Гидропневматический молот

 

Использование: изобретение относится к гидропневматическим ударным устройствам использованных органов строительных и дорожных машин и может быть использовано в качестве сменного рабочего оборудования к экскаваторам и погрузчикам для рыхления мерзлых грунтов, дробления негабаритов и т.п. Сущность изобретения: гидропневматический молот содержит корпус с каналами, размещенные в корпусе с возможностью осевого перемещения соосные шток инструмента и боек с внутренними осевыми, радиальными отверстиями и кольцевыми проточками, размещенные в корпусе сливную, аккумуляторную и атмосферную полости, установленный между напорной и аккумуляторными полостями клапан, который выполнен с ограниченной поршнем дополнительной полостью постоянно соединенной со сливной полостью, при этом клапан с корпусом и бойком образует надклапанную, промежуточную и буферные полости, которые обеспечивают на всех этапах рабочего цикла молота равенство расхода рабочей жидкости на выходе из сливной полости, связанной с дополнительной полостью, расходу рабочей жидкости, подаваемой в напорную полость, периодически связанной с надклапанной, промежуточной и буферной полостями, что исключает пульсацию потока и способствует повышению долговечности элементов в сливной гидролинии. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области машин и механизмов ударного действия, а именно: к гидропневматическим ударным устройствам исполнительных органов строительных и дорожных машин и может быть использовано, например, в качестве сменного рабочего оборудования к экскаваторам и погрузчикам для рыхления мерзлых грунтов, вскрытия асфальтобетонных покрытий, дробления негабаритов, уплотнения талых грунтов и проведения целого ряда других аналогичных работ.

Известен гидропневматический молот, содержащий корпус с каналами, напорной, сливной, аккумуляторной и атмосферной полостями и размещенные в корпусе с возможностью относительного перемещения в осевом направлении соосные шток инструмента, боек с внутренними осевыми и радиальными отверстиями, кольцевыми проточками и хвостовиком и выполненный в виде ступенчатого тела вращения клапан с радиальными отверстиями, установленный между напорной и аккумуляторной полостями и надетый на хвостовик бойка [1] Недостатком данного молота является то, что при рабочем ходе его бойка рабочая жидкость, поступающая от гидравлического источника питания в напорную полость молота, перетекает в сливную полость последнего без совершения полезной работы, и разгон бойка происходит лишь за счет энергии находящегося в аккумуляторной полости газа, запасенной в период холостого хода (взвода) бойка. В результате недоиспользуются потенциальные возможности гидропневматического молота по обеспечению повышенной энергии удара при неизменных давлении зарядки аккумуляторной полости газом и мощности гидравлического источника питания молота.

Кроме того, при положениях бойка рассматриваемого гидропневматического молота, близких к исходному, боек перекрывает напорную линию, соединяющую гидравлический источник питания молота с его напорной полостью, вследствие чего при отсутствии в системе питания молота гидроаккумулятора с автоматом разгрузки насос системы питания в указанной ситуации работает на режиме срабатывания предохранительного клапана при соответствующих потерях энергии.

К недостаткам известного молота следует также отнести наличие ударных взаимодействий клапана с бойком и корпусом в процессе работы молота.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является принятый в качестве прототипа гидропневматический молот типа ГПМ-200 [2] Указанный гидропневматический молот содержит корпус с каналами, напорной, сливной, аккумуляторной и атмосферной полостями и размещенные в корпусе с возможностью относительного перемещения в осевом направлении соосные шток инструмента и боек с внутренними осевыми и радиальными отверстиями, кольцевым проточками и хвостовиком и выполненный в виде ступенчатого тела вращения клапан с осевыми и радиальными отверстиями, установленный между напорной и аккумуляторной полостями и надежный со стороны напорной полости на хвостовик бойка с образованием в совокупности с корпусом и бойком надклапанной, промежуточной и буферной полостей, причем эффективный диаметр клапана со стороны аккумуляторной полости равен эффективному диаметру бойка со стороны атмосферной полости.

Недостатком известного гидропневматического молота являются высокая пульсация расхода рабочей жидкости на выходе из сливной полости (то есть в сливной гидролинии) молота и нарушение сплошности потока рабочей жидкости в буферной полости (полости между торцем хвостовика бойка и телом клапана) на определенной части рабочего цикла молота в силу периодической изоляции этой полости от других полостей молота в период увеличения ее объема.

В основу изобретения положена задача улучшения эксплуатационных характеристик гидропневматического молота путем исключения пульсации расхода рабочей жидкости на выходе из сливной полости (в сливной гидролинии) молота и исключения нарушения сплошности потока рабочей жидкости в полостях молота в процессе его работы.

