CN103459094A - 用于岩石和混凝土加工的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用在用于加工岩石和混凝土中的至少一者的设备中的液压无阀冲击机构，其包括具有缸膛的机器壳体（105；205）和安装成在缸膛中运动的活塞（110；210），活塞（110；210）设置成当在操作中时执行相对于机器壳体的重复的往复运动，并且由此将冲击直接或间接地传输到能够连接至用于加工岩石和混凝土中的至少一者的设备的工具上，其中活塞包括将第一驱动腔（160；260）和第二驱动腔（125；225）分隔开的驱动部（140；240），第二驱动腔（125；225）具有大于第一驱动腔的有效容体积的有效容积。冲击机构还包括起动装置，起动装置布置成使其在冲击机构的初始增压过程中，在短的持续时间内产生第二驱动腔与第一驱动腔之间的连接，所述连接能够在一个完整冲程循环过程中保持，以便由此将活塞设定成自振动以及避免活塞在平衡位置保持静止。另外，本发明涉及具有该冲击机构的凿岩机和包括该凿岩机的凿岩钻机，以及用于无阀液压冲击机构的起动的液压释放阀。另外，本发明还涉及用于液压无阀冲击机构的起动方法。

Description

用于岩石和混凝土加工的装置和方法

技术领域

本发明涉及已知为“无滑动”或“无阀”类型的液压冲击机构，其用在用于加工岩石和混凝土中的至少一者的设备中，本发明还涉及包括这种冲击机构的用于凿岩和破碎的设备，以及涉及用于起动该冲击机构的方法。

背景技术

用于岩石或混凝土加工的设备具有敲击、旋转以及敲击的同时进行旋转的各种功能。众所周知，作为这种设备的部件的冲击机构被液压地驱动。安装成在机器壳体中的缸膛内运动的汽锤活塞则承受交变压力，由此实现汽锤活塞在缸膛中的往复运动。交变压力最常见通过独立的切换阀获得，独立的切换阀通常是滑动式的并且由缸膛中的汽锤活塞的位置控制，切换阀将形成在汽锤活塞与缸膛之间两个驱动腔中的至少一者通过通常为液压流体的承压的驱动流体交替地连接至机器壳体中的线路和用于机器壳体中的驱动流体的排出线路。这样，产生了周期性交变压力，该周期性交变压力具有与冲击机构的冲击频率相对应的周期。

制造无滑动液压冲击机构，有时也称为“无阀”机构，也是众所周知的，并且已经超过了30年。替代具有独立的开关阀，无阀冲击机构中的汽锤活塞也以下述方式在缸膛中的活塞的运动过程中通过打开和关闭承压的驱动流体的供应和排出执行切换阀的工作：根据上述说明向由汽锤活塞的驱动部分隔开的两个驱动腔中的至少一个提供交变压力。如上工作的前提是，布置在机器壳体中的用于腔的增压和排出的通道通向缸膛内使得开口以下述方式分被隔开：在活塞的往复运动过程中，不在任何位置产生供应通道与排出通道之间的直接短路连接。供应通道与排出通道之间的连接通常仅通过间隙密封呈现，间隙密封形成在驱动部分与缸膛之间。另外，由于驱动流体在没有实施任何有用工作的情况下允许从高压泵直接通向箱，所以产生大量损失。

为了使活塞能够从驱动腔的用于排出的通道关闭的时刻直到用于同一驱动腔的增压的通道打开的时刻连续地运动，或者反之亦然，需要驱动腔中的压力由于容积的变化而慢慢地改变。这可以通过将至少一个驱动腔的容积制成大于传统的滑动式冲击机构的常规容积实现。

由于通常使用的液压流体具有低可压缩性，所以容积需要很大。我们将可压缩性K定义为体积的相对变化与压力的变化的比：K=（dV/V）/dP。但是，通常使用压缩模量β作为可压缩性的度量值。其为上述定义的可压缩性的倒数，即β=dP/（dV/V）。压缩模量的单位是帕斯卡。上述给定的定义将贯穿在此文献中使用。

