способ испытания устройств ударного действия и стенд для его реализации

Формула изобретения

1. Способ испытания устройств ударного действия, включающий силовое нагружение конструкции исследуемого ударного устройства ударными импульсами, отличающийся тем, что воздействие производят в вертикальном направлении, для чего исследуемое устройство, например сваебойный молот, располагают на стенде с возможностью перемещения вдоль вертикальной оси, при этом энергопоглотитель располагают под шаботом молота соосно с последним; причем испытания производят при постоянной на всем пути торможения силе сопротивления, близкой к режиму отказов, т.е. при максимальных нагрузках, при этом давление в тормозной камере устройства определяется скоростью истечения рабочей жидкости через щель между наружной поверхностью бойка и внутренней боковой поверхностью цилиндрического двухступенчатого кольца, которую выполняют в форме параболоида; передачу энергии от ударника в энергопоглотитель осуществляют через жидкость.

2. Способ испытания устройств ударного действия по п.1, отличающийся тем, что осуществляют циркуляцию рабочей жидкости, например, через радиатор.

3. Стенд для реализации способа испытания устройств ударного действия по п.1, включающий вертикально расположенные испытываемый молот, рабочий орган и энергопоглотитель, размещенные соосно, отличающийся тем, что корпус энергопоглотителя с наружным фланцем в верхней части выполнен в виде цилиндрической полости, соосной с испытуемым молотом и снабженной глухим днищем, на обращенной внутрь корпуса торцевой поверхности которого образована коаксиальная глухая двухступенчатая расточка, в которой установлено сопряженное с нею по соответствующей наружной боковой поверхности двухступенчатое кольцо, снабженное коаксиальной внутренней боковой поверхностью, выполненной в форме параболоида, т.е. параболоидальной поверхностью, и неподвижно закрепленное в осевом направлении посредством входящего в верхнюю большую по размеру ступень упомянутой расточки и сопряженного с ней по наружной боковой поверхности нижнего конца направляющего блока, закрепленного на фланце корпуса и совместно с внутренней полостью последнего образующего заполняемую жидкостью кольцевую изолированную полость, которая через отверстия в боковой стенке направляющего блока и через внутреннее пространство упомянутого кольца постоянно сообщена с внутренней полостью расточки в днище, при этом в направляющем блоке образована коаксиальная с корпусом сквозная цилиндрическая ступенчатая расточка, в которой как в направляющих размещен ограниченно подвижный вдоль оси и снабженный кольцевым выступом в средней части ударник, выступающий из энергопоглотителя наружу верхний конец которого постоянно контактирует с торцевой поверхностью шабота молота, а нижний конец ударника в исходном положении расположен выше верхнего конца двухступенчатого кольца, а после ударного взаимодействия с испытуемым молотом размещается во внутренней полости расточки в днище, совместно с упомянутой выше профилированной поверхностью двухступенчатого кольца, образуя кольцевую щель, через которую в указанном положении ударника внутренняя полость расточки в днище сообщается с кольцевой изолированной полостью корпуса, причем кольцевой выступ ударника постоянно размещен в наибольшей по размеру ступени сквозной расточки, сопряжен с ней по боковой поверхности и совместно с упомянутой ступенью образует заполняемую сжатым газом кольцевую изолированную полость, расположенную между нижней торцевой поверхностью кольцевого выступа и торцевой поверхностью наибольшей ступени.

4. Стенд по п.3, отличающийся тем, что геометрические параметры упомянутой параболоидальной поверхности цилиндрического двухступенчатого кольца зависят от энергии испытуемого молота.

5. Стенд по п.3 или 4, отличающийся тем, что цилиндрическое двухступенчатое кольцо является сменным и в зависимости от энергии испытуемого молота заменяется на любое другое кольцо с одинаковым размером наружной и другим размером внутренней боковой поверхности.

6. Стенд по п.3, отличающийся тем, что, с целью охлаждения или нагрева жидкости, в изолированной полости корпуса направляющий блок энергопоглотителя снабжен входным и выходным патрубками, посредством которых изолированная полость трубопроводами соединяется с системой теплообмена.