Эта задача решается тем, что в гидропневматическом молоте, содержащем корпус с каналами, напорной, сливной, аккумуляторной и атмосферной полостями и размещенные в корпусе с возможностью относительного перемещения в осевом направлении соосные шток инструмента, боек с внутренними осевыми и радиальными отверстиями, кольцевыми проточками и хвостовиком и выполненный в виде ступенчатого тела вращения клапан с осевым и радиальными отверстиями, установленными между напорной и аккумуляторной полостями и надетый со стороны напорной полости на хвостовик бойка с образованием в совокупности с корпусом и бойком надклапанной, промежуточной и буферной полостей, причем эффективный диаметр клапана со стороны аккумуляторной полости равен эффективному диаметру бойка со стороны атмосферной полости, согласно изобретению клапан выполнен с дополнительной полостью, ограниченной поршнем, жестко связанным посредством штока с бойком, и постоянно соединенной со сливной полостью, при этом производные от объема дополнительной полости и от суммарного объема напорной, подклапанной, промежуточной и буферной полостей по перемещению клапана относительно бойка имеют противоположные знаки.

Другим отличием является то, что диаметр поршня равен эффективному диаметру клапана со стороны аккумуляторной полости и эффективному диаметру бойка со стороны атмосферной полости.

Кроме того, в клапане выполнена кольцевая проточка, постоянно соединенная с дополнительной полостью для сообщения буферной полости с дополнительной полостью при разобщении буферной и надклапанной полостей.

Отличием является и то, что согласно одному из вариантов исполнения гидропневматического молота диаметр штока равен диаметру хвостовика бойка.

Заявляемый гидропневматический молот отличается от прототипа исполнением клапана, наличием в последнем дополнительной полости, характером зависимости объема дополнительной полости от перемещения клапана относительно бойка и взаимосвязью дополнительной, буферной и сливной полостей молота.

Наличие признаков, отличающих заявляемое устройство от прототипа, свидетельствует в соответствии предлагаемого технического решения критерию "новизна".

Выполнение клапана гидропневматического молота с дополнительной полостью, ограниченной поршнем, жестко связанным посредством штока с бойком, и постоянно соединенной со сливной полостью, при противоположных знаках производных от объема упомянутой полости и от суммарного объема напорной, надклапанной, промежуточной и буферной полостей по перемещению клапана относительно бойка и при равенстве диаметра поршня эффективному диаметру клапана со стороны аккумуляторной полости и эффективному диаметру бойка со стороны атмосферной полости обеспечивает исключением пульсации потока рабочей жидкости на выходе из сливной полости (в сливной гидролинии) молота в процессе его работы.

Известные гидропневматические молоты с клапанным управлением, в которых для разгона бойка в период его рабочего хода наряду с энергией газа используется энергия рабочей жидкости, поступающей в напорную полость молота от гидравлического источника питания, не обладают такой совокупностью свойств, что свидетельствует о соответствии заявляемого технического решения изобретательскому уровню.

Указанные выше отличительные признаки предлагаемого гидропневматического молота обеспечивают получение положительного эффекта, заключающегося: а) в исключении динамических нагрузок на элементы сливной гидролинии, соединяющей сливную полость молота с гидробаком, и соответственно в повышении долговечности элементов (металлических трубопроводов, рукавов высокого давления, соединительной арматуры) указанной гидролинии; б) в снижении потерь энергии в процессе работы молота и, как следствие этого, в повышении КПД молота и улучшении теплового режима его работы; в) в снижении влияния параметров сливной гидролинии на характеристики работы молота; г) в исключении кавитационных явлений в полостях молота и, в связи с этим, в повышении стабильности его работы, то есть в улучшении эксплуатационных характеристик молота, что делает целесообразным промышленное применение последнего.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображены принципиальная схема гидропневматического молота (фиг. 1) и ее вариант для случая, когда диаметр штока равен диаметру хвостовика бойка (фиг. 2).

Гидропневматический молот содержит корпус 1 с напорной 2, сливной 3, аккумуляторной 4 и атмосферной 5 полостями и размещенные в корпусе 1 с возможностью относительного перемещения в осевом направлении соосные шток 6 инструмента, боек 7 с хвостовиком 8 и выполненный в виде ступенчатого тела вращения клапан 9, установленный между напорной 2 и аккумуляторной 4 полостями и надетый со стороны напорной полости 2 на хвостовик 8 бойка 7 с образованием в совокупности с корпусом 1 и бойком 7 надклапанной 10, промежуточной 11 и буферной 12 полостей.

Напорная полость 2 молота посредством напорной гидролинии через гидрораспределитель соединена с источником подачи рабочей жидкости, например объемным насосом с предохранительным клапаном (на чертежах напорная гидролиния, гидрораспределитель и источник подачи рабочей жидкости не показаны).

Сливная полость 3 посредством сливной гидролинии соединена с гидробаком (на чертежах сливная гидролиния и гидробак не показаны).

