способ регулирования энергии удара гидравлической ударной машины и регулируемая гидравлическая ударная машина

Формула изобретения

1. Способ регулирования энергии удара гидравлической ударной машины, включающий изменение в заданном интервале регулирования величины обратного хода ударника, взаимодействующего с рабочим упругим элементом и рабочей жидкостью, отличающийся тем, что осуществляют плавное изменение значения давления рабочей жидкости, при котором происходит переключение хода ударника с обратного на прямой, путем изменения усилия предварительного сжатия задающего упругого элемента, жесткость которого намного меньше жесткости рабочего упругого элемента.

2. Способ регулирования энергии удара гидравлической ударной машины по п.1, отличающийся тем, что пределы интервала регулирования величины обратного хода ударника смещают в сторону меньших или больших значений путем соответственного увеличения или уменьшения прилагаемого к ударнику усилия предварительного сжатия рабочего упругого элемента.

3. Способ регулирования энергии удара гидравлической ударной машины по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что значение давления рабочей жидкости, при котором происходит переключение хода ударника с обратного на прямой, изменяют дистанционно.

4. Регулируемая гидравлическая ударная машина, содержащая ударный узел и средство управления энергией удара, причем ударный узел включает корпус, в котором расположена первая рабочая камера, ударник и рабочий упругий элемент, отличающаяся тем, что средство управления энергией удара выполнено в виде корпуса с расположенными в нем второй рабочей камерой и гидрозахватом, снабженным задающим упругим элементом и устройством для изменения усилия его предварительного сжатия, при этом первая и вторая рабочие камеры гидравлически связаны.

5. Регулируемая гидравлическая ударная машина по п.4, отличающаяся тем, что рабочий упругий элемент снабжен регулятором усилия его предварительного сжатия.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к гидравлическим ударным машинам с регулируемыми параметрами удара, которые могут быть использованы, например, для забивки металлических труб при бестраншейной прокладке инженерных коммуникаций.

Известны выбранные в качестве ближайшего аналога способ регулирования энергии удара гидравлической ударной машины путем изменения величины обратного хода ударника и регулируемая гидравлическая ударная машина (бурильная головка RPH 400 фирмы Sekoma), описанные в книге А.П. Архипенко, А.И. Федулов, “Гидравлические ударные машины”. - Новосибирск, 1991, с. 26, рис. 12. Регулирование величины обратного хода ударника осуществляют дискретно при помощи четырех каналов, выполненных в корпусе устройства и соединяющих напорную магистраль с управляемой камерой золотника, который осуществляет переключение ударника с обратного хода на прямой. Значение величины обратного хода ударника зависит от того, какой из четырех каналов, открываемых поочередно кромкой ударника при его обратном ходе, оставлен соединенным с управляемой камерой золотника (остальные три заглушают путем ввертывания специальных винтов). Момент переключения ударника с обратного хода на прямой, а следовательно, и величина обратного хода зависят от расположения канала, который не заглушен.

Вышеописанный способ регулирования энергии удара дискретен (ступенчат), он позволяет устанавливать только четыре дискретных (по числу каналов) значения величины обратного хода в заданном интервале регулирования и не позволяет изменять граничные значения интервала регулирования, что в конечном итоге ограничивает область применения способа и функциональные возможности гидравлической машины, в которой реализован этот способ. Отсутствие возможности дистанционного регулирования величины обратного хода также приводит к ограничению области применения способа и функциональных возможностей гидравлической ударной машины. Кроме того, для реализации такого способа требуется сложная конструкция гидравлической ударной машины, что снижает удобство регулирования, так как для изменения величины энергии удара требуется остановка ударного узла и перестановка специальных винтов (заглушек).

Изобретение направлено на решение задачи расширения области применения способа регулирования энергии удара гидравлической ударной машины и ее функциональных возможностей за счет разработки способа плавного (бесступенчатого) регулирования энергии удара в широком диапазоне значений, при котором величина обратного хода может плавно регулироваться во всем заданном интервале регулирования, а также упрощения конструкции гидравлической ударной машины и повышения удобства регулирования энергии удара.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе регулирования энергии удара гидравлической ударной машины, включающем изменение в заданном интервале регулирования величины обратного хода ударника, взаимодействующего с рабочим упругим элементом и рабочей жидкостью, предлагается осуществлять плавное изменение значения давления рабочей жидкости, при котором происходит переключение хода ударника с обратного на прямой, путем изменения усилия предварительного сжатия задающего упругого элемента, жесткость которого намного меньше жесткости рабочего упругого элемента.