7. Стенд по п.3, отличающийся тем, что между наружной поверхностью днища корпуса и фундаментом установлена прокладка из упругого материала, например листовой резины.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способам и устройствам для исследования работоспособности и надежности устройств ударного действия, в частности, к ударным стендам, а именно для исследования устройств для забивания свай, и может быть использовано, например, в строительстве, горном деле.

Известны различные способы испытания устройств ударного действия, в том числе сваебойных молотов, см., например, патент US № 3353362 (1967 г.), описание работы устройств по а.с. СССР № 681158 (1970 г.), 905392 (1981 г.), 501133 (1976 г.), а также статью «Исследование напряженно-деформированного состояния элементов конструкции сваебойного трубчатого дизель-молота», авторы Будилов И.Н., Белов Г.В., Лукащук Ю.В., см. «Энергетическое машиностроение» № 11 (2009 г.).

В качестве прототипа заявителем выбран наиболее близкий по технической сущности к предлагаемому изобретению способ испытания устройств ударного действия, известный из описания работы устройства по а.с. SU № 1652463 (1991 г.).

Известный способ включает силовое нагружение конструкции ударного устройства ударными импульсами в горизонтальном направлении, при этом боек ударного устройства совершает возвратно-поступательное движение и в конце своего рабочего хода наносит удары по поршню.

Известный способ характеризуется недостаточной надежностью, а также ограниченной областью функционального использования.

Известны устройства аналогичного назначения, т.е. для испытания устройств ударного действия, например, а.с. СССР № 681158 (1970 г.), № 905392 (1981 г.). Кроме того, из а.с. СССР № 638767 (1978 г.) и патента SU № 1812856 (1995 г.) известны также тормозное устройство и гидравлический буфер, предназначенные для защиты изделий от механических воздействий и торможения движущихся тел.

Известен стенд по а.с. СССР № 501133 (1976 г.), включающий станину и энергопоглотитель, содержащий упругую мембрану и цилиндр с расположенным по оси исследуемого устройства поршнем, снабженным дроссельным отверстием. Однако данный стенд не имеет устройства для возврата поршня в исходное положение после удара и поэтому позволяет регистрировать только одиночные удары. Кроме того, противодействующая удару сила сопротивления, приложенная к поршню, переменна во времени, вследствие того, что площадь дроссельного отверстия не изменяется в процессе испытаний, что приводит к погрешности результатов конкретных измерений.

Известен также стенд по а.с. SU № 1652463 (1991 г.), который позволяет проводить многоцикловые испытания. Известный стенд включает жесткое основание с упором, станину с узлом крепления испытуемого устройства, первый упругоэластичный амортизатор, расположенный между станиной и упором жесткого основания, испытуемое устройство с ударником, поглотитель энергии (энергопоглотитель), масса которого больше массы ударника, выполненный в виде имеющей газовую полость вытеснительной камеры, сообщенной посредством соединительных каналов в корпусе поглотителя с закрытой по торцам крышками цилиндрической камерой, в полости которой размещен ступенчатый полый поршень, второй упругоэластичный амортизатор, установленный между станиной и поглотителем энергии. Поглотитель энергии снабжен иглой, имеющей профилированную внешнюю поверхность, установленной в корпусе поглотителя со стороны вытеснительной камеры соосно со ступенчатым полым поршнем с возможностью фиксированного осевого перемещения относительно последнего, при этом ступенчатый полый поршень имеет на внутренней поверхности кольцевой выступ, который образует с внешней профилированной поверхностью иглы первую кольцевую дросселирующую щель при смещении ступенчатого полого поршня в процессе ударного воздействия бойка, а на крышке цилиндрической камеры, расположенной со стороны ступенчатого полого поршня, выполнена кольцевая проточка, которая образует с боковой поверхностью большей ступени ступенчатого полого поршня вторую дросселирующую щель.

