Распределитель гидравлических ударных устройств (варианты)

Изобретение относится к распределительным элементам гидравлических ударных устройств (ГУУ), служащим для управления потоком рабочей жидкости между участками и агрегатами гидравлической системы. Распределитель ГУУ содержит корпус с каналом управления и каналами для подвода и отвода рабочей жидкости, камеру управления со стороны канала управления, запорно-регулирующий элемент, имеющий хвостовик ступенчатой формы со стороны канала управления и установленный в корпусе с возможностью поджатия в исходном положении и продольного перемещения для изменения направления потока рабочей жидкости. В исходном положении запорно-регулирующего элемента ступенью большего диаметра этого хвостовика перекрыт доступ потоку рабочей жидкости, подаваемому через канал управления, к ступени меньшего диаметра. Распределитель ГУУ или снабжен аккумулятором, соединенным каналом в корпусе с камерой управления, причем до открытия доступа потоку рабочей жидкости, подаваемому через канал управления, к ступени меньшего диаметра хвостовика открыт доступ рабочей жидкости от этой ступени через канал в хвостовике к каналу в корпусе для ее отвода; или в корпусе выполнен калиброванный дроссель, через который ограниченное количество рабочей жидкости имеет доступ из канала управления в камеру управления, причем в исходном положении запорно-регулирующего элемента канал управления перекрыт этим элементом и до его открытия открыт доступ рабочей жидкости от ступени меньшего диаметра хвостовика через канал в хвостовике к каналу в корпусе для ее отвода; или запорно-регулирующий элемент имеет хвостовик со стороны канала управления и калиброванные дроссели выполнены в корпусе и хвостовике запорно-регулирующего элемента, причем через калиброванный дроссель в корпусе ограниченное количество рабочей жидкости имеет доступ из канала управления в камеру управления, при этом в исходном положении запорно-регулирующего элемента канал управления перекрыт этим элементом и до его открытия через калиброванный дроссель в хвостовике открыт доступ ограниченного количества рабочей жидкости из камеры управления к каналу в корпусе для ее отвода. Технический результат - повышение надежности. 3 н.п. ф-лы, 3 ил.

 

Техническое решение относится к средствам автоматизации производственных процессов в различных отраслях промышленности, а именно к распределительным элементам гидравлических ударных устройств, служащим для управления потоком рабочей жидкости между участками и агрегатами гидравлической системы.

Известен двухпозиционный распределитель (золотник) гидравлического ударного механизма для бурильных машин (авт. св. СССР №1028840, кл. Е21С 3/20, опубл. в БИ №26, 1983), который содержит корпус с каналом управления и каналами для подвода и отвода рабочей жидкости, запорно-регулирующий элемент, имеющий хвостовик со стороны канала управления, установленный в корпусе с возможностью продольного перемещения для изменения направления потока рабочей жидкости и поджатый пружиной.

Недостатком этого распределителя является то, что при недостаточно быстром нарастании давления потока рабочей жидкости, подаваемого через канал управления, быстродействие распределителя будет низким, а возникновение гидроударной волны может привести к потере устойчивости работы распределителя, сбоям в его работе, что говорит о его низкой надежности.

Наиболее близким решением по технической сущности и совокупности существенных признаков является распределитель гидравлических ударных устройств по второму варианту по патенту РФ №2258161, кл. В25D 9/18, Е21В 4/14, опубл. в БИ №22, 2005 г., содержащий корпус с каналом управления и каналами для подвода и отвода рабочей жидкости, запорно-регулирующий элемент, имеющий хвостовик со стороны канала управления и установленный в корпусе с возможностью поджатия в исходном положении и продольного перемещения для изменения направления потока рабочей жидкости. Внутренняя полость корпуса разделена перемычкой с отверстием на камеры - гидравлическую и пневматическую, заполненную сжатым газом под давлением Р_г. Запорно-регулирующий элемент дополнительно снабжен хвостовиком, расположенным со стороны пневматической камеры, проходящим в нее через отверстие в указанной перемычке и имеющим на торце шляпку. В исходном положении запорно-регулирующего элемента шляпка поджата к поверхности перемычки давлением Р_г сжатого газа. Хвостовик, расположенный со стороны канала управления, имеет ступенчатую форму. В исходном положении запорно-регулирующего элемента ступенью большего диаметра этого хвостовика перекрыт доступ потоку рабочей жидкости, подаваемому в гидравлическую камеру через канал управления, к ступени меньшего диаметра.

