用于巖石和混凝土加工的裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于在巖石和/或混凝土切割設(shè)備中應(yīng)用的液壓敲擊工具，其包括具有氣缸（115、215）的機器殼體（100、200）和可動安裝活塞（145、245），可動安裝活塞在操作期間執(zhí)行相對于機器殼體（100、200）的重復(fù)的前后運動并且直接或間接地敲擊巖石和/或混凝土切割工具（155、255），其中活塞（145、245）包括將形成在活塞（145、245）與機器殼體（100、200）之間的第一驅(qū)動腔（120、220）和第二驅(qū)動腔（105、221）分隔開的驅(qū)動部分（165、265），以及這些驅(qū)動腔布置成在操作期間包括加壓工作流體。第一和第二驅(qū)動腔的總?cè)莘eV與用于敲擊工具的推薦最大壓力p的平方成反比，以及與對著工具敲擊期間的活塞能量E和工作流體的壓縮模量β的乘積成正比，其比例常數(shù)k在5.3-21.0的區(qū)間內(nèi)。
【專利說明】用于巖石和混凝土加工的裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及已知為“無滑動”或“無閥”類型的液壓沖擊機構(gòu)，該類型的液壓沖擊機構(gòu)用在用于加工巖石和混凝土中的至少一者的設(shè)備中以及用在包括這種沖擊機構(gòu)的用于鑿巖和破碎的設(shè)備中。
【背景技術(shù)】
[0002]用于巖石或混凝土加工的設(shè)備具有敲擊、旋轉(zhuǎn)以及敲擊的同時進行旋轉(zhuǎn)的各種功能。眾所周知的是作為這些設(shè)備的部件的沖擊機構(gòu)被液壓地驅(qū)動。安裝成在機器殼體中的缸膛內(nèi)運動的汽錘活塞則承受交變壓力，由此實現(xiàn)汽錘活塞在缸膛中的往復(fù)運動。交變壓力最通常通過獨立的切換閥獲得，獨立的切換閥通常為滑動類型并且由汽錘活塞在汽缸膛中的位置控制，可替代地將形成在汽錘活塞與汽缸膛之間的兩個驅(qū)動腔中的至少一個連接至具有通常為液壓流體的承壓的驅(qū)動流體的機器殼體中的管線，以及連接至用于機器殼體中的驅(qū)動流體的排出管線。這樣，產(chǎn)生了周期性交變壓力，該周期性交變壓力具有對應(yīng)于沖擊機構(gòu)的沖擊頻率的周期。
[0003]還已知并且已知超過30年，制造無滑動液壓沖擊機構(gòu)，有時也稱為“無閥”機構(gòu)。不同于具有單獨的切換閥，在活塞在缸膛中運動使得將根據(jù)以上描述的交變壓力給予由汽錘活塞的驅(qū)動部分分隔開的兩個驅(qū)動腔中的至少一個期間，無閥沖擊機構(gòu)中的汽錘活塞通過打開和關(guān)閉承壓驅(qū)動流體的供給和排出，也執(zhí)行了切換閥的工作。如此工作的前提是，布置在機器殼體中的用于腔的加壓和排出的通道開啟至缸膛中使得開口分開，以使在活塞的往復(fù)運動期間在任何位置處均不會引起供應(yīng)通道與排出通道之間的直接短路連接。供應(yīng)通道與排出通道之間的連接通常僅通過形成在驅(qū)動部分與缸膛之間的間隙密封部存在。否則將會引起大量損失，這是由于將會容許驅(qū)動流體在未執(zhí)行任何有用工作的情況下從高壓泵直接經(jīng)過至油箱。
[0004]為了使活塞能夠從驅(qū)動腔的用于排出的通道關(guān)閉的時刻起繼續(xù)其運動直至用于同一驅(qū)動腔的加壓的通道開啟的時刻，或反之亦然，需要使由容積的變化導(dǎo)致的驅(qū)動腔中的壓力慢慢地變化。這可以通過將至少一個驅(qū)動腔的容積制造成相對于用于傳統(tǒng)的滑動類型的沖擊機構(gòu)的正常容積較大來實現(xiàn)。需要使容積較大，這是由于通常所使用的液壓流體具有低的可壓縮性。我們將可壓縮性k定義為容積的相對變化與壓力的變化之間的比率:k= (dV/V)/dP。但是，更普遍的是將壓縮模量β用作壓縮性的計量值。壓縮模量β是如上定義的可壓縮性的倒數(shù)，即，P=Dp/(dV/V)。壓縮模量的單位為帕斯卡。整個本文獻中將使用以上給出的定義。
