Молот

 

Техническое решение относится к горной и строительной отраслям промышленности, где требуется забивание металлических труб и других строительных элементов в грунт или в обрушенную горную массу. Молот для забивания в грунт металлических труб в горизонтальном направлении, включающий корпус с фланцами, центрирующийся штангами подвижный ударник и привод, причем центрирующие штанги размещены между цилиндрическим корпусом и ударником и выполнены с одной стороны с цилиндрической поверхностью, радиус которой совпадает с радиусом цилиндрического корпуса, с противоположной стороны имеют плоскую фаску, при этом центрирующие штанги цилиндрической поверхностью опираются на внутреннюю поверхность цилиндрического корпуса, плоской поверхностью - на ударник, который снабжен по периметру внешней поверхности продольными фасками по числу центрирующих штанг. Центрирующие штанги размещены равномерно по периметру зазора между цилиндрическим корпусом и ударником, а число центрирующих штанг выбирается из условия β ≅ 45° где β - центральный угол между радиусами в поперечном сечении молота, проведенными в центры соседних штанг. 2 з.п. ф-лы, 1 табл., 3 ил.

Изобретение предназначено для использования в горной и строительной отраслях промышленности для забивания металлических труб в горизонтальном направлении в грунт, обрушенные породы, отвалы сыпучей массы, в том числе разрыхленных горных пород.

Известны электрические виброударные установки для забивания стальных труб открытым концом в грунт [1].

Электрическая виброударная установка жестко соединяется с забиваемым открытым концом трубой. При виброударной забивке реализуется эффект "самодвижения" ударной системы, что позволяет отказаться от использования напорного оборудования статического действия и сооружения в рабочем котловане упорных стенок. Виброударная установка состоит из корпуса, с которым жестко соединена наковальня. Внутри корпуса находится вибромолот. Последний состоит из вибратора направленного действия и набора пружин. На раме вибрационной установки укреплен асинхронный электродвигатель. Вибратор пятивальной конструкции: четыре вала несут дисбалансы, пятый - ведущий. Синхронное вращение валов обеспечивается находящимися на них шестернями. Опорами валов служат сферические роликоподшипники.

Недостатками электровиброударной установки являются сложность конструкции, большой вес и габариты, низкие надежность и долговечность, электроопасность.

Известен гидромолот (Б.Г. Лызо, Ю.В. Дмитриевич. Новые конструкции сваебойных молотов. М., 1969). В гидромолоте в качестве рабочего тела использована жидкость, подаваемая под давлением от гидронасоса базовой машины или насосной станции. Гидромолот отличается компактностью, высокими удельными показателями. Состоит из ударной части, перемещающейся в направляющей трубе (цилиндрическом корпусе), рабочего цилиндра, штока, поршня, поршневого аккумулятора с жидкостной пружиной, золотника, механически не связанного с ударником, и наголовника.

Недостатки. При работе в горизонтальном положении вес ударной части (ударника) гидромолота передается полностью на участок опорной поверхности внутри цилиндрического корпуса, что создает высокое трение. Для снижения силы трения при возвратно-поступательном движении ударника необходимо с большой степенью точности обрабатывать внутреннюю поверхность цилиндрического корпуса и внешнюю поверхность ударника. При большом диаметре ударника (600 - 800 мм) и большой длине корпуса (4500 - 5000 мм) произвести механическую обработку этих поверхностей до необходимых классов точности и чистоты сложно и дорого.

Наиболее близким к заявляемому устройству по технической сущности и достигаемому результату аналогом (прототипом) является вибровозбудитель [2] для забивания в грунт труб и других строительных элементов, включающий корпус, внутри которого установлен ударник, диафрагменные камеры, воздухораспределительное устройство. Вибровозбудитель снабжен центрирующимися штангами в виде стержней круглого сечения, пропущенных в образованные в ударнике продольные каналы, размещенные равномерно по его периметру.

Достоинством этой конструкции является то, что при забивке труб большого диаметра (1000 - 1200 мм) необходимо, чтобы масса ударника была примерно равна массе забиваемой трубы (порядка 1 тонны и более), так как при меньшей массе эффективность погружения металлической трубы в грунт резко снижается. Наличие центрирующихся штанг позволяет изготовить ударник заданной массы без применения сложных механических обработок, поскольку при возвратно-поступательном движении ударника скольжение происходит по центрирующимся штангам небольшого (по сравнению с размерами ударника) диаметра (порядка 50 мм), пропущенным в продольных каналах ударника.