Однако известное устройство недостаточно надежно и имеет недостаточную область функционального использования, при этом стенд позволяет проводить испытания только в горизонтальном направлении. Кроме того, данный стенд характеризуется сложностью конструкции и требует достаточно высокой точности изготовления.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является стенд для испытаний сваебойных молотов по а.с. SU № 1218307 (1986 г.), выбранный авторами в качестве прототипа. Известный стенд включает рабочий орган и камеру с шарами разного диаметра, выполняющую роль энергопоглотителя. При этом камера выполнена с переменным поперечным сечением с уширением книзу и снабжена в верхней части перемычкой с отверстием, причем рабочий орган снабжен комплектом сменных рабочих наконечников разной формы.

Таким образом, известное устройство содержит вертикально расположенные испытываемый молот, рабочий орган и содержащий корпус энергопоглотитель, размещенные соосно.

Однако известное устройство не позволяет проводить многоцикловые испытания. Кроме того, противодействующая удару сила сопротивления переменна во времени, что приводит к погрешности результатов конкретных измерений. То есть для известного устройства характерны низкая надежность и недостаточная область функционального использования.

Таким образом, недостатками известного способа и устройства является низкая надежность и недостаточная область функционального использования.

Задачей, на решение которой направлены заявляемые изобретения, является повышение надежности и расширение функциональных возможностей.

Именно заявляемые конструктивные отличия, признаки устройства (стенда) для испытания устройств ударного действия, позволяют реализовать заявляемый способ, тем самым, обеспечивая достижение поставленной задачи, что позволяет сделать вывод о том, что заявляемые изобретения связаны между собой единым изобретательским замыслом.

Для решения поставленной задачи, в отличие от известного способа, включающего силовое нагружение конструкции исследуемого ударного устройства ударными импульсами в горизонтальном направлении, в заявляемом способе воздействие (нагружение) производят в вертикальном направлении. Для этого исследуемое устройство, например сваебойный молот, располагают на копре с возможностью перемещения вдоль вертикальной оси, при этом энергопоглотитель располагают под шаботом молота соосно с последним. Испытания производят (осуществляют) при постоянной на всем пути торможения силе сопротивления, близкой к режиму отказов, как при распружинении сваи; т.е. в ситуации, когда свая не погружается в грунт, а совершает упругие колебания в грунте (при максимальных нагрузках).

Таким образом, сущность заявляемого изобретения состоит в том, что, в отличие от известного способа испытания устройств ударного действия, включающего силовое нагружение конструкции исследуемого ударного устройства ударными импульсами, согласно изобретению, воздействие (нагружение) производят в вертикальном направлении, для чего исследуемое устройство, например сваебойный молот, располагают на стенде (копре) с возможностью перемещения вдоль вертикальной оси. При этом энергопоглотитель располагают под шаботом молота соосно с последним. Испытания производят при постоянной на всем пути торможения силе сопротивления, близкой к режиму отказов, т.е. при максимальных нагрузках. При этом необходимое давление в тормозной камере устройства, реализующего заявленный способ, определяется скоростью истечения рабочей жидкости через щель между наружной поверхностью бойка и внутренней боковой поверхностью цилиндрического двухступенчатого кольца, которую выполняют в форме параболоида. Передачу энергии от ударника в энергопоглотитель осуществляют через жидкость, так как в жидкости легко сформировать наиболее эффективные ударные импульсы прямоугольной формы.

При истечении жидкости через вышеуказанную щель вся энергия затрачивается на преодоление сопротивления истечению жидкости и, в конечном счете, превращается в тепло, повышая температуру жидкости в рабочих полостях.

Кроме того, для поддержания рабочей температуры жидкости, осуществляют циркуляцию рабочей жидкости, например, через радиатор.