容积必须足够大以使得腔中的压力在腔承受容积变化的过程中，在汽锤活塞朝向通道的开口运动来用于腔的增压过程中，不足以在通道打开之前使活塞的运动反向。

SU1068591A示出了根据上驱动腔中具有交变压力和下驱动腔中具有恒定压力的原理的无阀液压冲击机构，下驱动腔即最接近工具的连接处的腔。SU1068591A提出的目标是通过引入直接作用于压力交变的腔的非线性蓄能器系统来提高效率。这示出了两个独立的气体蓄能器，其中一个气体蓄能器具有高的充气压力，另一个气体蓄能器具有低的充气压力。

无阀机器的一个常见问题在于，难以激发活塞的自振动。汽锤活塞旨在当连接系统压力时采取平衡位置，而不是开始自振动。一种传统的起动方法是在短的时间段内手动地交换冲击机构的压力连接器和返回连接器。已知没有恒定可靠的方法，并且此类型的机器通常遭遇起动问题。这些起动问题以随机的方式部分地发生，并且部分地与例如液压泵的替换和环境的随后变化相关。

本发明的目的及其最重要的区别特征

本发明的一个目的是示出提供显著改进起动性能以及减少存在问题的起动操作的次数的机会的无阀液压冲击机构的设计，并且示出起动装置和用于无阀液压冲击机构的起动的方法，还示出了包括根据本发明的液压冲击机构的凿岩设备。这根据独立权利要求中给出的说明得以实现。另外的有利的实施方式在从属权利要求中进行描述。

我们的调查已经显示，起动过程中的问题可能由于活塞在液压无阀冲击机构的初始增压过程中沿朝向第二腔的方向被驱动直到在该腔中开始建立压力为止。活塞然后改变方向并且继续运动直到返回线路通向第二腔中为止。该腔然后排出流体直到达到压力平衡，活塞在返回线路的边缘处在平衡位置保持静止。

已经示出，如果在操作过程中恒定地连接至系统压力或冲击机构压力的第一驱动腔与在操作过程中具有交变压力的第二驱动腔之间的连接在初始起动的过程中即当机器增压时在短时间内建立，那么起动可靠性显著地增加。看起来，两个腔的短持续时间的连接产生了腔中的压力之间的不平衡以及由此产生了作用在活塞上的力的不平衡。活塞由此设定成自振动。只要保持连接，该自振动以有限的振幅持续，但是在该连接关闭之后达到完全振幅。

进一步有利地，如果在下列事件中的至少一个已经发生之后，覆盖连接首次建立：第一腔中的压力超过平衡压力；第一腔中的压力超过完全系统压力的60%或可替代地70%；第一腔中的压力超过150bar；已经达到初始增压的起动之后活塞达到平衡位置所需的时间；从最初增压的起动已经过去0.4秒；已经检测到活塞处于其平衡位置。

当起动装置打开两个腔之间的连接时，由于仍未连接的第二腔充满承压的液压流体，因此到目前为止已经建立的冲击机构压力发生下降。

进一步有利地，如果连接保持打开直到冲击机构压力的这种临时下降结束为止。这可能通过压力的测量或通过时间的控制发生。已经证明，控制至少0.2秒的持续时间的情况是合适的。但是，在0.3至1.0秒的间隔中的持续时间是优选的。

实现此目的的一个装置可以是起动阀，起动阀是液压释放阀的形式，当液压释放阀提供有具有提高压力的驱动流体时，液压释放阀打开自动延迟一段时间，并且随后在一段延迟后自动关闭。

这种阀可以构造有具有可调整的弹簧张力的复位弹簧，可调整的弹簧张力作用在阀活塞上以便限定阀的打开压力，以及阀构造有多个节流阀或可替代地可变节流阀，以便调节阀的打开时间。该阀将在结合附图的下文中进行具体描述。