Недостатком рассматриваемого вибровозбудителя, в частности, при горизонтальном положении является работа его центрирующих штанг на изгиб, что при значительной длине (до 3500 - 4000 мм) приводит к их прогибу при работе вибровозбудителя вследствие большой массы ударника и, как следствие, к заклиниванию ударника.

Задача, решаемая предлагаемым изобретением, - повышение жесткости центрирующих штанг, обеспечивающих центрирование ударника и снижение сил трения при его возвратно-поступательном движении.

Поставленная задача решается за счет того, что центрирующие штанги размещены между корпусом и ударником, выполнены с одной стороны цилиндрической формой, радиус которой равен внутреннему радиусу цилиндрического корпуса, с противоположной стороны имеют плоскую фаску. Центрирующие штанги своей цилиндрической поверхностью по всей их длине опираются на внутренние стенки корпуса, плоской поверхностью - на ударник, который снабжен фасками по числу центрирующих штанг. Такое расположение и конструкция штанг в совокупности с высокой жесткостью цилиндрического корпуса обеспечивают необходимую жесткость центрирующихся штанг и позволяют исключить их изгиб при возвратно-поступательном движении ударника.

Суммарная поверхность центрирующих штанг, по которой скользит ударник, много меньше внутренней поверхности цилиндрического корпуса (при ширине штанг 5 см, длина 450 см и числе 8 суммарная поверхность штанг, ответственная за силы трения, составит 18000 см², а внутренняя поверхность цилиндрического корпуса диаметром 100 см и длиной 450 см составит 141300 см², т.е. почти в 8 раз больше). Соответственно расходы на обработку рабочих поверхностей центрирующих штанг будут существенно меньше, чем на обработку всей внутренней поверхности цилиндрического корпуса. Одновременно суммарная поверхность фасок ударника, соприкасающаяся с центрирующими штангами при возвратно-поступательном движении ударника, также в 8 раз меньше всей боковой поверхности ударника (при принятых в вышеуказанном примере размерах). Соответственно затраты на обработку с высокой степенью точности фасок на поверхности ударника будут меньше, чем на обработку всей боковой поверхности ударника.

Таким образом, предлагаемое техническое решение обеспечивает повышение жесткости центрирующихся штанг, центрирование ударника и соответственно обеспечивает центральный удар при работе молота. Одновременно обеспечивается снижение сил трения при возвратно-поступательном движении ударника за счет возможности обработать контактирующие поверхности с высокой степенью чистоты и точности. Надежное центрирование ударника в процессе работы молота обеспечивается помимо центрирования центрирующихся штанг, также их равномерном размещением в зазоре между цилиндрическим корпусом и ударником.

Снижение сил трения способствует также условие выбора числа центрирующихся штанг β = 45^o, где β - центральный угол между радиусами, проведенными в центры соседних штанг.

На фиг.1 показан продольный вертикальный разрез молота; на фиг.2 - сечение молота по линии А-А на фиг.1; на фиг.3 - узел Б на фиг.2.

Пример (конкретное исполнение).

Забивание металлической трубы 1 большого диаметра (до 1500 мм) горизонтально в грунт осуществляется с помощью молота 2. Последний состоит из корпуса 3 (фиг.1) с фланцем 4 и 5, в котором размещены ударник 6 и центрирующие штанги 7, расположенные между корпусом 3 и ударником 6 (фиг.2). К фланцу 4 неподвижно прикреплен привод 8, в качестве которого может быть использован, например, пневмоцилиндр 9 с поршнем 10, делящим пневмоцилиндр на две полости 11 и 12. К пневмоцилиндру 9 подсоединены два воздушных шланга 13 и 14, по которым сжатый воздух от компрессора через воздухораспределитель 15 подается в полости 11 и 12 пневмоцилиндра 9. Шток 16 пневмоцилиндра 9 через шарнир 17 связан с ударником 6. Центрирующие штанги 7 через демпфирующие элементы 18 притягивают фланцы 4 и 5 к корпусу 3 и имеют со сторон корпуса 3 цилиндрическую форму 19, а со стороны ударника - плоскую фаску 20.

К фланцу 5, выполняющему роль шабота, неподвижно прикреплен забиваемый в грунт элемент 1 (в рассматриваемом случае в виду трубы).