[0005]US4282937展示了具有兩個驅(qū)動腔的無閥液壓沖擊機構(gòu)，其中壓力在這兩個腔中交變。兩個驅(qū)動腔均具有穿過其的大的有效容積，兩個驅(qū)動腔布置成與靠近缸膛的容積永久地連接。以此方式展示出的該現(xiàn)有技術(shù)的一個缺點在于，假定與具有切換閥的傳統(tǒng)的沖擊機構(gòu)相比一個運動部分已被移除，則被證明是帶來了極低的效率。在本文獻中，除非另有說明，我們將“效率”定義為液壓效率，即活塞的沖擊動力除以供應(yīng)到液壓泵的動力。[0006]SU1068591A展示了根據(jù)第二原理的無閥液壓沖擊機構(gòu)，也就是說，交變壓力位于上部驅(qū)動腔中，恒定壓力位于下部驅(qū)動腔中一即位于最靠近工具的連接部的腔中。本文旨在通過引入相對于壓力在其中交變的腔而直接工作的非線性蓄能器系統(tǒng)來提高效率。其示出為具有兩個單獨的氣體蓄能器，其中一個氣體蓄能器具有高的補償壓力，另一個氣體蓄能器具有低的補償壓力。
[0007]被強制引入直接作用在壓力在操作期間以沖擊頻率在完全沖擊機構(gòu)壓力與低返回壓力之間交變的腔上的蓄能器的一個缺點是，由于蓄能器中的運動部分受到嚴重磨損，使得保養(yǎng)周期變得更短。
[0008]發(fā)明的目的及其重要區(qū)別特征
[0009]本發(fā)明的一個目的是示出一種無閥液壓沖擊機構(gòu)的設(shè)計，該無閥液壓沖擊機構(gòu)提供提高效率的機會、同時不會減小保養(yǎng)周期。這通過獨立權(quán)利要求中所描述的方式來實現(xiàn)。在從屬權(quán)利要求中描述了其它的有利實施方式。
[0010]我們將驅(qū)動腔的有效容積定義為在一個沖程循環(huán)期間具有交變壓力的驅(qū)動腔容積的總和，包括在完整的沖程循環(huán)期間與一個且是同一個驅(qū)動腔持續(xù)地連接的容積。已經(jīng)證實的是，根據(jù)以上給出的定義的驅(qū)動腔的有效容積對于沖擊機構(gòu)的相對于無閥沖擊機構(gòu)的效率而言是至關(guān)重要的。當然，存在多種影響效率的因素，例如間隙密封部的游隙和長度、軸承中的摩擦等等。但是無論這些游隙和軸承如何設(shè)計，不可能在不正確地適配驅(qū)動腔的有效容積的情況下獲得所需的效率。
[0011]影響驅(qū)動腔的相對于效率的最佳有效容積的因素為:所使用的沖擊機構(gòu)壓力、驅(qū)動介質(zhì)的可壓縮性以及活塞沖擊工具或沖擊與工具相互作用的部分的能量。更精確地，驅(qū)動腔的有效容積受到的影響與沖擊機構(gòu)壓力的平方成反比，并且與驅(qū)動介質(zhì)的有效壓縮模量和汽錘活塞在其沖擊工具或沖擊與工具相互作用的部分一例如已知為“適配器”的部分一時的能量的乘積成正比。
[0012]通過等式v=k*i3 *E/p2可以表達出該關(guān)系，其中V是有效驅(qū)動腔容積(我們用有效驅(qū)動腔容積來表示兩個驅(qū)動腔的容積的總和，包括在完整的沖程循環(huán)期間與一個且同一個驅(qū)動腔持續(xù)地連接的容積)。在交變壓力存在于驅(qū)動腔中的僅一個中的情況下，該腔的容積相比于具有恒定壓力的腔的容積通常是完全占主導(dǎo)的。然后能夠?qū)⒂行?qū)動腔容積視為僅僅是具有交變壓力的驅(qū)動腔的容積加上與該驅(qū)動腔持續(xù)地連接的容積。等式中的β如同其之前所定義的，構(gòu)成驅(qū)動介質(zhì)的有效壓縮模量。