Гидропневматическое ударное устройство

Аннотация

Ш.М. Мерданов, А.Л. Егоров, В.В. Федотов, Е.А. Федотова

Приводится анализ ударных машин и механизмов, сравниваются ударные устройства различных конструкций, приводится описание конструкции и работы оригинального гидропневматического ударника предназначенного для работы в гидросистеме одноковшового экскаватора.

Ключевые слова: гидропневматическое ударное устройство, гидропневмоударник, рабочий орган экскаватора, импульсные системы, гидравлический привод

05.05.04 - Дорожные, строительные и подъемно-транспортные машины

На основе анализа рассмотренных при конструировании ударника импульсных систем предпочтение было отдано гидропневматическим ударным устройствам, позволяющим достичь в рабочих органах машин большой энергии ударов. Значительная энергия одиночных ударов обеспечивается благодаря использованию аккумулирующих элементов, способных развивать большую мгновенную мощность.
Сравнение ударных машин и механизмов производилось на основании требований, предъявляемых к ударным устройствам, с учётом следующих показателей: энергии и частоты ударов, КПД, мощности привода, металлоёмкости на единицу энергии удара, коэффициента использования активной массы, массы подвижных частей, приходящейся на единицу длины рабочего хода, удельной мощности, равной отношению мощности привода к массе ударного устройства и габаритных размеров.
Сравнивая ударные устройства по энергии удара необходимо отметить, что наибольшей энергией (10000 Дж и выше) обладают дизель-молоты. Однако частота удара у них ниже, чем у гидравлических ударных устройств, и имеет верхний предел. Частоту гидравлических ударных устройств можно повысить, увеличив подачу насоса. Повышение энергии ударов дизель-молотов достигается увеличением рабочего хода подвижных частей (до 3 м), что приводит к возрастанию габаритных размеров. Это затрудняет их использование конструктивно. Наибольший коэффициент использования мощности имеют гидравлические ударные устройства, пружинные вибромолоты, компрессорно-вакуумные молотки. [1]
Сравнивая ударные устройства по металлоёмкости на единицу энергии удара и ударной мощности, необходимо отметить, что лучшие показатели имеют гидропневматические ударные устройства и пневмомашины. Однако последние имеют низкий коэффициент использования активной массы ударного устройства, характеризующий рациональное использование металла в конструкции, для гидропневматических ударных устройств составляет 77%, для гидропружинных молотов 71%, для пружинных вибромолотов 59% [2].
Анализируя работу ударных механизмов, необходимо отметить значительные динамические нагрузки, возникающие при работе механических ударных устройств (компрессорно-вакуумных и пружинных вибромолотов), что снижает их надёжность. Гидропружинные молоты требуют частой смены рабочих пружин и захватывающих рычагов, что усложняет эксплуатацию оснащенных ими машин.
В гидропневматических ударных устройствах отсутствуют элементы механических передач, вызывающие значительные динамические нагрузки. К преимуществам последних также следует отнести компактность, низкую металлоемкость на единицу энергии удара, возможность получения больших энергий, простоту регулирования энергии удара, изменением начального давления газа в аккумуляторе. Гидравлический привод гидропневмоударников позволяет осуществлять их привязку непосредственно к базовой машине.
В одноковшовых экскаваторах, где длительность работы ударных устройств составляет 20-25 % общего времени рабочего цикла машины, целесообразно использовать гидропневмоаккумуляторный привод, представляющий собой емкость, заполненную газом и жидкостью, с разъединением сред при помощи плавающего поршня. Он разряжается при маневровых операциях машины, а запасенная кинетическая энергия сжатого газа реализуется при работе ударных устройств с отключением гидропривода от гидропневмоаккумулятора. [4]
Структурно гидропневмоударник можно представить энергетическим блоком (ЭБ) и блоком управления (БУ). ЭБ состоит из пневмогидроаккумулятора и подвижных масс с освобождающейся рабочей полостью. Блок управления включает втулки, клапаны или золотники управления.
Основными параметрами, характеризующими ЭБ являются:
• давление газа аккумулятора;
• степнь сжатия газа;
• показатель политропического процесса;
• масса подвижных частей гидропневмоударника;
• путь перемещения;
• коэффициенты механических и гидравлических сопротивлений, производные от них - время рабочего хода, скорость и энергия удара.
Параметрами БУ являются площади торцов и поясков втулок и клапанов, масса золотника и путь его перемещения, жесткость пружины золотника, коэффициент механических и гидравлических сопротивлений. Эти параметры определяют основной показатель - длительность управления. Осуществляя распределение потока жидкости, орган управления оказывает влияние на величину мощности ударного механизма, а именно: уменьшает его по сравнению с расчетной. Это происходит вследствие потерь энергии при протекании рабочей жидкости через каналы распределителей, затрат мощности на перемещение элементов управления, а также вследствие того, что элементы органа управления обладают определенной инерционностью и не обеспечивают идеального быстродействия. Поэтому при определении параметров органа управления необходимо свести к минимуму его влияние на величину вредных потерь в процессе перемещения бойка и обеспечить максимальное быстродействие переключения элементов управления.

Принцип работы гидропневмоударника.