附图说明

图1示出无阀液压冲击机构的原理的简图，无阀液压冲击机构在活塞以下，即在面对能够被连接的工具的一侧上，具有恒定压力，以及在活塞的上表面上具有交变压力。

图2示出如图1中的原理的简图，其中起动装置设计在上驱动腔与下驱动腔之间的通道中。

图3以截面示出本发明的实施方式。无阀液压冲击机构的原理部分在左侧示出，释放阀形式的起动装置在右侧示出，还用虚线示出承压的液压流体如何供应。

图4示出被称为“边缘节流阀”的节流阀的实施方式。

图5示出释放阀形式的根据本发明的起动装置的实施方式。

图5a示出在所连接的压力已经达到用于阀的打开的预设水平之前处于其关闭状态的阀。

图5b示出处于阀的脉冲状态即当阀短时间内打开以便允许承压的液压流体通过阀时的阀。

图5c示出在起动程序本身已经完成之后处于关闭状态的阀。只要阀承压地保持，一旦达到某状态就保持此状态。

具体实施方式

下文将参照附图，对本发明的多个设计作为示例进行描述。保护范围不认为限制于这些实施方式；相反，保护范围由独立权利要求限定。在从属权利要求中对有利的实施方式进行描述。

图1中示出还被称为“无滑动”机构的液压无阀冲击机构的原理。缸膛布置在机器壳体105中，汽锤活塞110安装在所述缸膛中使得汽锤活塞110能够在该缸膛内轴向运动。汽锤活塞包括由驱动部140分隔开的两个驱动表面115、120，驱动部140具有大于汽锤活塞的相邻部分的直径。当承压的流体已经连接至冲击机构时，驱动表面承受对应于流体中的压力乘以驱动表面的面积的力。作用在驱动表面115上的力旨在将汽锤活塞110向右驱动，驱动表面120上的力将汽锤活塞向左和朝向能够被连接用于岩石或混凝土的加工的工具驱动。汽锤活塞冲击到钎尾150上，钎尾150继而冲击到工具（未示出）上。钎尾还包括键槽或嵌齿，用于与旋转单元（未示出）相互作用使得对着岩石或混凝土的连续冲击不应该冲击在相同的点上。在其平衡状态下，承压的流体连接至压力线路155，并且返回线路165连接至低压源或直接连接至液压箱135，目的是使汽锤活塞在缸膛中执行往复运动，并且因此每循环一次地通过钎尾150冲击在工具上。在该往复运动中，汽锤活塞的驱动部打开和关闭第一小驱动腔160与第二大驱动腔125之间的连接通道130。驱动部140将以相同方式打开和关闭返回通道165与第二驱动腔125的连接。第二驱动腔与连续地连接至第二驱动腔的工作容积（如图1和图2中的椭圆所示）具有远大于第一腔的有效容积的有效容积。工作容积可以以除图1和图2中示出的方式之外的多种不同方式进行设计并且连接至第二驱动腔。工作容积可以设计成例如在机器壳体中围绕缸膛同轴地定位的腔室。重要的是，其连续地连接至第二驱动腔，即在整个冲程循环过程中没有间断。

为了在驱动部140已经关闭与返回通道165的连接之后汽锤活塞110在交变压力下借助于其动能足够远地运动进驱动腔125中，使得能够打开供应通道130与腔125之间的连接，该腔需要具有足够大的容积使得由现在已被封闭在腔内的油的容积被活塞压缩产生的腔中的压力的增加不会太大以至于在供应通道130通向腔之前活塞反转其方向，使得压力能够升高至完全的冲击机构压力，并且活塞以此方式沿相反方向被驱动。为此，驱动腔连接至工作容积（如椭圆所示）。由于在驱动腔与工作容积之间的该连接在整个冲程循环中被保持，因此我们将驱动腔的容积和工作容积的总和表示为“有效驱动腔容积”。

功能性设计涉及用于250bar的系统压力的3升有效驱动腔容积、200焦耳的冲击能、5kg的汽锤活塞重量、6.4cm²的第一驱动表面115的面积、以及16.5cm²的第二驱动表面120的面积。70mm的驱动部的长度和供应通道130与返回通道165之间的45mm的距离用于其与缸膛的相关的连接处的第二驱动腔125。

除了在活塞的一侧上的恒定压力和在另一侧上的交变压力的该类型的无阀冲击机构之外，还具有在汽锤活塞的两侧上的交变压力的变形。

这些类型的冲击机构的常见问题是，起动程序不可靠。当连接压力时或者当压力开始蓄积时，最初在155处的活塞向右运动。活塞首先关闭返回线路165，随后打开从第一驱动腔至第二驱动腔的连接130。第二驱动腔125中的压力因此上升直到活塞反转其运动为止。返回连接165然后在此刻再次打开并且第二腔中的压力下降。因此，活塞将再次反转其运动，并且向右运动。问题似乎在于，由于活塞立即或在几个循环之后变得静止在图1中示出的位置中，其中，第二驱动表面120平衡在返回线路165的边缘处，并且由于保持在第二驱动腔125中的平衡压力，使得起动程序失效。这意味着相等的力通过两个驱动表面115、120沿两个方向作用在活塞上。