如果驅(qū)動介質(zhì)由每個組分均具有獨立的可壓縮性的多個組分構(gòu)成，那么將有效壓縮模量計算成壓力變化與容積的相對變化之間的結(jié)果比率。圖3表示出關(guān)于具有不同水平的空氣含量的液壓流體的β值。圖3采用液壓工程和氣動工程中的等式集合，并且因此構(gòu)成了現(xiàn)有技術(shù)。對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說明顯的是，當流體的空氣含量為零時，β=1500+7.5ρ兆帕。如在例如SU1068591A中所描述的，在氣體蓄能器直接連接到有效容積的情況下，這些氣體蓄能器的容積也包括在有效容積的計算中。因此，這些氣體蓄能器中存在的已有氣體一通常由氮氣構(gòu)成一的容積將包括在有效壓縮模量的計算中。在此情況下合適的是，當沖擊機構(gòu)處于其靜止狀態(tài)時一即通常在沖擊機構(gòu)起動之前所具有的狀態(tài)時，使用蓄能器的氣體容積。此處所述的氣體蓄能器不應(yīng)與通常連接到用于沖擊機構(gòu)的供應(yīng)線和返回線的氣體蓄能器相混淆。后者的這種蓄能器僅間歇性地連接到驅(qū)動腔，并且因此不包括在有效容積或有效壓縮模量的計算中。[0013]此外，E表示活塞在其與工具或和工具相互作用的部分相沖擊之中的沖擊能量。最后，P是所使用的沖擊機構(gòu)壓力。沖擊機構(gòu)壓力通常介于150與250bar之間。最后，k為比例常數(shù)，很明顯地，其最適于介于7.0 < k < 9.5的區(qū)間內(nèi)，但是在更大的區(qū)間6.2 < k< 11.0中且甚至達到區(qū)間5.3-21.0，能夠?qū)崿F(xiàn)有關(guān)效率的良好效果。
[0014]當已經(jīng)根據(jù)以上描述為容積設(shè)定尺寸時，在有效驅(qū)動腔容積由非彈性材料的壁限定的情況下，即當驅(qū)動介質(zhì)由純流體或已經(jīng)與一定程度的氣體混合的流體構(gòu)成時，同時相比較地沒有持續(xù)地直接連接到驅(qū)動腔的氣體蓄能器時，能夠?qū)崿F(xiàn)超過75%的效率。能夠?qū)崿F(xiàn)該效率而不需要位于活塞與缸膛之間的極低的游隙，并且因此沒有隨后的對所使用的制造精密性需求的極高要求。適當?shù)挠蜗犊梢詾?.05毫米。這種形式的沖擊機構(gòu)是所有沖擊機構(gòu)中給予最長的保養(yǎng)周期的沖擊機構(gòu)，這是由于其包括極少的運動部分。
[0015]如果氣體蓄能器持續(xù)地連接到驅(qū)動腔并且由此如上所述地包括在有效容積的計算中，則能夠?qū)崿F(xiàn)非常小的有效驅(qū)動腔容積。此外，如果具有不同規(guī)格的兩個氣體蓄能器連接到一個并且是同一個驅(qū)動腔，使得一個氣體蓄能器預(yù)先充有高氣壓一即等于沖擊機構(gòu)壓力或系統(tǒng)壓力，另一個氣體蓄能器預(yù)先充有低氣壓一通常為大氣壓力，則能夠在沖擊機構(gòu)中獲得甚至更高的效率。當發(fā)生了之前所描述的為容積設(shè)定尺寸時，能夠以如前所述的相同大小的游隙實現(xiàn)超過85%的效率。在此情況下也通過沒有將容積制造的比所需要的更大增加了保養(yǎng)周期。對于蓄能器的薄膜的運動的需要能夠因此減小。
[0016]一種優(yōu)選實施方式構(gòu)成沖擊機構(gòu)，其中驅(qū)動腔中的一個的容積(我們將該容積稱為如上文所定義的有效容積)遠大于第二驅(qū)動腔的容積，即第二驅(qū)動腔的容積是可忽略的，例如為第一驅(qū)動腔的容積的20%或更小，并且其中在完整的沖程循環(huán)期間更小的驅(qū)動腔具有基本恒定的壓力。該腔中的恒定壓力通常是通過使腔在完整的沖程循環(huán)期間、或者至少是在基本完整的沖程循環(huán)期間連接到恒壓源來實現(xiàn)的，最通常地是直接連接到系統(tǒng)壓力源或可替代地連接到?jīng)_擊機構(gòu)壓力源。