Аккумуляторная полость 4, образованная корпусом 1 в сочетании с клапаном 9, через зарядное устройство (на чертежах зарядное устройство не показано) заполнена сжатым до определенного давления газом, например азотом.

Атмосферная полость 5 между штоком 6 инструмента и бойком 7 каналом, выполненным в корпусе 1, соединена с атмосферой.

Перемещения штока 6 инструмента в осевом направлении молота внутрь (в сторону бойка 7) и наружу (из корпуса 1) ограничены корпусом 1 со стороны атмосферной полости 5.

Эффективный диаметр клапана 9 со стороны аккумуляторной полости 4 равен эффективному диаметру бойка 7 со стороны атмосферной полости 5.

Промежуточная 11 и надклапанная 10 полости соединены между собой посредством отверстий 13, выполненный в клапане 9.

Боек 7 выполнен с буртом 14, расположенным при исходном положении бойка в осевой расточке корпуса 2, выполненной со стороны напорной полости 2 и имеющей диаметр, незначительно превышающий диаметр бурта 14 для исключения ударного взаимодействия бойка 7 с корпусом 1 при перемещении бойка 7 в исходное положение. Исходное положение бойка 7, показанное на фиг. 1 и 2, занимается бойком под действием собственного веса при вертикальном расположении оси молота, обращенного инструментом вниз, и при отсутствии контакта бойка 7 со штоком 6 инструмента. Перемещение бойка 7 в направлении штока 6 инструмента ограничено корпусом 1 со стороны атмосферной полости 5.

В клапане 9 со стороны, обращенной к напорной полости 2 и соответственно к бурту 14 бойка 7, выполнена внутренняя осевая расточка под бурт 14 того же номинального диаметра, что и у бурта.

Перемещение клапана 9 в осевом направлении молота в сторону штока 6 инструмента ограничено корпусом 1 со стороны напорной полости 2 таким образом, что при исходном положении бойка 7 напорная 2 и промежуточная 11 полости молота соединены между собой через радиальные пазы 15 корпуса 1 и кольцевую щель, образованную кромками бурта 14 бойка 7 и внутренней расточки под бурт в клапане 9.

При исходном положении клапана 9, показанном на фиг. 1 и 2, надклапанная полость 10 соединена с напорной полостью 2 через канал 16, выполненный в корпусе 1. Кроме того, при исходном положении бойка 7 надклапанная полость 10 через канал 17 корпуса 1 и кольцевую проточку 18 на наружной поверхности бойка 7 соединена со сливной полостью 3.

В клапане 9 со стороны наружной поверхности, обращенной в надклапанную полость 10, выполнены радиальные отверстия 19, которые при упоре бурта 14 бойка 7 в клапан 9 через кольцевую проточку 20 на наружной поверхности хвостовика 8 и отверстия 21 и 22 бойка 7 сообщены с проточкой 18 на наружной поверхности бойка и перекрыты хвостовиком 8 при исходном положении бойка 7 и клапана 9.

Клапан 9 выполнен с дополнительной полостью 23, ограниченной поршнем 24, жестко связанным посредством штока 25 с бойком 7, и постоянно соединенной посредством отверстий 26, 27 в штоке 25 и бойке 7 и кольцевой проточки 28 и канала 29 в корпусе 1 со сливной полостью 3. При этом производные от объема дополнительной полости 23 и от суммарного объема напорной 2, надклапанной 10, промежуточной 11 и буферной 12 полостей по перемещению клапана 9 относительно бойка 7 имеют противоположные знаки.

Текущие значения объемов напорной 2 (V₂), надклапанной 10 (V₁₀), промежуточной 11 (V₁₁), буферной 12 (V₁₂) и дополнительной 23 (V₂₃) полостей в рассматриваемом случае составляют соответственно где X_б, X_к координаты соответственно бойка 7 и клапана 9 относительно корпуса 1 молота; значения объемов соответственно напорной 2, надклапанной 10, промежуточной 11, буферной 12 и дополнительной 23 полостей при X_б=X_к=0; D_щ диаметр кольцевой щели между буртом 14 бойка 7 и клапаном 9; D_б эффективный диаметр бойка 7 со стороны атмосферной полости 5, равный эффективному диаметру клапана 9 со стороны аккумуляторной полости 4; D_к диаметр поверхности контакта клапана 9 с корпусом 1, по которой происходит разобщение напорной 2 и надклапанной 10 полостей; D_х эффективный диаметр хвостовика 8 бойка 7;
D_шт эффективный диаметр штока 25;
D_п эффективный диаметр поршня 24.