图2示出能够被打开的连接如何建立在两个驱动腔160、125之间。该连接不取决于活塞在缸膛中的位置，而是仅取决于起动装置180的状态。

重要的是，在冲击机构的最初增压过程中，起动装置180建立连接，以及起动装置设置在下述状态中：能够在整个冲程循环过程中不中断的情况下保持连接。

有利的是，起动装置在初始增压过程中自动地起作用，仅由连接至冲击机构的压力控制。

还有利的是，仅当第一腔160处的压力超过平衡压力即第二腔125中的压力时，起动装置打开腔之间的连接，其中，活塞上的来自设置承压的驱动表面的力在两个方向上相等。

还有利的是，仅当第一驱动腔中的压力超过完全冲击机构压力的60%时，起动装置布置成打开驱动腔之间的连接。驱动机构压力通常与系统压力相同。

测量压力的设备可以安装在第一腔160或第一通道155中，以确定这些压力相关的打开标准，根据来自测量压力的该设备的信号开始打开。信号可以是流体信号或电信号。然后，起动装置180是压力控制阀或电控制阀。

有利的是，作为可替代方案，起动装置的打开还取决于自从冲击机构的增压开始已经过去的时间。

起动装置的打开的另一替代方案可以是，其取决于汽锤活塞110在缸膛中的位置。这需要设置成用于定位活塞在缸膛中的位置的用于测量位置的装置。

有利的是，起动装置的打开在第一驱动腔中或供给压力的通道中的压力已经达到完全冲击机构压力或系统压力之前已经发生。

进一步有利的是，腔之间的连接保持打开直到压力已经达到与其在连接打开之前所具有的相同水平为止。测量压力的设备能够用于这种情况。

还有利的是，连接保持打开持续至少0.2秒，优选地持续时间在0.3-1.0秒的间隔中。

特别有利的是，起动装置包括液压释放阀。

液压释放阀380应当包括用于仅在阀的初始增压过程中建立进口383与出口384之间的短持续时间连接的装置。

承压的液压流体通过一个或多个节流阀382到达控制口381。节流阀用作向控制口提供受限的流动并且因此影响在从图5a中示出的第一端部位置向图5c中示出的最终第二端部位置运动的释放阀的活塞387的速度的目的。该节流阀可以是如图4中所示的边缘节流阀。适当地，开口的直径是0.5mm。一个或多个这种节流阀可以串联安装从而影响来自释放阀的脉冲的长度。不必使用超过六个以便获得所需脉冲长度。可替代方案具有如图3中所示的可调节流阀。

当承压的驱动流体达到控制口381时，驱动流体在阀活塞387处冲击第一小驱动表面。阀活塞然后向右运动，并且在一小段距离后，通向第二大驱动表面392的连接在阀活塞处打开。力现在增大并且阀活塞的速度增大。

通过阀活塞的外周中的环形轨道393，连接在进口383与出口384之间短暂地打开，如图5b中所示。当阀活塞继续向其第二端部位置运动时，该连接关闭，如图5c中所示。只要冲击机构承压地保持，阀活塞就保持在该第二端部位置中。当冲击机构压力释放时，阀活塞由复位弹簧394压回至其第一端部位置。复位弹簧中的弹力可以由弹簧张紧器395进行调整，弹簧张紧器395与阀壳体385螺纹连接。

将第一阀活塞驱动表面391与第二阀活塞驱动表面392之间的过度部分设计成圆锥桩，圆锥桩在其第一端部位置处与阀壳体385中的圆锥座形成密封。该桩可以设置有用于O形环密封件398的轨道。

如果桩的小端直径是7.5mm，则弹簧力的适当的设定是630N。由此实现了当已经达到足够的冲击机构压力时，阀首先打开。

有利的是，为了避免装入的流体量将能够不利地影响打开时机，在阀活塞恢复其如图5a中示出的第一端部位置之前，围绕阀活塞的驱动表面的隔室被排出。为此，具有排出口390，第二排出通道389将排出口与阀壳体中的缸膛连接。