Молот 2 работает следующим образом. Забиваемый элемент 1и и молот 2 укладывают в траншею. Погружаемый элемент (трубу) 1 прикрепляют к фланцу 5 молота 2. Затем, для приведения молота 2 в работу его подключают к сети сжатого воздуха. В пневмоцидиндр 9 через воздухораспределитель 15 подают сжатый воздух. В данный момент сжатый воздух подается в правую полость 12 пневмоцилиндра 9. В этот же момент воздух из левой полости 11 (или находящийся в ней от предыдущего цикла отработанный сжатый воздух) пневмоцилиндра 9 по воздушному шлангу 13 через воздухораспределитель 15 выхлопывается в атмосферу. Ударник 6 начинает двигаться к крайнему левому положению, происходит взвод ударника 6. В крайнем левом положении происходит переключение воздухораспределителя 15. Теперь из правой полости 12 по воздушному шлангу 14 через воздухораспределитель 15 сжатый воздух начинает выхлопываться в атмосферу, а по воздушному шлангу 13 сжатый воздух начинает поступать в левую полость 11 пневмоцилиндра 9. Под действием разности давлений в полостях 11 и 12 поршень 10 пневмоцилиндра 9, а вместе с ним шток 16, и шарнирно связанный со штоком 16 ударник 6 начинают совершать с ускорением рабочий ход до нанесения удара по фланцу 5 и скрепленному с ним забиваемому элементу 1. Одновременно переключается воздухораспределитель 15 и цикл повторяется в той же последовательности.

Скрепление забиваемого элемента 1 с фланцем 5 может быть осуществлено с помощью специального устройства.

При работе молота 2 ударник 6 скользит по центрирующим штангам 7, которые в этом случае работают на изгиб. Поэтому при большом весе ударника 6 (2 - 5 тонн) необходимо, чтобы центрирующие штанги (длина которых 3500 - 4000 мм) имели высокую жесткость, исключающую их прогиб. Изгиб центрирующей штанги 7 ведет к смещению ударника 6 от соосного расположения с фланцем-шаботом 5 и, как следствие, либо к заклиниванию ударника, либо к нецентральному удару по забиваемому элементу 1. При этом резко снижается коэффициент передачи мощности от молота 2 к забиваемому элементу 1 и соответственно снижается КПД молота. Чтобы избежать использования сложного профиля и значительного поперечного сечения центрирующихся штанг 7, в заявляемой конструкции устройства принято следующее техническое решение. Центрирующие штанги 7 имеют минимальную площадь поперечного сечения и простой профиль, жесткость же их обеспечена за счет размещения их в зазоре между ударником 6 и корпусом 3, при этом своей цилиндрической поверхностью 19 они опираются по всей длине на внутреннюю цилиндрическую поверхность корпуса 3. Опирание по всей соприкасающейся с корпусом 3 поверхности центрирующих штанг 7 обеспечивается за счет одинакового радиуса внутренней цилиндрической поверхности корпуса и внешней цилиндрической поверхности корпуса 19 центрирующих штанг 7. Общая жесткость при этом обеспечивается за счет высокой жесткости металлического цилиндрического корпуса (металлические конструкции трубчатого сечения, как известно, имеют значительную жесткость при изгибе). Для предотвращения появления возможной эллиптичности у цилиндрического корпуса 3 он по обеим торцам соединен с фланцами, которые имеют цилиндрические выступы, радиус которых равен внутреннему радиусу корпуса, и которые заходят внутрь корпуса.

При работе молота возможны три положения ударника 6 относительно центрирующих штанг 7.

Первое положение: одна из центрирующих штанг 7 расположена точно под ударником в плоскости его вертикального продольного сечения, как показано на фиг. 2. В этой случае сила веса (тяжести) ударника в процессе его возвратно-поступательного движения передается на одну центрирующую штангу 7. При этом строго вертикально ориентированный вектор силы тяжести ударника проходит точно по оси нижней центрирующий штанги 7.

Поверхность центрирующих штанг 7, соприкасающаяся с ударником 6, имеет плоскую фаску 20. Соответственно боковая поверхность ударника снабжена плоскими фасками по числу центрирующих штанг, расположенными симметрично по поверхности ударника.

Осуществление контакта по плоским поверхностям снижает силы трения за счет возможности обеспечить требуемую чистоту обработки трущихся поверхностей.

Второе положение: ударник совершает возвратно-поступательное движение, опираясь на две центрирующие штанги 7, как показано на фиг.3. В этом случае вектор силы тяжести ударника проходит точно по середине между двумя указанными центрирующими штангами 7.