Также для решения поставленной задачи, сущность заявляемого изобретения - стенда для реализации заявляемого способа испытания устройств ударного действия, например, сваебойных молотов, состоит в том, что, в отличие от известного технического решения, включающего вертикально расположенные испытываемый молот, рабочий орган и содержащий корпус энергопоглотитель, размещенные соосно, согласно изобретению корпус энергопоглотителя с наружным фланцем в верхней части выполнен в виде цилиндрической полости, соосной с испытуемым молотом и снабженной глухим днищем. На обращенной внутрь корпуса торцевой поверхности глухого днища образована коаксиальная глухая двухступенчатая расточка, в которой установлено сопряженное с нею по соответствующей наружной боковой поверхности двухступенчатое кольцо, снабженное коаксиальной внутренней боковой поверхностью, выполненной в форме параболоида (т.е. параболоидальной поверхностью). Это кольцо неподвижно закреплено в осевом направлении посредством входящего в верхнюю большую по размеру ступень упомянутой расточки и сопряженного с ней по наружной боковой поверхности нижнего конца направляющего блока, закрепленного на фланце корпуса и совместно с внутренней полостью последнего образующего кольцевую изолированную полость, заполняемую жидкостью. Данная полость через отверстия в боковой стенке направляющего блока и через внутреннее пространство упомянутого кольца постоянно сообщается с внутренней полостью расточки в днище. При этом в направляющем блоке образована коаксиальная с корпусом сквозная цилиндрическая ступенчатая расточка. В этой расточке как в направляющих размещен ограниченно подвижный вдоль оси и снабженный кольцевым выступом в средней части ударник. Верхний конец ударника, выступающий из энергопоглотителя наружу, постоянно контактирует с торцевой поверхностью шабота молота. Нижний конец ударника в исходном положении расположен выше верхнего конца двухступенчатого кольца, а после ударного взаимодействия с испытуемым молотом размещается во внутренней полости расточки в днище, образуя при этом совместно с упомянутой выше профилированной поверхностью двухступенчатого кольца кольцевую щель, через которую в указанном положении ударника внутренняя полость расточки в днище сообщается с кольцевой изолированной полостью корпуса. Причем кольцевой выступ ударника постоянно размещен в наибольшей по размеру ступени сквозной расточки, сопряжен с ней по боковой поверхности и совместно с упомянутой ступенью образует заполняемую сжатым газом кольцевую изолированную полость, расположенную между нижней торцевой поверхностью кольцевого выступа и торцевой поверхностью наибольшей ступени. При этом геометрические параметры упомянутой параболоидальной поверхности цилиндрического двухступенчатого кольца зависят от энергии испытуемого молота.

Кроме того, цилиндрическое двухступенчатое кольцо является сменным и в зависимости от энергии испытуемого молота может быть заменено на любое другое кольцо с одинаковым размером наружной и другим размером внутренней боковой поверхности.

Кроме того, с целью охлаждения или нагрева жидкости, в изолированной полости корпуса направляющий блок энергопоглотителя снабжен входным и выходным патрубками, посредством которых изолированная полость трубопроводами соединяется с системой теплообмена.

Кроме того, между наружной поверхностью днища корпуса и фундаментом установлена прокладка из упругого материала, например листовой резины.

Технический результат, который может быть получен в результате использования изобретения, заключается в повышении надежности и расширении функциональных возможностей способа испытания устройств ударного действия и стенда для его реализации.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг.1 изображен общий вид стенда для испытания устройств ударного действия, в частности, сваебойных молотов. На фиг.2 приведена гидросхема устройства.

Стенд содержит копер 1, на котором установлен испытываемый молот 2, а под шаботом молота в специальном отсеке 3 соосно размещен энергопоглотитель 4, под основанием которого установлена прокладка 5 из упругого материала, например, из листовой резины. Энергопоглотитель 4 содержит корпус 6, выполненный в виде соосной с молотом цилиндрической полости, с фланцем на верхнем и глухим днищем на нижнем конце. На фланце корпуса 6 болтами 7 закреплен направляющий блок 8. В блоке 8 с возможностью ограниченного продольного перемещения установлен рабочий орган - боек 9, в верхней части которого имеется кольцевой выступ 10, нижняя торцевая поверхность которого совместно с внутренней поверхностью блока 8 образуют замкнутую полость 11, заполненную сжатым газом (воздухом). Полость 11 соединяется с воздушной магистралью при помощи штуцера 12.