另外，阀活塞本身设置有第一排出通道388，第一排出通道388不仅通向第一驱动表面或第二驱动表面中或者开在连接这些驱动表面的覆盖表面中，而且还开在阀活塞的覆盖表面中，优选地在阀活塞的覆盖表面中为环形轨道的形式。

以类似的方式有利地，将隔室的排出口布置在阀活塞的另一侧上，即复位弹簧作用的一侧。这能通过排出通道396和397实现。

液压释放阀能够完全集成到冲击机构的机器壳体105；205中或者可以设计成能够连接至冲击机构的独立单元。

适当地，根据本发明的冲击机构包含在凿岩机中。这可以包括例如除冲击机构外的旋转单元。

根据上述说明的凿岩机能够设置在凿岩钻机上以便在加工岩石或混凝土的过程中定位和对准凿岩机。

根据本发明的冲击机构可以以相同方式集成到液压破碎机中，液压破碎机继而可以安装在凿岩钻机或挖掘机中。

Claims (20)

1.一种液压无阀冲击机构，其用在用于加工岩石和混凝土中的至少一者的设备中，所述液压无阀冲击机构包括具有缸膛的机器壳体（105；205）和可运动活塞（110；210），所述可运动活塞（110；210）安装在所述缸膛中并且设置成在操作过程中执行相对于所述机器壳体的重复的往复运动，由此直接或间接地对着工具传输冲击，所述工具能够连接至用于加工岩石和混凝土中的至少一者的所述设备，其中，所述活塞包括将第一驱动腔（160；260）和第二驱动腔（125；225）分隔开的驱动部（140；240），所述第二驱动腔具有大于形成在所述活塞与所述机器壳体之间的所述第一驱动腔的容积的有效容积，所述这些驱动腔布置成使得所述驱动腔在操作过程中包括承压的液压流体，以及，所述机器壳体还包括第一通道（155；255）、第二通道（165；265）和第三通道（130；230），所述第一通道（155；255）通向所述缸膛中并且布置成使得当处于操作中时，在整个冲程循环中，所述第一通道（155；255）以基本恒定的压力比如系统压力向所述第一驱动腔连续地供应液压流体，所述第二通道（165；265）布置成使得所述第二通道（165；265）根据所述活塞在所述缸膛中的位置以循环方式将所述第二驱动腔（125；225）与返回压力连接，例如直接通向可连接的液压流体箱（135），所述第三通道（130；230）布置成使得所述第三通道（130；230）根据所述活塞在所述缸膛中的位置以循环方式将所述第二驱动腔与所述第一驱动腔连接，其中，所述第三通道（130；230）在所述第一通道与所述第二通道的通向所述缸膛的对应开口之间通向所述缸膛中，其特征在于，所述冲击机构还包括起动装置，所述起动装置设置成在所述冲击机构的初始增压过程中，在短持续时间内产生所述第二驱动腔与所述第一驱动腔之间的连接，其中，所述连接能够在一个完整的冲程循环过程中保持，以便由此将所述活塞设定成自振动并且避免所述活塞在平衡位置变成静止，在所述平衡位置中，第二驱动表面（120；220）处于所述第二通道（165；265）的边缘处，所述第二驱动腔（125；225）中具有平衡压力的液压流体，其中，所述平衡压力等于所述冲击机构压力乘以面对所述第一驱动腔（160；260）的第一驱动面积（115；215）与面对所述第二驱动腔（125；225）的第二驱动面积（120；220）之间的比值。

2.根据权利要求1所述的液压冲击机构，其中，所述起动装置在所述初始增压过程中自动地起作用并且仅由连接至所述冲击机构的压力控制。

3.根据权利要求1或2所述的液压冲击机构，其中，所述起动装置布置成仅当所述第一腔中的压力超过至少所述平衡压力时打开所述驱动腔之间的连接。

4.根据前述权利要求中任一项所述的液压冲击机构，其中，所述起动装置布置成仅当所述第一腔中的压力超过完全系统压力的60%时打开所述驱动腔之间的连接。

5.根据权利要求1所述的液压冲击机构，其中，所述起动装置布置成在所述初始增压开始之后，在对应于所述活塞实现所述平衡位置所需的时间的时间段之后尽早打开在所述驱动腔之间的连接。