Согласно приведенным выше выражениям, текущее значение суммарного объема V_Σ напорной 2, надклапанной 10, промежуточной 11 и буферной 12 полостей равно


и для обеспечения разных знаков производных dV₂₃/d(x_б-x_к) и dV_Σ/d(x_б-x_к) необходимо и достаточно, чтобы выполнялось условие

что, например, имеет место при
D_шт<D и D_шт<D.

Диаметр поршня 24 равен эффективному диаметру клапана 9 со стороны аккумуляторной полости 4 и эффективному диаметру бойка 7 со стороны атмосферной полости 5, то есть
D_п D_б.

При этом

или
d(V_Σ+V₂₃)/d(x_б-x_к)=0,
то есть для рассматриваемого молота вне зависимости от положений, которые занимают его подвижные элементы (боек 7 и клапан 9), суммарный объем внутренних полостей, заполненных жидкостью, всегда имеет одно и то же постоянное значение.

Поскольку для рассматриваемого гидропневматического молота суммарный объем его внутренних полостей, заполненных жидкостью, всегда имеет одно и то же постоянное значение, то в любой момент времени расход рабочей жидкости на выходе из сливной полости 3 молота равен расходу жидкости, поступающей в его напорную полость 2.

Полость 30 в клапане 9 с противоположной (по отношению к полости 23) стороны поршня 24 постоянно соединена каналом 31, выполненным в поршне 24, штоке 25 и бойке 7, с атмосферной полостью 5.

Буферная полость 12, образованная торцем хвостовика 8 бойка 7 и телом клапана 9 (см. фиг. 1), отверстиями 32 и 21, выполненными в хвостовике 8, соединена с кольцевой проточкой 20 на наружной поверхности хвостовика и отверстиями 32 и 22 с кольцевой проточкой 18 на наружной поверхности бойка.

В клапане 9 в расточке под хвостовик 8 бойка 7 выполнена кольцевая проточка 33, постоянно соединенная отверстиями 26 и 34 в штоке 25 и хвостовике 8 с дополнительной полостью 23, для сообщения буферной полости 12 с дополнительной полостью 23 при разобщении буферной 12 и надклапанной 10 полостей. Одновременно отверстиями 34 и 27, проточкой 28 и каналом 29 кольцевая проточка 33 постоянно соединена со сливной полостью 3.

Ширина кольцевой проточки 20 на наружной поверхности хвостовика 8 равна (с отрицательным допуском) расстоянию между ближайшими друг к другу кромками отверстий 19 и кольцевой проточкой 33 в клапане 9.

На штоке 6 инструмента установлен инструмент 35.

На фиг. 2 показана схема варианта исполнения гидропневматического молота, отличающегося тем, что диаметр штока 25 равен диаметру хвостовика 8 бойка 7. В данном случае буферная полость между торцем хвостовика 8 и телом клапана 9 отсутствует и в силу этого отпадает необходимость в отверстиях 32 и 34 в хвостовике 8 бойка 7 и в кольцевой проточке 33 в клапане 9 (см. фиг. 1).

Гидропневматический молот работает следующим образом.

При исходном положении бойка 7 и клапана 9 жидкость, поступающая в напорную полость 2 молота от источника подачи рабочей жидкости (на чертежах источник подачи рабочей жидкости не показан), под давлением, близким к сливному, перетекает по каналу 16, с одной стороны, и через радиальные пазы 15 корпуса 1, кольцевую щель, образованную кромками бурта 14 бойка 7 и внутренней расточки под бурт в клапане 9, промежуточную полость 11 и отверстия 13, выполненные в клапане 9, с другой стороны, в надклапанную полость 10 и далее через канал 17 корпуса 1 и кольцевую проточку 18 на наружной поверхности бойка 7 в сливную полость 3, а из нее по сливной гидролинии в гидробак (на чертежах сливная гидролиния и гидробак не показаны). В данном случае источник подачи рабочей жидкости работает при минимальных потерях энергии, а расход рабочей жидкости Q_сл на выходе из сливной полости 3 молота (в сливной гидролинии), очевидно, равен расходу Q_н, поступающему в напорную полость 2 от источника подачи рабочей жидкости.

При упоре инструмента 35 в разрабатываемую среду (например, мерзлый грунт) и перемещении корпуса 1 молота, закрепленного, например, на стреле экскаватора (на чертежах разрабатываемая среда и стрела экскаватора не показаны), в направлении инструмента 35 шток 6 инструмента смещается относительно корпуса 1 в направлении бойка 7 и вступает во взаимодействие с бойком, в результате чего боек 7 смещается в направлении клапана 9. При этом кольцевая щель между кромками бурта 14 бойка 7 и внутренней расточки под бурт в клапане 9 и щель между кромками проточки 20 в хвостовике 8 бойка 7 и проточки 33 в клапане 9 прикрываются.

После перекрытия кольцевой щели между буртом 14 и клапаном 9 рабочая жидкость перетекает из напорной полости 2 в надклапанную полость 10 только через канал 16.