В нижней части корпуса 6 выполнена глухая двухступенчатая цилиндрическая расточка 13, выполняющая роль тормозной камеры, с горловиной, выполненной в виде сменного двухступенчатого кольца 14, с внутренней боковой поверхностью в форме параболы с наименьшим диаметром, по существу равным диаметру нижнего конца бойка 9. Кольцевая полость 15, образованная внутренней поверхностью направляющего блока 8 и наружной поверхностью бойка 9 до верхней торцевой поверхности двухступенчатого кольца 14 посредством радиальных каналов 16, сообщается с кольцевой полостью 17, заполненной рабочей жидкостью. В верхней части полости 17 имеется свободный от жидкости воздушный объем, равный объему тормозной камеры 13. Заполнение полости 17 производится через горловину 18, а контроль уровня заливки - уровнемером 19.

Охлаждение рабочей жидкости, заполняющей полости 13, 15 и 17, производится в теплообменнике 20 посредством вентилятора 21. Жидкость в теплообменнике 20 циркулирует под действием насоса 22.

Устройство работает следующим образом:

В исходном положении молот 2 свайным наголовником шабота надевается на боек 9, занимающий под действием сжатого воздуха в полости 11 крайнее верхнее положение до упора кольцевого выступа 10 в верхний фланец направляющего блока 8.

При этом нижний торец бойка 9 находится выше тормозной камеры 13 и расположен на 10-20 мм выше верхнего торца двухступенчатого кольца 14. В освободившийся объем в тормозную камеру 13 через щель между внутренней поверхностью двухступенчатого кольца 14 и поверхностью бойка 9 по каналам 16 поступает жидкость из полости 17. После нанесения удара по бойку 9 молотом 2 через свайный наголовник боек 9 совместно с молотом 2 движется вниз. При этом нижний конец бойка 9 входит в тормозную камеру, вытесняя из нее находящуюся там рабочую жидкость в полости 15 и 17 через кольцевую щель, образованную внутренней поверхностью двухступенчатого кольца 14 и наружной поверхностью бойка 9. В тормозной камере 13 создается давление жидкости, которое, действуя на нижний торец бойка 9, вызывает его торможение.

Величина давления жидкости в полости 13 определяется скоростью истечения жидкости через упомянутую щель:

,

где _ж - скорость истечения жидкости;

=800 кг/м³ - плотность жидкости;

g=9.81 м/с.

При этом ,

где D - диаметр нижнего конца бойка 9;

_бойка - скорость движения бойка 9 в данный момент;

F_щели - площадь щели.

Сила торможения бойка 9

.

Наиболее эффективное торможение бойка происходит при _ж=const.

Для обеспечения этого условия площадь щели определяется из соотношения:

.

При истечении жидкости через такую щель вся энергия затрачивается на преодоление сопротивления истечению жидкости и, в конечном счете, превращается в тепло, повышая температуру жидкости в полостях 16 и 17. Заполнение жидкости в полости 15 и 17 производится через горловину 18, а контроль уровня заливки - уровнемером 19.

Для поддержания рабочей температуры жидкости в полостях 16 и 17 жидкость циркулирует по радиатору 20 с помощью насоса 22, при этом радиатор 20 обдувается вентилятором 21.

В зависимости от мощности испытываемых молотов могут применяться различные типоразмеры двухступенчатого кольца 14.

После рабочего хода ударника происходит его движение вверх - холостой ход. Боек 9 под действием сжатого газа прижат к свайному наголовнику и перемещается совместно с ударником молота 2 вверх до тех пор, пока кольцевой выступ 10 не упрется в верхний фланец направляющего блока 8.

Далее цикл работы повторяется.

Применение изобретения позволит повысить надежность и расширить функциональные возможности способа испытания устройств ударного действия и стенда для его реализации. При этом улучшаются условия труда и эксплуатации стенда, а также удобство работы. Стенд пригоден для многоцикловых испытаний устройств ударного действия как в производственных, так и в лабораторных условиях.