Недостатком этого распределителя является то, что при поступлении в распределитель через канал управления рабочей жидкости из напорной линии гидравлического ударного устройства (ГУУ) и при ударе в распределителе генерируется гидроударная волна, импульс давления которой может привести к смещению запорно-регулирующего элемента вправо по чертежу и поступлению рабочей жидкости из канала управления к ступени меньшего диаметра хвостовика и, вследствие этого, к преждевременному перемещению запорно-регулирующего элемента из исходного положения в крайнее правое по чертежу положение и изменению направления потока жидкости. Это приводит к потере устойчивости работы распределителя, сбоям в его работе, что говорит о его низкой надежности.

Технической задачей предлагаемого распределителя ГУУ является повышение его надежности за счет гашения импульса давления гидроударной волны, генерируемой при поступлении в распределитель через канал управления потока рабочей жидкости из напорной линии ГУУ и при ударе.

Указанная задача решается тем, что распределитель ГУУ, содержащий корпус с каналом управления и каналами для подвода и отвода рабочей жидкости, камеру управления со стороны канала управления, запорно-регулирующий элемент, имеющий хвостовик ступенчатой формы со стороны канала управления и установленный в корпусе с возможностью поджатия в исходном положении и продольного перемещения для изменения направления потока рабочей жидкости, причем в исходном положении запорно-регулирующего элемента ступенью большего диаметра этого хвостовика перекрыт доступ потоку рабочей жидкости, подаваемому через канал управления, к ступени меньшего диаметра, согласно техническому решению снабжен аккумулятором, соединенным каналом в корпусе с камерой управления, при этом до открытия доступа потоку рабочей жидкости, подаваемому через канал управления, к ступени меньшего диаметра хвостовика открыт доступ рабочей жидкости от этой ступени через канал в хвостовике к каналу в корпусе для отвода рабочей жидкости.

Указанная совокупность признаков позволяет при генерации в ГУУ гидроударной волны малой длительности, импульс давления которой достаточен для преодоления усилия поджатия запорно-регулирующего элемента в исходном положении и смещения его вправо по чертежу на расстояние, при котором открывается доступ потоку рабочей жидкости, подаваемому через канал управления, к ступени меньшего диаметра хвостовика, вследствие чего происходит переброска и удержание запорно-регулирующего элемента в крайнем правом по чертежу положении, подбором параметров аккумулятора снизить амплитуду давления гидроударной волны до значения меньшего, чем достаточно для преодоления усилия поджатия запорно-регулирующего элемента в исходном положении, тем самым повысить надежность распределителя ГУУ.

Во втором варианте исполнения в распределителе ГУУ, содержащем корпус с каналом управления и каналами для подвода и отвода рабочей жидкости, камеру управления со стороны канала управления, запорно-регулирующий элемент, имеющий хвостовик ступенчатой формы со стороны канала управления и установленный в корпусе с возможностью поджатия в исходном положении и продольного перемещения для изменения направления потока рабочей жидкости, причем в исходном положении запорно-регулирующего элемента ступенью большего диаметра этого хвостовика перекрыт доступ потоку рабочей жидкости, подаваемому через канал управления, к ступени меньшего диаметра, согласно техническому решению в корпусе выполнен калиброванный дроссель, через который ограниченное количество рабочей жидкости имеет доступ из канала управления в камеру управления, при этом в исходном положении запорно-регулирующего элемента канал управления перекрыт запорно-регулирующим элементом и до его открытия открыт доступ рабочей жидкости от ступени меньшего диаметра хвостовика через канал в хвостовике к каналу в корпусе для отвода рабочей жидкости.

Во втором варианте исполнения при генерации в ГУУ гидроударной волны малой длительности при определенном значении давления в камере управления происходит смещение запорно-регулирующего элемента из исходного положения вправо по чертежу на расстояние, недостаточное для открытия канала управления, после чего давление в камере управления уменьшается, так как она соединена с каналом управления только через калиброванный дроссель, пропускная способность которого ограничена. Происходит торможение запорно-регулирующего элемента, в течение которого амплитуда импульса давления гидроударной волны в канале управления, так как ее длительность невелика, снижается до величины, при которой дальнейшее движение запорно-регулирующего элемента невозможно. Происходит его возвращение в исходное положение. Таким образом, подбор параметров калиброванного дросселя и запорно-регулирующего элемента позволит предотвратить преждевременное перемещение запорно-регулирующего элемента из исходного положения в крайнее правое по чертежу положение, тем самым повысить надежность распределителя ГУУ.