После перекрытия кольцевой щели между кромками проточек 20 и 33 начинается открытие хвостовиком 8 бойка 7 отверстий 19 в клапане 9, через которые проточка 20 сообщается с надклапанной полостью 10. В результате этого перетекание жидкости из надклапанной полости 10 в сливную полость 3 происходит двумя параллельными путями: через канал 17 и через отверстия 19, проточку 20, отверстия 21 и 22 и далее через проточку 18.

В силу поршневого эффекта при движении бойка 7 происходит вытеснение рабочей жидкости: из промежуточной полости 11 при расходе
Q₁₁= π[(D²_щ-D²_x)V_б/4
и из буферной полости 12 (см. фиг. 1) при расходе
Q₁₂= π[(D²_x-D²_шт)V_б/4.
Одновременно происходит увеличение объема: напорной полости 2 со скоростью
Q₂=π(D²_щ-D²_б)V_б/4
и дополнительной полости 23 со скоростью
Q₂₃= π[(D²_б-D²_шт)V_б/4.
В вышеприведенных выражениях V_б скорость движения бойка 7 относительно корпуса 1 молота.

Жидкость из промежуточной полости 11 через отверстия 13 вытесняется в надклапанную полость 10 и из последней перетекает далее в сливную полость 3.

Жидкость из буферной полости 12 вытесняется через отверстия 32 и 22 и кольцевую проточку 18 в сливную полость 3 и, пока открыта кольцевая щель между проточками 20 и 33, через отверстия 32 и 21, проточку 20, вышеупомянутую кольцевую щель, проточку 33 и отверстия 34 и 26 в дополнительную полость 23.

Жидкость в дополнительную полость 23 поступает также из сливной полости 3 через канал 29, проточку 28 и отверстия 27 и 26. Заполненение полости 23 без нарушения сплошности потока рабочей жидкости обеспечивается за счет соответствующего выбора проходных сечений каналов 26, 27 и 29 и проточки 28 и наличия небольшого подпора в сливной полости 3.

На рассматриваемом этапе работы молота расход рабочей жидкости на выходе из его сливной полости 3 составляет
Q_сл=Q_н+Q₁₁+Q₁₂-Q₂-Q₂₃.

С учетом вышеприведенных выражений для Q₁₁, Q₁₂, Q₂, Q₂₃ получаем
Q_сл Q_н.

При дальнейшем перемещении корпуса 1 молота в направлении инструмента 35 боек 7 своим буртом 14 упирается в клапан 9, и боек и клапан начинают двигаться совместно (как единое целое). При этом объем аккумуляторной полости 4 уменьшается, и давление газа в ней соответствующим образом увеличивается.

В силу поршневого эффекта при совместном движении бойка 7 с клапаном 9 происходит вытеснение рабочей жидкости из надклапанной полости 10 при расходе
Q₁₀= π[(D²_к-D²_б)V_б/4
и одновременно увеличение объема напорной полости 2 со скоростью
Q₂= π[(D²_к-D²_б)V_б/4.
При этом расход рабочей жидкости на выходе из сливной полости 3 молота составляет
Q_сл Q_н + Q₁₀ Q₂,
или с учетом последних выражений для Q₁₀ и Q₂:
Q_сл Q_н.

После того, как клапан 9 при его движении вместе с бойком 7 относительно корпуса 1 в направлении аккумуляторной полости 4 молота перекроет канал 16, связь напорной полости 2 с другими полостями молота прерывается. В результате этого давление рабочей жидкости в напорной полости 2 увеличивается, и дальнейшее движение бойка 7 с клапаном 9, прижатым к бойку 7 сжатым газом, находящимся в аккумуляторной полости 4, происходит под действием жидкости, поступающей в напорную полость 2 от источника подачи рабочей жидкости, со скоростью
V_б=V_к=4Q_н/[π(D²_к-D²_б)],
где V_к- скорость движения клапана 9 относительно корпуса 1 молота.

При этом расход рабочей жидкости, вытесняемой из надклапанной полости 10 в сливную полость 2, составляет
Q₁₀= π[(D²_к-D²_б)V_б/4
В рассматриваемом случае
Q_сл Q₁₀,
или с учетом выражений для V_к и Q₁₀
Q_сл Q_н.

После перекрытия клапаном 9 канала 16 молот переходит в импульсный режим работы ("заводится") и дальнейшее смещение корпуса 1 молота в направлении инструмента 35, взаимодействующего с разрабатываемой средой, необязательно.

После начала движения бойка 74 вместе с клапаном 9 под действием жидкости, поступающей в напорную полость 2 от источника подачи рабочей жидкости, боек 7 теряет контакт со штоком 6 инструмента.