Пределы интервала регулирования величины обратного хода ударника могут смещаться в сторону меньших или больших значений путем соответственного увеличения или уменьшения прилагаемого к ударнику усилия предварительного сжатия рабочего упругого элемента. Значение давления рабочей жидкости, при котором происходит переключение хода ударника с обратного на прямой, может изменяться дистанционно.

Сущность изобретения заключается также в том, что в регулируемой гидравлической ударной машине, содержащей ударный узел и средство управления энергией удара, причем ударный узел включает корпус, в котором расположена первая рабочая камера, ударник и рабочий упругий элемент, предлагается средство управления энергией удара выполнить в виде корпуса с расположенными в нем второй рабочей камерой и гидрозахватом, снабженным задающим упругим элементом и устройством для изменения усилия его предварительного сжатия, при этом первая и вторая рабочие камеры гидравлически связаны. При этом рабочий упругий элемент может быть снабжен регулятором усилия его предварительного сжатия.

В предлагаемом изобретении плавное изменение значения давления рабочей жидкости, при котором происходит переключение хода ударника с обратного на прямой, путем изменения усилия предварительного сжатия задающего упругого элемента обеспечивает бесступенчатое регулирование энергии удара, что приводит к расширению области применения способа регулирования энергии удара гидравлической ударной машины и ее функциональных возможностей, в частности позволяет работать в различных грунтовых условиях. При этом регулирование величины обратного хода ударника путем изменения усилия предварительного сжатия задающего упругого элемента обеспечивает удобство и простоту плавного регулирования обратного хода как при непосредственном, так и при дистанционном регулировании.

Смещение пределов интервала регулирования в сторону меньших или больших граничных значений обеспечивает расширение диапазона регулирования энергии удара.

Дистанционное изменение значения давления рабочей жидкости, при котором происходит переключение хода ударника с обратного на прямой, обеспечивает удобство и простоту процесса регулирования энергии удара.

На фиг.1 приведена схема гидравлической ударной машины, энергия удара которой регулируется предлагаемым способом.

На фиг.2 приведен график зависимости величины перемещения гидрозахвата узла управления и ударника ударного узла гидравлической машины от давления рабочей жидкости в рабочих камерах.

Гидравлическая ударная машина, приведенная на фиг.1, содержит ударный узел с аккумулятором энергии и средство управления энергией удара. Ударный узел содержит корпус 1, в котором размещен ступенчатый ударник 2 с рабочим упругим элементом (аккумулятором энергии) в виде рабочей пружины 3. Рабочая пружина 3 в исходном состоянии прижимает ударник 2 к наковальне 4 с усилием, равным усилию ее предварительного сжатия. Между внутренними стенками корпуса 1 и ударником 2 расположена рабочая камера 5. Усилие предварительного сжатия рабочей пружины 3 (силой трения пренебрегаем) устанавливается регулятором усилия предварительного сжатия, выполненного в виде винта 6. В качестве варианта вместо рабочей пружины 3 может использоваться газовый аккумулятор, в этом случае усилие предварительного сжатия регулируют начальным давлением газа в аккумуляторе. Для циркуляции воздуха во время работы машины в корпусе 1 имеются отверстия 7.

Средство управления энергией удара включает в себя корпус 8, внутри которого размещен гидрозахват, содержащий клапан 9, прижимаемый к седлу 10 задающей пружиной 11. Регулировочный винт 12 служит для изменения усилия предварительного сжатия задающей пружины 11. В штоке 13 выполнены аксиальный канал 14 и радиальные каналы 15. На штоке 13 выполнена кольцевая проточка 16, в которую выходят радиальные каналы 15. Клапан 9, шток 13 и корпус 8 образуют рабочую камеру 17, соединенную с напорной магистралью 18, и сливную полость 19, соединенную со сливной магистралью 20. Между седлом 10 и клапаном 9 имеется полость 21. Шток 13 в неработающем состоянии постоянно опирается на резиновый амортизатор 22. Рабочая камера 5 ударного узла соединена трубопроводом 23 с рабочей камерой 17 средства управления. Длина трубопровода 23 зависит от варианта выполнения машины - с дистанционным или непосредственным регулированием величины рабочего хода. Для циркуляции воздуха во время работы машины в корпусе 8 выполнены окна 24.

Во избежание значительных потерь энергии в средстве управления аккумулирующая способность задающей пружины 11 во много раз, например в 5-10 раз, меньше аккумулирующей способности рабочей пружины 3. (Жесткость задающей пружины 11 во много (например, в 10 и более) раз меньше жесткости рабочей пружины 3).

Машина работает следующим образом.