[0017]上文已經(jīng)描述的類型的沖擊機構(gòu)可以是用于巖石和混凝土中的至少一者的加工的設(shè)備的集成式部件，上述設(shè)備比如為鑿巖機或液壓破碎機。這些機器或破碎機在操作期間應(yīng)當最經(jīng)常地安裝到承載體上，承載體可以包括用于使這些機器或破碎機與用于對著待加工的巖石或混凝土元件喂送鑿巖機或破碎機的裝置對準并定位的裝置、以及用于控制并監(jiān)測該過程的裝置。這種承載體可以是鑿巖鉆機。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1示出在驅(qū)動腔中具有交變壓力的無閥液壓沖擊機構(gòu)的原理的簡圖，其中交變壓力不僅存在于活塞的上表面上而且也存在于活塞的下表面上。
[0019]圖2示出用于相應(yīng)的沖擊機構(gòu)的原理的簡圖，其中交變壓力僅存在于一個表面上，第二表面上具有恒定壓力。
[0020]圖3示出實際上已知的用于計算對于由氣體和液壓流體構(gòu)成的壓力介質(zhì)的有效壓縮模量的示意圖。
[0021]圖4示出根據(jù)圖2的沖擊機構(gòu)，其中汽錘活塞位于四個不同位置處:A-制動在上部位置處開始；B-上部轉(zhuǎn)向點；C-制動從下部位置處開始；D-下部轉(zhuǎn)向點?！揪唧w實施方式】
[0022]以下將參照附圖來描述本發(fā)明的作為示例的多種設(shè)計。本發(fā)明的保護范圍不應(yīng)被視為限制于這些實施方式，相反地，本發(fā)明的保護范圍由權(quán)利要求限定。
[0023]圖1示意性地示出液壓沖擊機構(gòu)，其中交變壓力不僅位于活塞的上表面上并且也位于活塞的下表面上。
[0024]以類似的方式，圖2和圖4示出在整個沖程循環(huán)中在活塞的下表面上一即在最靠近工具155、255定位的表面上一具有恒定液壓力以及在沖程循環(huán)期間在活塞的上表面上具有交變壓力的沖擊機構(gòu)，其中汽錘活塞將沖擊能量傳遞至工具155、255上。
[0025]具有沖擊機構(gòu)壓力的液壓流體通過供應(yīng)通道140、240供應(yīng)到?jīng)_擊機構(gòu)，沖擊機構(gòu)壓力通常介于150-250bar的區(qū)間之內(nèi)。系統(tǒng)壓力一即液壓泵傳遞的壓力一通常等于沖擊機構(gòu)壓力。
[0026]液壓流體設(shè)定成通過返回通道135、235與液壓 油箱連接，其中油在液壓油箱中通常具有大氣壓力。
[0027]汽錘活塞145、245在機器殼體100、200中的缸膛115、215中執(zhí)行往復(fù)運動。汽錘活塞包括將第一驅(qū)動區(qū)域130、230與第二驅(qū)動區(qū)域110、210分隔開的驅(qū)動部分165、265。作用在這些驅(qū)動區(qū)域上的壓力使得活塞在操作期間執(zhí)行往復(fù)運動?；钊苫钊龑?dǎo)體175、275徑向地控制。為了避免連接線中的脈動，氣體蓄能器180、280以及185、285可以分別布置在供應(yīng)通道140、240以及返回通道135、235上，所述氣體蓄能器使壓力的快速變化趨于平穩(wěn)。