При последующем движении бойка 7 на рассматриваемом этапе его холостого хода (взвода) боек своим телом перекрывает канал 17. В результате этого перетекание жидкости из надклапанной полости 10 в сливную полость 3 становится возможным только через отверстия 19, проточку 20, отверстия 21 и 22 и проточку 18.

При приближении холостого хода бойка 7 к завершению кольцевая проточка 18 на наружной поверхности бойка 7 перекрывается корпусом 1 и ее связь со сливной полостью 3 молота прерывается. Соответственно прерывается и связь надклапанной полости 10 со сливной полостью 3. Вследствие этого давление в напорной полости 2 молота увеличивается, а движение бойка 7 и клапана 9 в направлении аккумуляторной полости 4 (при дальнейшем сжатии в ней газа) продолжается, но при этом рабочая жидкость из надклапанной полости 10 через отверстия 13 вытесняется в промежуточную полость 11 и через отверстия 19, проточку 20 и отверстия 21 и 32 в буферную полость 12 (см. фиг. 1). В результате скорость движения клапана 9 становится больше скорости движения бойка 7 и они начинают расходоваться; силовое взаимодействие между бойком и клапаном исчезает.

При этом расход жидкости, вытесняемый из надклапанной полости 10, составляет
Q₁₀= π[(D²_к-D²_б)V_к/4,
а расход жидкости, поступающей соответственно в промежуточную 11 и буферную 12 полости, -

причем
Q₁₀ Q₁₁ + Q₁₂.

Согласно уравнению неразрывности для потока жидкости в напорной полости 2 молота имеем
Q_н= π[(D²_к-D²_щ)V_к+(D²_щ-D²_б)V_б]/4.
Решая последние пять уравнений совместно, получаем
V_к-V_б= 4Q_н/[π(D²_б-D²_шт)].
При превышении скоростью движения V_к клапана 9 скорости движения V_б бойка 7 объем дополнительной полости 23 уменьшается и из нее происходит вытеснение рабочей жидкости в сливную полость 3 (через отверстия 26 и 27, проточку 28 и канал 29) при расходе
Q₂₃= π(D²_б-D²_шт)(V_к-V_б)/4,
или с учетом выражения для разности скоростей (V_к V_б) -
Q₂₃ Q_н.

Расход рабочей жидкости Q_сл на выходе из сливной полости 3 молота в данном случае равен расходу Q₂₃(Q_сл Q₂₃) и, тем самым расходу Q₄.

Следует отметить, что при исполнении молота с диаметром D_шт штока 25, равным диаметру D_х хвостовика 8 бойка 7 (см. фиг. 2), подобный этап в работе молота отсутствует.

При движении клапана 9 со скоростью V_к, большей скорости движения V_б бойка 7 хвостовик 8 бойка 7 своим телом прикрывает отверстия 19, через которые надклапанная полость 10 сообщается с проточкой 20.

После полного перекрытия хвостовиком 8 отверстия 19 открывается кольцевая щель между кромками проточек 20 и 33, в результате чего буферная полость 12 через отверстия 32 и 21 и проточку 20 сообщается с проточкой 33, которая посредством отверстий 34 и 26 соединена с дополнительной полостью 23 и посредством отверстий 34, 27, проточки 28 и канала 29 со сливной полостью 3. Давление рабочей жидкости в буферной полости 12 при этом уменьшается, а в напорной полости 2 увеличивается.

При дальнейшем движении бойка 7 и клапана 9 в направлении аккумуляторной полости 4 рабочая жидкость, вытесняемая из надклапанной полости 10, поступает только в промежуточную полость 11 (через отверстия 13) при расходе
Q₁₀= π(D²_к-D²_б)V_к/4.
С другой стороны, расход рабочей жидкости, поступающей в промежуточную полость 11, равен
Q₁₁= π[(D²_щ-D²_x)(V_к-V_б)/4.
Исходя из приведенных выражений, уравнения неразрывности для потока жидкости в напорной полости 2 молота
Q_н = π[(D²_к-D²_щ)V_к+(D²_щ-D²_б)V_б]/4
и того обстоятельства, что
Q₁₀ Q₁₁,
получаем
V_к-V_б=4Q_н/[π(D²_б-D²_x)].
В рассматриваемом случае расход рабочей жидкости, вытесняемой из дополнительной полости 23, составляет
Q₂₃= π(D²_б-D²_шт)(V_к-V_б)/4,
а поступающей в буферную полость 12 -
Q₁₂= π(D²_x-D²_шт)(V_к-V_б)/4.
Расход рабочей жидкости Q_сл на выходе из сливной полости 3 молота представляет собой алгебраическую сумму расходов Q₂₃ и Q₁₂
Q_сл Q₂₃ Q₁₂
и с учетом выражения для Q₂₃, Q₁₂ и (V_к V_б) равен
Q_сл Q_н.

