере 4 обратного хода резко снижается и не может воздействовать через выхлопное сопло 11 камеры 4 обратного хода на турбинку 10. Управляющий импульс Р_упр. давления рабочей среды отсутствует, т.к. камера 4 обратного хода и камера 5 управления разделены. Давления рабочей среды, поступающей от ресивера 20 через электроклапан 23 запуска, впускное 14 и выпускное 15 отверстия золотника 8 на выхлопное сопло 11 камеры 4 обратного хода, недостаточно, чтобы удерживать через турбинку 10 и шток 9 золотник 8 в открытом состоянии. Поворотная пружина 13 разжимается, поворачивая шток 9 к верхнему по чертежу (фиг. 2) упору. Золотник 8 закрывается. Цикл работы РУМ повторяется.

Пена за счет своей плотности служит уплотнением сопряженных поверхностей ударника 2 и корпуса 1, что снижает перетечки рабочей среды между камерами 3 прямого и обратного 4 хода и камерой 5 управления, при этом резко повышается мощность РУМ, а следовательно, повышается эффективность ее работы.

Пена позволяет повысить управляющий импульс Р_упр. давления рабочей среды, который более резко (чем в прототипе и в первом варианте исполнения) воздействует на турбинку 10, при этом вся система переключения золотника 8 становится четче, а значит, повышается эффективность работы РУМ.