Гидропневматическое ударное устройство состоит из корпуса 1, поршня-бойка 2, корпуса блока управления 3, золотника 4 управления, гидроаккумулятора 5, гидрораспределителя 6. Гидроаккумулятор 5 соединен с гидрораспределителем 6 трубопроводом 7 и трубопроводом 8. Гидрораспределитель 6 выполнен двухпозиционным с позициями I и II. Поршень-боек 2 разделяет корпус 1 на полость взвода А, рабочую полость В и аккумулятора С, наполненную сжатым газом. В корпусе 1 выполнен радиальный канал 9, соединенный через трубопровод 10 с гидрораспределителем 6. Поршень-боек 2 имеет поясок 11. На золотнике 4 выполнена кольцевая проточка 12, а в корпусе 3 блока управления-управляемое проходное окно 13.
Торец золотника 4, через канал 14, образует с корпусом полость управления D. В корпусе 3 блока управления выполнен радиальный канал 15, а в корпусе 1 выполнен канал 16, которые соединены трубопроводом 17 через обратный клапан 18. Противоположный торец золотника 4 ограничивает зазолотниковую полость E. Золотник 4 соединен с корпусом 3 блока управления посредством двойной пружины 19. В корпусе 3 выполнен канал 20, соединенный с гидрораспределителем 6 трубопроводом 21. В корпусе 1 ударного устройства выполнены канал 22, дополнительный радиальный канал 23. Канал 23 через трубопровод 24 сообщается с гидрораспределителем 6. Канал 22 через обратный клапан 25, трубопровод 26 и обратный клапан 27 соединен с гидрораспределителем 6. Полость управления D каналом 28 постоянно сообщена с рабочей полостью В. В корпусе 3 блока управления выполнены канал 29 и канал 30 соединенные между собой трубопроводом 31 через обратный клапан 32.
В исходном положении поршень-боёк 2 под действием газа аккумулятора С находится в крайнем левом положении (рис. 1). Гидроуправляемый гидро­распределитель 6 находится в позиции I, при которой гидроаккумулятор 5 соединяется через обратные клапаны 27 и 25 трубопроводы 7, 8, 10, 26 и каналы 9, 22, 20 с полостями слива В, взвода А и зазолотниковой Е. Золотник 4 под действием двойной пружины 19 находится в среднем положении, закрывая (отсекая) каналы 13,15 и 30. Полость управления D соединена через ка­нал 28 с полостью слива В, и через каналы 29,30, трубопровод 31 и обратный клапан 32 с зазолотниковой полостью Е.

Рис. 1 - Гидропневматическое ударное устройство (положение I)

После приложения силы статического поджатия к поршню-бойку 2 с левой стороны, он перемещается, сжимая газ в аккумуляторе С, при этом жидкость через канал 9, обратный клапан 27, трубопроводы 10, 8, 7 поступает в гидроаккумулятор 5, заряжая его. Одновременно с этим по каналу 9, трубопроводу 26, через обратный клапан 25 и каналу 22 в полость взвода Д. В это время золотник 4 зафиксирован, т.к. давление в полости управления D и зазолотниковой полости Е одинаковы.
При дальнейшем перемещении поршня-бойка канал 9 запирается пояском 11, в результате чего поступление жидкости через него прекращается, давление в полости управления D возрастает и становится больше давления в полости Е, в результате чего золотник перемещается влево, открывая канал 13.

Рис. 2 - Гидропневматическое ударное устройство (положение II)

Рис. 3 - Гидропневматическое ударное устройство (положение III)

При этом жидкость из полости управления D через канал 14, канал 13 по­ступает в полость взвода А и через канал 23 и трубопровод 24 в цилиндр управления распределителя 6, переключая его в позицию И, как показано на рис. 2. После переключения распределителя в поз. II гидроаккумулятор 5 начинает разряжаться, при этом жидкость из гидроаккумулятора по трубопроводу 7, через распредеплитель 6, по трубопроводу 26, через обратный клапан 25 и каналу 22 поступает в полость взвода А, воздействуя на поршень-боёк, заставляя его дополнительно пере­мещаться в сторону взвода. Одновременно жидкость из гидроаккумулятора по трубопроводу 21 и канал 20 поступает в зазолотниковую полость Е, заставляя золотник 4 перемещаться вправо, открывая канал 30. Жидкость из полости управления D по каналу 29, трубопроводу 31, через обратный клапан 32 и канал 30 поступает в полость Е воздействуя на золотник 4 и заставляя его дополнительно перемещаться вправо. В конце взвода канал 28 отсекается, золотник перемещается в крайнее правое положение, сообщая каналы 13 и 15 через кольцевую проточку 12, как показано на рис. 3. В результате чего жидкость из полости взвода А по каналу 13, кольцевой проточке 12, каналу 15,трубопроводу 17, через обратный клапан 18 и канал 16 попадает в полость слива В. Давление в полости А уменьша­ется и распределитель 6 занимает позицию I. После этого под действием энергии сжатого газа аккумулятора поршень-боёк перемещается влево и происходит его рабочий ход. Одновременно давления в полостях D и Е выравниваются, золотник занимает первоначальное положение и вся система занимает исходное положение. Далее цикл повторяется.

Литература

1. Сатинов А.С. Гидропневмоударные системы исполнительных органов горных и строительных дорожных машин. - М: Машиностроение, 1980. - 356 с.
2. Янцен И.А. Основы теории и конструирования гидропневмоударников. - Кемерово: Кемеровское книжное издательство, 1977. - 387 с.
3. Мерданов Ш.М., Закирзаков Г.Г., Дрозд А.Н., Егоров А.Л., Харац Л.Е. Гидропневматическое ударное устройство. Патент на изобретение RU 2215094 18.06.2001
4. Павлов В.П. Анализ закономерностей развития основных параметров одноковшовых экскаваторов в компьютерной среде // Инженерный вестник Дона. – 2010. - №3 URL: http://ivdon.ru/magazine/archive/n3y2010/237 (доступ свободный) – Загл. с экрана. – Яз. рус.