В третьем варианте исполнения в распределителе ГУУ, содержащем корпус с каналом управления и каналами для подвода и отвода рабочей жидкости, камеру управления со стороны канала управления, запорно-регулирующий элемент, имеющий хвостовик со стороны канала управления и установленный в корпусе с возможностью поджатия в исходном положении и продольного перемещения для изменения направления потока рабочей жидкости, согласно техническому решению в корпусе и хвостовике запорно-регулирующего элемента выполнены калиброванные дроссели, причем через калиброванный дроссель в корпусе ограниченное количество рабочей жидкости имеет доступ из канала управления в камеру управления, при этом в исходном положении запорно-регулирующего элемента канал управления перекрыт запорно-регулирующим элементом и до его открытия через калиброванный дроссель в хвостовике открыт доступ ограниченного количества рабочей жидкости из камеры управления к каналу в корпусе для отвода рабочей жидкости.

В третьем варианте исполнения при генерации в ГУУ гидроударной волны малой длительности при определенном значении давления в камере управления происходит смещение запорно-регулирующего элемента из исходного положения вправо по чертежу на расстояние, недостаточное для открытия канала управления, после чего давление в камере управления уменьшается, так как она соединена с каналом управления и каналом в корпусе для отвода рабочей жидкости через калиброванные дроссели, пропускная способность которых ограничена. Происходит торможение запорно-регулирующего элемента, в течение которого амплитуда импульса давления гидроударной волны в канале управления, так как ее длительность невелика, снижается до величины, при которой дальнейшее движение запорно-регулирующего элемента невозможно. Происходит его возвращение в исходное положение. В этом варианте исполнения калиброванные дроссели выбираются таким образом, чтобы величина давления в камере управления в момент страгивания запорно-регулирующего элемента была не более 1/2 от давления в канале управления, что позволит обеспечить при открытии свободного доступа потоку рабочей жидкости из канала управления в камеру управления быстрое перемещение запорно-регулирующего элемента в крайнее правое по чертежу положение и его надежную фиксацию в этом положении в течение необходимого для этой фазы цикла времени, тем самым повысить надежность работы распределителя ГУУ.

Сущность технического решения поясняется примерами конкретного исполнения и чертежами, где на фиг.1 изображен распределитель ГУУ по первому варианту исполнения, на фиг.2 - то же, по второму, на фиг.3 - то же, по третьему варианту исполнения.

Распределитель ГУУ (далее - распределитель) по первому варианту исполнения (фиг.1) содержит корпус 1 с каналом 2 управления и каналами 3, 4, 5, 6 для подвода и отвода рабочей жидкости, камеру 7 управления со стороны канала 2 управления, запорно-регулирующий элемент 8, выполненный в виде цилиндрического плунжера с проточкой 9 и хвостовиками 10, 11 и установленный с возможностью поджатия в исходном положении и продольного перемещения для изменения направления потока рабочей жидкости, аккумулятор 12, например, газожидкостный, соединенный каналом 13 в корпусе 1 с камерой 7 управления. Хвостовик 10 со стороны канала 2 управления имеет ступенчатую форму и в исходном положении ступенью 14 большего диаметра этого хвостовика 10 перекрыт доступ потоку рабочей жидкости, подаваемому через канал 2 управления, к ступени 15 меньшего диаметра, при этом открыт проход рабочей жидкости от ступени 15 по каналу 16 в хвостовике 10 в канал 6 для отвода рабочей жидкости. Сила F через хвостовик 11 воздействует на запорно-регулирующий элемент 8 и удерживает его в крайнем левом по чертежу положении, при котором открыт проход рабочей жидкости из канала 3 в канал 5 через проточку 9, а канал 4 перекрыт. Для преодоления силы F давление р_ку рабочей жидкости в камере 7 управления должно превысить заданную величину р_з.