6.根据权利要求1所述的液压冲击机构，其中，所述起动装置布置成在所述初始增压开始之后最早0.4秒打开所述驱动腔之间的连接。

7.根据权利要求1所述的液压冲击机构，其中，所述起动装置布置成仅当所述活塞已被检测到处于其平衡位置时打开所述驱动腔之间的连接。

8.根据前述权利要求中任一项所述的液压冲击机构，其中，所述起动装置布置成在所述第一驱动腔（160；260）或所述第一通道（155；255）中的压力已经达到系统压力之前打开所述连接（175）。

9.根据前述权利要求中任一项所述的液压冲击机构，其中，所述起动装置布置成保持所述驱动腔之间的所述连接打开，直到所述冲击机构压力已经达到与其在所述连接被打开之前一刻所具有的相同水平为止。

10.根据权利要求1至8中任一项所述的液压冲击机构，其中，所述起动装置布置成保持所述驱动腔之间的所述连接打开持续至少0.2秒。

11.根据前述权利要求中任一项所述的液压冲击机构，其中，所述起动装置由液压释放阀构成。

12.一种用于液压无阀冲击机构的起动的液压释放阀（380），所述释放阀包括具有阀缸膛（386）的阀壳体（385）和安装成在所述阀缸膛中运动的阀活塞（387），所述阀活塞（387）布置成使得当处于非增压状态时处于第一端部位置（图5a）以及在增压操作之后从所述第一端部位置运动至第二端部位置（图5c），其特征在于，所述阀活塞（387）包括在所述阀活塞从所述第一端部位置向所述第二端部位置运动的过程中（图5b）在短持续时间内连接进口（383）与出口（384）的装置（393）。

13.根据权利要求12所述的液压释放阀，包括产生可调整的抵消力的装置（394、395），所述可调整的抵消力沿朝向所述第一端部位置的方向作用在所述阀活塞上。

14.根据权利要求12至13中任一项所述的液压释放阀，其中，所述阀活塞包括第一驱动表面（391），所述第一驱动表面（391）布置成使其与作用在所述第一驱动表面（391）上的承压的液压流体一起在所述抵消力已被克服时朝向所述第二端部位置驱动所述阀活塞，所述阀活塞（387）还包括第二驱动表面（392），所述第二驱动表面（392）布置成在朝向所述第二端部位置的运动已经开始之后才保持与承压的所述液压流体连接。

15.根据权利要求14所述的液压释放阀，其中，所述阀活塞还包括第一排出通道（388），所述第一排出通道（388）不仅通向所述第一驱动表面或所述第二驱动表面中的一个，或者通向连接这些驱动表面的桩（398）的覆盖表面，而且通向所述阀活塞的覆盖表面，所述第一排出通道（388）布置成使其在所述活塞的运动过程中在短持续时间内连接至所述阀壳体中的第二排出通道（389）。

16.根据权利要求11所述的液压冲击机构，其中，所述释放阀根据权利要求12至15中任一项进行设计。

17.根据权利要求11或16所述的液压冲击机构，其中，所述释放阀具有由一个或多个节流阀控制的打开时间，所述一个或多个节流阀布置成限制旨在打开所述释放阀的承压的液压流体流。

18.一种凿岩机，包括根据权利要求1至11或16至17中任一项所述的液压冲击机构。

19.一种凿岩钻机，包括根据权利要求18所述的凿岩机。

20.一种用于无阀式液压冲击机构的起动的方法，包括下列步骤：

-使所述液压冲击机构与承压的液压流体接触，

-当所述液压冲击机构中的第一驱动腔（160；260）中的压力已被允许升高至完全系统压力的至少60%时，或者当从所述第一驱动腔的增压开始已经过至少0.4秒时，在短持续时间内打开具有所述冲击机构中的高压的所述第一驱动腔与具有低压的第二驱动腔之间的连接（175），

-在所述冲击机构的至少一个完整的冲程循环过程中，所述连接保持连续地打开，并且优选地持续至少0.2秒的时间段。

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