Рабочая жидкость из напорной магистрали 18 поступает одновременно в рабочие камеры 17, 5 средства управления и ударного узла. Под действием давления поступающей жидкости гидрозахват, образованный клапаном 9 и седлом 10, и ударник 2 совершают обратный ход, т.е. поднимаются вверх, сжимая задающую и рабочую пружины 11, 3.

В процессе обратного хода кольцевая проточка 16 на штоке 13 с радиальными каналами 15 перемещается из сливной полости 19, отсекая аксиальный канал 14 от сливной магистрали 20. Обратный ход штока 13, а следовательно, и ударника 2 продолжается до момента выхода верхней кромки кольцевой проточки 16 в рабочую камеру 17, в результате чего давление рабочей жидкости в полости 21 станет равным давлению в рабочей камере 17, которое задается с помощью регулировки усилия предварительного сжатия задающей пружины 11. Сила давления рабочей жидкости, действующая на полные поперечные сечения штока 13 и клапана 9, размыкает клапан 9 и седло 10. Седло 10 со штоком 13 устремляются вниз, давление в рабочих камерах 17 и 5 снижается, и ударник начинает прямой ход. Давление в рабочей камере 17 удерживается на некотором уровне, так как его падение в результате перемещения штока 13 вниз компенсируется в определенной степени поступлением рабочей жидкости из напорной магистрали 18 и рабочей жидкости, вытесняемой из рабочей камеры 5 рабочей пружиной 3 при прямом ходе ударника 2. В конце прямого хода штока 13 радиальные каналы 15 полностью выходят в сливную полость 19 и рабочие камеры 17 и 5 оказываются сообщенными со сливной магистралью 20. Однако давление в рабочей камере 17 становится минимальным лишь в момент нанесения удара по наковальне 4 и остановки ударника 2. После этого клапан 9 под действием усилия задающей пружины 11 опускается на седло 10 и цикл повторяется.

Способ регулирования энергии удара путем изменения величины обратного хода ударника поясняется графиком, изображенным на фиг.2. Очевидно, что при неизменной величине усилия предварительного сжатия рабочей пружины 3 с ростом величины обратного хода ударника 2 возрастает энергия удара и наоборот. Поэтому ниже будем говорить о регулировании величины обратного хода ударника 2.

На фиг.2 в координатах Р, х изображены две взаимно параллельные задающие линии а и b, представляющие собой зависимость перемещения х гидрозахвата в процессе его обратного хода от давления рабочей жидкости Р в рабочей камере 17 средства управления (для простоты изложения считаем, что перемещение протекает достаточно медленно, поэтому силы инерции на характер перемещения существенного влияния не оказывают). Кроме того, для упрощения рассуждений в дальнейшем с незначительной погрешностью будем считать, что давления рабочей жидкости в рабочих камерах узла управления и ударного узла одинаковы и изменяются синхронно.

Линия а соответствует минимальному значению усилия предварительного сжатия задающей пружины, необходимому для надежной герметизации сомкнутого гидрозахвата в начале его обратного хода, и посадки клапана 9 на седло 10 (фиг.1) в конце прямого хода.

Линия b соответствует максимальному значению усилия предварительного сжатия задающей пружины, при котором обеспечен минимальный зазор между витками пружины, необходимый для долговечности ее работы. Регулирование усилия предварительного сжатия задающей пружины осуществляют регулировочным винтом 12 (фиг.1).

Кроме того, также для простоты изложения не учитываем вес ударника, считая, что во время работы он занимает положение, близкое к горизонтальному, и силы трения, возникающие в движущихся узлах машины.

Точки пересечения задающих линий а и b с осью ординат соответствуют давлениям Р_а и Р_b рабочей жидкости в рабочей камере узла управления, при которых начинается обратный ход гидрозахвата соответственно при минимальном и максимальном усилиях предварительного сжатия задающей пружины 11.

Минимальное усилие предварительного сжатия задающей пружины ₃min равно произведению P_аS_c, а максимальное усилие F₃max равно произведению Р_bS_с, где S_c - активная площадь седла 10 (фиг.1).

Усилия F₃min и F₃mах являются граничными. При любом промежуточном значении F₃, расположенном в интервале между F₃min и F₃mах, определяемом положением регулировочного винта 12, перемещение гидрозахвата будет выражаться соответствующей линией, параллельной линиям а и b и расположенной в интервале между ними.

Таких линий можно провести бесконечное множество и каждой из них будет соответствовать определенная величина давления, при котором будет размыкаться гидрозахват, а следовательно, величина обратно хода ударника и энергия ударника. Величина обратно хода ударника, таким образом, может плавно изменяться в заданном интервале. В этом состоит суть бесступенчатого регулирования энергии удара.