[0028]為了使汽錘活塞145、245能夠在驅(qū)動部分165、265已經(jīng)關(guān)閉通向返回通道135、235的連接之后利用交變壓力、借助于其動能而足夠遠地運動到驅(qū)動腔120、220、221內(nèi)，以便能夠開啟供應(yīng)通道140、240與腔120、220、221之間的連接，需要腔具有足夠大的容積，使得腔中的壓力增加一壓力增加是由活塞對現(xiàn)在已被包圍在腔內(nèi)的流體的體積進行壓縮引起的一不會大到使得活塞在供應(yīng)通道140、240已經(jīng)開啟到腔內(nèi)之前反轉(zhuǎn)其方向，使得壓力現(xiàn)在能夠升高到完全沖擊機構(gòu)壓力并且使活塞以此方式沿相反的方向被驅(qū)動。出于該目的，驅(qū)動腔連接到工作容積125、225、226。由于驅(qū)動腔與工作容積之間的這種連接在整個沖程循環(huán)中得以保持，因此我們將驅(qū)動腔的容積和工作容積的總和表示為“有效驅(qū)動腔容積”。如本申請中之前已經(jīng)描述的，已經(jīng)證實的是該容積對實現(xiàn)高效率是至關(guān)重要的。
[0029]功能性設(shè)計包括:對于250bar的系統(tǒng)壓力而言，有效容積為3升；沖擊能量為200焦耳；汽錘活塞重量為5kg ;第一驅(qū)動表面130的面積為16.5cm2 ;以及第二驅(qū)動表面110的面積為6.4cm2。驅(qū)動部分的長度為70mm，對于驅(qū)動腔120而言，供應(yīng)通道與返回通道之間在其與缸膛的相應(yīng)連接處的距離為45mm。
[0030]在沖擊機構(gòu)壓力或系統(tǒng)壓力為250bar的情況下，如圖3中清楚地表示出的，β值等于1500+7.5X25=1687.5兆帕。這些值與3升有效容積以及200焦耳沖擊能量一起給出了作為示例的比例常數(shù):
[0031]k= (3.10-3/200.1687.5.IO6).(250.IO5)2=5.55。
[0032]驅(qū)動腔容積以及尤其是具有其較大容積的工作容積可以以多種方式定位在機器殼體中。
[0033]有利地，使容積圍繞缸膛對稱地設(shè)置。[0034]進一步有利地，使容積圍繞缸膛同心地設(shè)置。
[0035]可能有利地，作為替代方案，使容積設(shè)置在缸膛的延長線上。
[0036]合適地，根據(jù)以上描述的原理的沖擊機構(gòu)集成在鑿巖機中或替代地集成在液壓破碎機中。
[0037]具有用于使這種鑿巖機或液壓破碎機定位并對準的設(shè)備的鑿巖鉆機應(yīng)當包括根據(jù)本發(fā)明的至少一個鑿巖機或至少一個液壓破碎機。
【權(quán)利要求】
1.一種用在用于巖石和混凝土加工中的至少一者的設(shè)備中的液壓沖擊機構(gòu)，包括具有缸膛(115、215 )的機器殼體(100、200 )和活塞(145、245 )，所述活塞(145、245 )安裝成在所述缸膛內(nèi)運動并且布置成在操作期間相對于所述機器殼體(100、200)執(zhí)行重復(fù)的往復(fù)運動，并且由此將沖擊直接或間接地傳遞到工具(I55、255)上，所述工具(I55、255)能夠連接到用于加工巖石和混凝土中的至少一者的設(shè)備，其中所述活塞(145、245)包括將形成在所述活塞(145、245)與所述機器殼體(100、200)之間的第一驅(qū)動腔(120、220)和第二驅(qū)動腔(105、221)分隔開的驅(qū)動部分(165、265)，這些驅(qū)動腔布置成使其在操作期間包括承壓的驅(qū)動介質(zhì)，以及進一步地，所述機器殼體(100、200)包括通道，所述通道通向所述缸膛(115、215)，并且所述通道布置成在操作期間包括所述驅(qū)動介質(zhì)，在所述活塞(145、245)在所述缸膛(115、215)中運動期間，所述通道借助于所述活塞(145、245)來開啟和關(guān)閉所述驅(qū)動腔中的一個，使得所述驅(qū)動腔中的所述一個獲得周期性的交變壓力，用于維持所述活塞的所述往復(fù)運動，所述通道的開口在所述缸