Третье положение: ударник совершает возвратно-поступательное движение, опираясь на две нижние центрирующие штанги 7, но они расположены не симметрично относительно вертикальной плоскости симметрии, проходящей через продольную ось ударника. В этом случае вектор силы тяжести ударника смещен к одной из двух нижних центрирующих штанг 7.

При работе молота силы трения, возникающие между возвратно-поступательно движущимися ударником 6 и центрирующими штангами 7, на которые в этот момент опирается ударник, являются вредными силами сопротивления, поглощающими значительную часть работы движущихся сил. Кроме того, трение вызывает повышенный износ трущихся пар, что ведет к большим затратам на ремонт машины, а повышенный износ одной из центрирующих штанг приведет к разбалансировке молота, вызвав смещение оси ударника от оси корпуса. В этом случае появится внецентровый удар и резкое снижение КПД машины.

Рассмотрим математическую модель процесса трения ударника и штанг (М.С. Мовнин, Д. Г. Гольцикер. Техническая механика. Детали машин. Часть первая/ Судостроение. Л.: 1972 г.).

, где T - сила трения одной штанги; N - сила нормального давления на штангу; f - коэффициент трения скольжения материала ударника по материалу центрирующей штанги; 2α - угол, образованный плоскостями скольжения двух соседних центрирующих штанг (фиг. 3); β - угол между радиусами, проведенными к срединам двух соседних штанг; Q - вес ударника.

Чтобы уменьшить силы трения необходимо, согласно (1), увеличить угол α (т.к. 2sinα > 1 при α > 38° ) или, что то же, уменьшить угол β .

Согласно (1) T = Qf/2sin α , исследуем эту функцию от α на экстремум, т. е. возьмем производную по α и прировняем нулю Функция (2) обращается в "ноль" при cos α = 0, откуда α = 90^o. Поскольку вторая производная отрицательна при α = 90^o, имеет минимум. Следовательно, минимально возможное значение силы трения T будет при α =90^o или при β = 0^o, и оно равно . При уменьшении угла α до 0^o сила трения T будет неограниченно возрастать.

Таким образом, минимальные потери на трение будут при большом числе штанг, что нерационально в конструктивном отношении.

Вычислим величину сил трения при 3, 4, 6 и 8 штангах.

Случай 1. 3 штанги, β = 120^o, α = 30^o.

а) Ударник опирается на одну штангу.

T = Qf.

б) Ударник опирается на две штанги.

, T_сум. = 2T = 2 Qf, T_сум. - суммарная сила трения двух штанг.

Случай 2. 4 штанги, β = 90^o, α = 45^o. Ударник опирается на 2 штанги.

, T_сум. = 2T = 1,404 Qf.

Случай 3. 6 штанг, β = 60^o, α = 60^o. Ударник опирается на 2 штанги.

, T_сум. = 2T = 1,154 Qf.

Случай 4. 8 штанг, β = 45^o, α = 67^o30'. Ударник опирается на 2 штанги.

, T_сум. = 2T = 1,082 Qf.

Сведем результаты расчетов в таблицу.

Из приведенных данных таблицы видно, что можно принять восемь штанг. В этом случае увеличение силы трения по сравнению с одной штангой составит не более 8,2%. Тогда условие выбора числа штанг принимает вид β ≅ 45° .

Предложенное техническое решение: молот обеспечивает решение поставленной задачи - забивание в грунт стальных труб большого диаметра в горизонтальном направлении.

Формула изобретения

1. Молот для забивания в грунт металлических труб в горизонтальном направлении, включающий цилиндрический корпус с фланцем, центрирующийся штангами подвижный ударник и привод, отличающийся тем, что центрирующие штанги размещены между цилиндрическими корпусом и ударником и выполнены с одной стороны с цилиндрической поверхностью, радиус которой совпадает с радиусом цилиндрического корпуса, с противоположной стороны имеют плоскую фаску, при этом центрирующие штанги цилиндрической поверхностью опираются на внутреннюю поверхность цилиндрического корпуса, плоской поверхностью - на ударник, который снабжен по периметру внешней поверхности продольными фасками по числу центрирующих штанг.

2. Молот по п.1, отличающийся тем, что центрирующие штанги размещены равномерно в зазоре между цилиндрическим корпусом и ударником.

3. Молот по пп.1 и 2, отличающийся тем, что число центрирующих штанг определяется формулой
,
где β ≅ 45° - центральный угол между радиусами в поперечном сечении молота, проведенными в центры соседних штанг;
n - число штанг.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4