Распределитель по первому варианту работает следующим образом. В камеру 7 управления через канал 2 управления подается поток рабочей жидкости с давлением р. При превышении давлением р_ку в камере 7 управления величины р_з запорно-регулирующий элемент 8 сместится вправо по чертежу и при достижении заданной величины смещения откроет доступ потоку рабочей жидкости, подаваемому через канал 2 управления к ступени 15 меньшего диаметра хвостовика 10, одновременно будет перекрыт канал 16, по которому рабочая жидкость от этой ступени 15 поступала в канал 6 для отвода рабочей жидкости. Запорно-регулирующий элемент 8 займет крайнее правое по чертежу положение, закроет канал 3 и откроет проход потоку рабочей жидкости из канала 5 в канал 4 через проточку 9. Возврат в исходное положение произойдет после снятия воздействия потока рабочей жидкости, подаваемого через канал 2 управления, под действием силы F. После того как будет перекрыт доступ потоку рабочей жидкости, подаваемому через канал 2 управления к ступени 15 меньшего диаметра хвостовика 10, будет открыт доступ рабочей жидкости от этой ступени 15 через канал 16 в хвостовике 10 к каналу 6 для отвода рабочей жидкости.

Здесь и далее гидроударная волна моделируется прямоугольным импульсом давления длительностью Т и скачком давления

Δр=р₁-р₁₀,

где p₁ - абсолютное максимальное значение давления рабочей жидкости в гидроударной волне;

p₁₀ - абсолютное значение текущего давления рабочей жидкости в канале 2 управления.

Если во время цикла, когда запорно-регулирующий элемент 8 находится в исходном положении, давление р_ку в камере 7 управления имеет значение

p_ку=p₁₀<p_з

и в ГУУ генерируется гидроударная волна, то она поступает через канал 2 управления в камеру 7 управления и через канал 13 в газожидкостный аккумулятор 12, линеаризованная емкость с которого имеет значение

где V_з - объем газа в газожидкостном аккумуляторе 12 при давлении р_з;

n - показатель политропы газа газожидкостного аккумулятора 12.

Так как выход из канала 2 управления в камеру 7 управления вызывает местное гидравлическое сопротивление величиной r, при котором закон течения рабочей жидкости является квадратичным, то при поступлении гидроударной волны давление р_ку в камере 7 управления будет иметь максимальное значение

Чтобы максимальное давление р_ку в камере 7 управления не превышало величину р_з, при выборе линеаризованной емкости с газожидкостного аккумулятора 12 нужно выполнить условие

Распределитель по второму варианту (фиг.2) содержит корпус 1 с каналом 2 управления и каналами 3, 4, 5, 6 для подвода и отвода рабочей жидкости, камеру 7 управления со стороны канала 2 управления, запорно-регулирующий элемент 8, выполненный в виде цилиндрического плунжера с проточкой 9 и хвостовиками 10, 11 и установленный с возможностью поджатия в исходном положении и продольного перемещения для изменения направления потока рабочей жидкости. Хвостовик 10 со стороны канала 2 управления имеет ступенчатую форму и в исходном положении ступенью 14 большего диаметра хвостовика 10 перекрыт доступ потоку рабочей жидкости, подаваемому через канал 2 управления, к ступени 15 меньшего диаметра. В исходном положении запорно-регулирующего элемента 8 канал 2 управления перекрыт кромкой 17, но ограниченное количество рабочей жидкости из канала 2 управления имеет доступ в камеру 7 управления к ступени 14 большего диаметра хвостовика 10 через калиброванный дроссель 18 (далее - дроссель 18), а от ступени 15 меньшего диаметра - в канал 6 для отвода рабочей жидкости через канал 16 в хвостовике 10. Сила F через хвостовик 11 воздействует на запорно-регулирующий элемент 8 и удерживает его в крайнем левом по чертежу положении, при котором открыт проход рабочей жидкости из канала 3 в канал 5 через проточку 9, а канал 4 перекрыт. Для преодоления силы F давление р_ку рабочей жидкости в камере 7 управления должно превысить заданную величину р_з.