Заполнение буферной полости 12 (см. фиг. 1) без нарушения в ней сплошности потока рабочей жидкости обеспечивается за счет соответствующего выбора проходных сечений отверстий 32, 21, 34, 26, 27, проточек 20, 33, 28 и канала 29 и наличия небольшого подпора в сливной полости 3.

При исполнении молота с диаметром штока 25, равным диаметру хвостовика 8 бойка 7 (см. фиг. 2) подобной проблемы вообще не возникает ввиду отсутствия самой буферной полости.

Холостой ход (взвод) бойка 7 завершается при открытии кольцевой щели между кромками бурта 14 бойка и внутренней расточки под бурт в клапане 9 и соединении через указанную щель напорной полости 2 с промежуточной полостью 11. При этом различие давлений рабочей жидкости в напорной 2 и промежуточной 11 полостях существенно уменьшается и результирующая, действующая на боек со стороны жидкости, находящейся в напорной 2 и промежуточной 11 полостях, оказывается направленной в сторону штока 6 инструмента. Боек тормозится и изменяет направление своего движения на противоположное (в сторону штока 6 инструмента). Давление рабочей жидкости в напорной 2 и сообщенных с ней промежуточной 11 и надклапанной 10 полостях уменьшается, что влечет за собой торможение клапана 9 с последующим изменением направления его движения (в сторону штока 6 инструмента).

Клапан 9, разгоняемый силой давления со стороны сжатого газа, заключенного в аккумуляторной полости 4, действуя как поршень, через рабочую жидкость, находящуюся между клапаном и бойком 7 в промежуточной полости 11, разгоняет, в свою очередь, боек 7. А поскольку рабочая жидкость от источника подачи продолжает поступать в напорную полость 2 молота, то скорость движения бойка 7 в направлении штока 6 инструмента оказывается выше скорости движения клапана 9. В силу этого боек 7 и клапан 9 продолжают расходиться при соответствующем увеличении щели между буртом 14 и клапаном 9.

Таким образом, при работе рассматриваемого молота для разгона бойка в период его рабочего хода наряду с энергией газа используется энергия рабочей жидкости, поступающей в напорную полость молота от источника подачи, что позволяет при прочих равных условиях повысить энергию удара.

При движении бойка 7 и клапана 9 в сторону штока 6 инструмента происходит увеличение объемов надклапанной 10 и промежуточной 11 полостей со скоростями соответственно
Q₁₀= π(D²_к-D²_б)V_к/4.
и
Q₁₁= π[(D²_щ-D²_x)(V_б-V_к)/4
и уменьшение объема напорной полости 2 со скоростью
Q₂= π[(D²_к-D²_щ)V_к+(D²_щ-D²_б)V_б]/4.
С учетом того, что
Q_н Q₁₀ + Q₁₁ Q₂,
получаем
V_б-V_к=4Q/[π(D²_б-D²_x)].
Поскольку скорость движения клапана 9 относительно бойка 7 в данном случае по сравнению с предыдущим этапом рабочего цикла молота не изменилась, то и расходы рабочей жидкости, вытесняемой из дополнительной полости 23 (Q₂₃) и поступающей в буферную полость 12 (Q₁₂), не изменятся, а следовательно, и расход жидкости на выходе из сливной полости 3 будет тот же, то есть
Q_сл Q_н.

При движении бойка 7 в сторону штока 6 инструмента проточка 18 соединяется со сливной полостью 3, однако это не отражается на характере движения бойка 7 и клапана 9, поскольку связанная с проточкой 18 отверстиями 22 и 21 проточка 20 также соединена со сливной полостью 3 и разобщена с отверстиями 19 в клапане 9, которые перекрыты при этом хвостовиком 8 бойка 7.

При открытии движущимся в сторону штока 6 инструмента бойком 7 канала 17 надклапанная полость 10 через упомянутый канал и проточку 18 сообщается со сливной полостью 3. Вследствие этого часть рабочей жидкости, поступающей от источника подачи, начинает перетекать из напорной полости 2 молота в его сливную полость 3 через щель между буртом 14 и клапаном 9, промежуточную полость 11, отверстия 13, надклапанную полость 10, канал 17 и проточку 18. Давление рабочей жидкости в напорной 2, промежуточной 11 и надклапанной 12 полостях уменьшается, а ускорение движения клапана 9 относительно корпуса 1 в направлении штока инструмента увеличивается по сравнению с ускорением движения бойка 7 в том же направлении. В итоге различие скоростей движения клапана 9 и бойка 7 уменьшается.

В данном случае расход рабочей жидкости на выходе из сливной полости 3 молота равен
Q_сл Q_н + Q₂ + Q₂₃- Q₁₀- Q₁₁- Q₁₂.

С учетом того, что

получаем
Q_сл Q_н.