Линии с и d представляют собой зависимость перемещения ударника в процессе его обратного хода от давления рабочей жидкости в рабочей камере ударного узла. Линия с соответствует нулевому значению усилия предварительного сжатия рабочей пружины (проходит через начало координат) и режиму работы гидроударной машины с максимальной величиной обратного хода ударника и максимальной энергией удара, что будет показано ниже.

Линия d соответствует максимальному значению F_pmax усилия предварительного сжатия рабочей пружины, равному произведению PmaxS_y, и является граничной и соответствующей “нулевому” ходу ударника 2. Здесь, S_y - активная площадь ударника 2 (фиг.1).

Величина давления Pmin соответствует давлению, при котором задающая линия а пересекает линию х=x_сmах в точке А. Величина давления Рmах соответствует давлению, при котором задающая линия b пересекает линию х=x_сmах в точке В.

Величина x_сmах равна расстоянию от верхней кромки проточки 16 штока 13 до внутренней поверхности днища рабочей камеры 17 (фиг.1).

Для того чтобы определить максимальное значение величины обратного хода ударника, что имеет место при максимальном усилии предварительного сжатия задающей пружины (задающая линия b) и нулевом значении усилия предварительного сжатия рабочей пружины (линия с), из точки В проводят прямую линию, параллельную оси абсцисс, до пересечения с линией с в точке С, из которой опускают перпендикуляр на ось абсцисс и определяют x_уmах.

Для определения минимального значения обратного хода ударника из точки А проводят прямую линию, параллельную оси абсцисс, до пересечения с линией с в точке D, из которой опускают перпендикуляр на ось абсцисс. Значение x_уmin соответствует минимальному значению обратного хода ударника. Значения x_уmах и x_ymin являются граничными значениями интервала регулирования при нулевом значении усилия предварительного сжатия рабочей пружины.

При необходимости сменить интервал регулирования в сторону меньших величин обратного хода ударника увеличивают усилие предварительного сжатия рабочей пружины 3, например, до усилия F_p, равного произведению P_e·S_y (фиг.2). Через точку Р_е проводят линию е, параллельную линиям с и d. По вышеупомянутой методике находят граничные значения x"_ymax и x"_ymin нового интервала регулирования. Энергию удара А находят по формуле

где x_у - величина обратного хода ударника;

F_p - величина усилия предварительного сжатия рабочей пружины;

С - жесткость рабочей пружины. Можно пользоваться и другой формулой:

Вышеизложенные построения графиков и определение энергии удара выполняют при конструировании гидроударной машины, выбор конкретного значения энергии удара зависит от размера погружаемой трубы и грунтовых условий. Выбранное значение энергии удара устанавливают, например, используя две регулировочные шкалы. Первая шкала, расположенная на корпусе узла управления, соответствует линейной величине сжатия задающей пружины, с помощью которой регулируют энергию удара внутри интервала. Вторая шкала, расположенная на корпусе ударного узла, соответствует линейной величине предварительного сжатия рабочей пружины, с помощью которой регулируют положение максимального и минимального значений интервала. Шкалы разбиты на деления, обозначенные цифрами.

При вращении регулировочного винта 12 и винта 6 указатели шкал, механически связанные соответственно с регулировочным винтом 12 и винтом 6, перемещаются вдоль первой или второй шкалы.

Чтобы установить заданное значение энергии удара, пользуются одним из известных способов (табличный, номограммы и т.п.) установления соответствия между энергией удара и величиной предварительного сжатия пружин. Рассмотрим, как устанавливается линейное сжатие пружин по заданному значению энергии удара, например, с помощью нижеприведенной таблицы.

В таблице в первой строке приведены порядковые номера делений первой шкалы, а в первом столбце - порядковые номера делений второй шкалы (номера интервалов). Энергия удара выражена в джоулях и рассчитана по формулам (1) или (2).

Допустим, необходимо установить энергию удара 350 Дж. Ей соответствует третье деление на первой шкале и первое деление на второй шкале. Если в таблице отсутствует нужная энергия удара, то используют метод интерполяции по первой шкале.

Таким образом, предлагаемое изобретение за счет плавного (бесступенчатого) регулирования энергии удара в широком диапазоне значений обеспечивает расширение области применения способа регулирования энергии удара гидравлической ударной машины и ее функциональных возможностей, так как позволяет производить работы в различных грунтовых условиях. Кроме, того простая надежная конструкция гидравлической ударной машины обеспечивает повышение удобства регулирования энергии удара, поскольку для этого не требуется остановка машины.