Распределитель по второму варианту работает следующим образом. В канал 2 управления подается поток рабочей жидкости с давлением р, откуда ограниченное количество рабочей жидкости через дроссель 18 поступает в камеру 7 управления. При превышении давлением р_ку рабочей жидкости в камере 7 управления заданной величины р_з запорно-регулирующий элемент 8 сместится вправо по чертежу и при достижении кромкой 17 канала 2 управления откроет прямой доступ потоку рабочей жидкости из этого канала 2 в камеру 7 управления к обеим ступеням 14, 15 хвостовика 10, одновременно будет перекрыт канал 16. Запорно-регулирующий элемент 8 займет крайнее правое по чертежу положение, закроет канал 3 и откроет проход потоку рабочей жидкости из канала 5 в канал 4 через проточку 9. Возврат в исходное положение произойдет после снятия воздействия потока рабочей жидкости, подаваемого через канал 2 управления, под действием силы F. После того как будет перекрыт доступ потоку рабочей жидкости, подаваемому через канал 2 управления, к ступени 15 меньшего диаметра хвостовика 10, будет открыт доступ рабочей жидкости от этой ступени 15 через канал 16 в хвостовике 10 к каналу 6 для отвода рабочей жидкости.

Если во время цикла, когда запорно-регулирующий элемент 8 находится в исходном положении, давление р_ку в камере 7 управления имеет значение

р_ку=р₁₀<р_з

и в ГУУ генерируется гидроударная волна, при которой

р_ку>р_з,

то запорно-регулирующий элемент 8 начнет смещаться вправо по чертежу. Закон его движения можно описать формулой

где x - смещение запорно-регулирующего элемента 8 из исходного положения при воздействии гидроударной волны;

a₂₁ - коэффициент;

ν₁ - коэффициент;

t - время, прошедшее с момента поступления гидроударной волны;

е - экспонента;

а₂₂ - коэффициент;

h(t-T) - единичная функция Хэвисайда, которая равна 0 при (t-T)<0 и равна 1 при (t-Т)≥0,

при этом

где S_a - площадь поверхности 19 запорно-регулирующего элемента 8;

m - масса запорно-регулирующего элемента 8;

r₁ - гидравлическое сопротивление дросселя 18.

Используя формулу движения запорно-регулирующего элемента 8, можно подобрать параметры запорно-регулирующего элемента 8 (S_a, m) и дросселя 18 (r₁) таким образом, чтобы максимальное значение величины x смещения запорно-регулирующего элемента 8 из исходного положения при воздействии гидроударной волны не превышало величины смещения запорно-регулирующего элемента 8 из исходного положения, когда кромкой 17 будет открыт канал 2 управления для свободного поступления потока рабочей жидкости в камеру 7 управления.

Распределитель по третьему варианту (фиг.3) содержит корпус 1 с каналом 2 управления и каналами 3, 4, 5, 6 для подвода и отвода рабочей жидкости, камеру 7 управления со стороны канала 2 управления, запорно-регулирующий элемент 8, выполненный в виде цилиндрического плунжера с проточкой 9 и хвостовиками 10, 11 и установленный с возможностью поджатия в исходном положении и продольного перемещения для изменения направления потока рабочей жидкости. Канал 2 управления перекрыт кромкой 17 запорно-регулирующего элемента 8, но ограниченное количество рабочей жидкости из канала 2 управления имеет доступ в камеру 7 управления через дроссель 18, а из камеры 7 управления в канал 6 - через калиброванный дроссель 20 (далее - дроссель 20). Сила F через хвостовик 11 воздействует на запорно-регулирующий элемент 8 и удерживает его в крайнем левом по чертежу положении, при котором открыт проход рабочей жидкости из канала 3 в канал 5 через проточку 9, а канал 4 перекрыт. Для преодоления силы F давление р_ку рабочей жидкости в камере 7 управления должно превысить заданную величину р_з.

Распределитель по третьему варианту работает следующим образом. В канал 2 управления подается поток рабочей жидкости с давлением р, откуда ограниченное количество рабочей жидкости через дроссель 18 поступает в камеру 7 управления. Давление в камере 7 управления плавно повышается и имеет значение

где r₂ - гидравлическое сопротивление дросселя 20.