После соприкосновения бойка 7 со штоком 6 инструмента боек резко тормозится. При этом возникающее в месте контакта бойка 7 со штоком 6 ударное усилие через шток 6 и инструмент 35 передается на разрабатываемую среду, вызывая ее разрушение или уплотнение. Поскольку боек 7 затормозился (практически его скорость движения V_б стала равна нулю), то клапан 9 "догоняет" боек, прикрывая кольцевую щель между клапаном и буртом 14 бойка.

С точки зрения баланса расходов рабочей жидкости данный этап рабочего цикла молота отличается от предыдущего лишь тем, что V_б O. При этом в соответствии с вышеприведенными выражениями, как и ранее,
Q_сл Q_н.

После перекрытия кольцевой щели между кромками бурта 14 бойка 7 и внутренней расточки под бурт в клапане 9 рабочий цикл молота (взвод бойка - разгон бойка в направлении штока инструмента удар) повторяется до тех пор, пока вследствие разрушения или деформации разрабатываемой среды шток 6 инструмента не сместится относительно корпуса 1 в такой степени, что после очередного удара бойка 7 по штоку 6 произойдет открытие клапаном 9 канала 16. В последнем случае для возобновления работы молота в импульсном режиме необходимо, уперев инструмент 35 в разрабатываемую среду, снова переместить корпус 1 молота в направлении инструмента 35.

В процессе работы молота происходит изменение объемов полостей 30 и 5, соединенных между собой и с атмосферой. Заполняющий указанные полости воздух циркулирует между ними через отверстие 31 и практически не оказывает влияния на характеристики работы молота.

Из приведенного описания работы заявляемого гидропневматического молота видно, что реализация предложенного технического решения, характеризующегося вышеизложенными отличительными признаками, обеспечивает на всех этапах рабочего цикла молота равенство расхода рабочей жидкости на выходе из сливной полости (в сливной гидролинии) молота расходу рабочей жидкости, подаваемой в напорную полость молота, и, тем самым, исключает пульсацию потока и соответственно давления рабочей жидкости в сливной гидролинии, а также исключает нарушение сплошности потока рабочей жидкости в полостях молота.

Благодаря этому исключаются динамические нагрузки на элементы сливной гидролинии, соединяющей сливную полость молота с гидробаком, и повышается долговечность элементов (металлических трубопроводов, рукавов высокого давления, соединительной арматуры) указанной гидролинии, снижаются потери энергии в процессе работы молота и, как следствие этого, повышается КПД молота и улучшается тепловой режим его работы, снижается влияние параметров сливной гидролинии на характеристики работы молота, повышается стабильность работы молота, то есть улучшаются эксплуатационные характеристики молота.

Следует отметить, что повышение долговечности элементов сливной гидролинии влечет за собой увеличение межремонтных сроков, снижение времени простоев машины, оборудованной молотом, уменьшение затрат на ремонтные работы.

Гидропневматический молот согласно изобретению с успехом может быть использован в качестве сменного рабочего оборудования к экскаваторам и погрузчикам для рыхления мерзлых грунтов, вскрытия асфальтобетонных покрытий, дробления негабаритов, уплотнения талых грунтов и проведения других аналогичных работ.

Формула изобретения

1. Гидропневматический молот, содержащий корпус с каналами напорной, сливной, аккумуляторной и атмосферной полостями и размещенные в корпусе с возможностью относительного перемещения в осевом направлении соосные шток инструмента, боек с внутренними осевыми и радиальными отверстиями, кольцевыми проточками и хвостовиком и выполненный в виде ступенчатого тела вращения клапан с осевыми и радиальными отверстиями, установленный между напорной и аккумуляторной полостями и надетый со стороны напорной полости на хвостовик бойка с образованием в совокупности с корпусом и бойком надклапанной, промежуточной и буферной полостей, причем эффективный диаметр клапана со стороны аккумуляторной полости равен эффективному диаметру бойка со стороны атмосферной полости, отличающийся тем, что клапан выполнен с дополнительной полостью, ограниченной поршнем, жестко связанным посредством штока с бойком, и постоянно соединенной со сливной полостью, при этом производные от объема дополнительной полости и от суммарного объема напорной, надклапанной, промежуточной и буферной полостей по перемещению клапана относительно бойка имеют противоположные знаки.

2. Молот по п. 1, отличающийся тем, что диаметр поршня равен эффективному диаметру клапана со стороны аккумуляторной полости и эффективному диаметру бойка со стороны атмосферной полости.

3. Молот по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что в клапане выполнена кольцевая проточка, постоянно соединенная с дополнительной полостью, для сообщения буферной полости с дополнительной полостью при разобщении буферной и надклапанной полостей.

4. Молот по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что диаметр штока равен диаметру хвостовика бойка.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2