膛(115、215)中的軸向位置以及沿著所述活塞部分的延伸方向開啟和關(guān)閉的位置適配成沿著一定距離將所述驅(qū)動腔保持為對存在于所述腔中的驅(qū)動介質(zhì)的供應(yīng)和排出封閉，其中所述一定距離位于和所述活塞(145、245)的第一轉(zhuǎn)向點相關(guān)的第一通道的開口與和所述活塞(145、245)的第二轉(zhuǎn)向點相關(guān)的第二通道的開口之間，并且所述活塞沿著所述距離的運動在所述驅(qū)動腔中的所述一個的容積壓縮或膨脹期間持續(xù)，所述容積已被進一步適配以便實現(xiàn)壓力沿著所述距離的緩慢變化，其特征在于，所述第一驅(qū)動腔和所述第二驅(qū)動腔的總?cè)莘eV已被設(shè)定尺寸成與推薦用于所述沖擊機構(gòu)的最大壓力P的平方成 反比，并且進一步地與所述活塞對著所述工具(155、255)沖擊的能量E和所述驅(qū)動介質(zhì)的壓縮模量β的乘積成正比，所述正比的比例常數(shù)為k，所述比例常數(shù)k具有在5.3-21.0區(qū)間內(nèi)的值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液壓沖擊機構(gòu)，所述比例常數(shù)k位于6.2 > k < 11的區(qū)間內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液壓沖擊機構(gòu)，所述比例常數(shù)k位于7.0 > k < 9.5的區(qū)間內(nèi)。
4.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的液壓沖擊機構(gòu)，其中，所述驅(qū)動腔中的一個的容積顯著大于第二驅(qū)動腔的容積。
5.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的液壓沖擊機構(gòu)，其中，所述驅(qū)動腔中的一個在基本完整的沖程循環(huán)期間具有恒定的壓力。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項所述的液壓沖擊機構(gòu)，其中，所述驅(qū)動腔被交替地設(shè)定在壓力下。
7.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的液壓沖擊機構(gòu)，其中，所述腔的容積圍繞所述缸膛(115、215)對稱地延伸。
8.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的液壓沖擊機構(gòu)，其中，所述腔的容積圍繞所述缸膛(115、215)同心地延伸。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的液壓沖擊機構(gòu)，其中，具有交變壓力的所述驅(qū)動腔在所述缸膛的延伸范圍中延伸。
10.一種鑿巖機,包括根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的沖擊機構(gòu)。
11.一種鑿巖鉆機，包括根據(jù)權(quán)利要求10所述的鑿巖機。
12.—種液壓破碎機，包括根據(jù)權(quán)利`要求1至9中任一項所述的沖擊機構(gòu)。
【文檔編號】E21B1/24GK103459095SQ201280016951
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2012年4月3日 優(yōu)先權(quán)日:2011年4月5日
【發(fā)明者】馬里亞·彼得松 申請人:阿特拉斯·科普柯鑿巖設(shè)備有限公司