При превышении давлением р_ку величины р_з запорно-регулирующий элемент 8 сместится вправо по чертежу и при достижении кромкой 17 канала 2 управления откроет прямой доступ потоку рабочей жидкости из этого канала 2 в камеру 7 управления, одновременно будет перекрыт дроссель 20. Запорно-регулирующий элемент 8 займет крайнее правое по чертежу положение, закроет канал 3 и откроет проход потоку рабочей жидкости из канала 5 в канал 4 через проточку 9. Возврат в исходное положение произойдет после снятия воздействия потока рабочей жидкости, подаваемого через канал 2 управления, под действием силы F. Канал 2 управления будет закрыт, а дроссель 20 соединит камеру 7 управления с каналом 6 для отвода рабочей жидкости.

Если во время цикла, когда запорно-регулирующий элемент 8 находится в исходном положении, давление в камере 7 управления имеет значение

и в ГУУ генерируется гидроударная волна, при которой давление р_ку в камере 7 управления будет иметь значение

то запорно-регулирующий элемент 8 начнет смещаться вправо по чертежу. Закон его движения можно описать формулой

где

Используя формулу движения запорно-регулирующего элемента 8, можно подобрать параметры запорно-регулирующего элемента 8 (S_a, m) и дросселей 18 (r₁), 20 (r₂) таким образом, чтобы максимальное значение величины x смещения запорно-регулирующего элемента 8 из исходного положения при воздействии гидроударной волны не превышало величины смещения запорно-регулирующего элемента 8 из исходного положения, когда кромкой 17 будет открыт канал 2 управления для свободного поступления потока рабочей жидкости в камеру 7 управления.

1. Распределитель гидравлических ударных устройств, содержащий корпус с каналом управления и каналами для подвода и отвода рабочей жидкости, камеру управления со стороны канала управления, запорно-регулирующий элемент, имеющий хвостовик ступенчатой формы со стороны канала управления и установленный в корпусе с возможностью поджатия в исходном положении и продольного перемещения для изменения направления потока рабочей жидкости, причем в исходном положении запорно-регулирующего элемента ступенью большего диаметра этого хвостовика перекрыт доступ потоку рабочей жидкости, подаваемому через канал управления, к ступени меньшего диаметра, отличающийся тем, что он снабжен аккумулятором, соединенным каналом в корпусе с камерой управления, при этом до открытия доступа потоку рабочей жидкости, подаваемому через канал управления, к ступени меньшего диаметра хвостовика открыт доступ рабочей жидкости от этой ступени через канал в хвостовике к каналу в корпусе для отвода рабочей жидкости.

2. Распределитель гидравлических ударных устройств, содержащий корпус с каналом управления и каналами для подвода и отвода рабочей жидкости, камеру управления со стороны канала управления, запорно-регулирующий элемент, имеющий хвостовик ступенчатой формы со стороны канала управления и установленный в корпусе с возможностью поджатия в исходном положении и продольного перемещения для изменения направления потока рабочей жидкости, причем в исходном положении запорно-регулирующего элемента ступенью большего диаметра этого хвостовика перекрыт доступ потоку рабочей жидкости, подаваемому через канал управления, к ступени меньшего диаметра, отличающийся тем, что в корпусе выполнен калиброванный дроссель, через который ограниченное количество рабочей жидкости имеет доступ из канала управления в камеру управления, при этом в исходном положении запорно-регулирующего элемента канал управления перекрыт запорно-регулирующим элементом и до его открытия открыт доступ рабочей жидкости от ступени меньшего диаметра хвостовика через канал в хвостовике к каналу в корпусе для отвода рабочей жидкости.

3. Распределитель гидравлических ударных устройств, содержащий корпус с каналом управления и каналами для подвода и отвода рабочей жидкости, камеру управления со стороны канала управления, запорно-регулирующий элемент, имеющий хвостовик со стороны канала управления и установленный в корпусе с возможностью поджатия в исходном положении и продольного перемещения для изменения направления потока рабочей жидкости, отличающийся тем, что в корпусе и хвостовике запорно-регулирующего элемента выполнены калиброванные дроссели, причем через калиброванный дроссель в корпусе ограниченное количество рабочей жидкости имеет доступ из канала управления в камеру управления, при этом в исходном положении запорно-регулирующего элемента канал управления перекрыт запорно-регулирующим элементом и до его открытия через калиброванный дроссель в хвостовике открыт доступ ограниченного количества рабочей жидкости из камеры управления к каналу в корпусе для отвода рабочей жидкости.