CN103459095B - 用于岩石和混凝土加工的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于在岩石和/或混凝土切割设备中应用的液压敲击工具，其包括具有气缸（115、215）的机器壳体（100、200）和可动安装活塞（145、245），可动安装活塞在操作期间执行相对于机器壳体（100、200）的重复的前后运动并且直接或间接地敲击岩石和/或混凝土切割工具（155、255），其中活塞（145、245）包括将形成在活塞（145、245）与机器壳体（100、200）之间的第一驱动腔（120、220）和第二驱动腔（105、221）分隔开的驱动部分（165、265），以及这些驱动腔布置成在操作期间包括加压工作流体。第一和第二驱动腔的总容积V与用于敲击工具的推荐最大压力p的平方成反比，以及与对着工具敲击期间的活塞能量E和工作流体的压缩模量β的乘积成正比，其比例常数k在5.3-21.0的区间内。

Description

用于岩石和混凝土加工的装置

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，该类型的液压冲击机构用在用于加工岩石和混凝土中的至少一者的设备中以及用在包括这种冲击机构的用于凿岩和破碎的设备中。

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。众所周知的是作为这些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。交变压力最通常通过独立的切换阀获得，独立的切换阀通常为滑动类型并且由汽锤活塞在汽缸膛中的位置控制，可替代地将形成在汽锤活塞与汽缸膛之间的两个驱动腔中的至少一个连接至具有通常为液压流体的承压的驱动流体的机器壳体中的管线，以及连接至用于机器壳体中的驱动流体的排出管线。这样，产生了周期性交变压力，该周期性交变压力具有对应于冲击机构的冲击频率的周期。

还已知并且已知超过30年，制造无滑动液压冲击机构，有时也称为“无阀”机构。不同于具有单独的切换阀，在活塞在缸膛中运动使得将根据以上描述的交变压力给予由汽锤活塞的驱动部分分隔开的两个驱动腔中的至少一个期间，无阀冲击机构中的汽锤活塞通过打开和关闭承压驱动流体的供给和排出，也执行了切换阀的工作。如此工作的前提是，布置在机器壳体中的用于腔的加压和排出的通道开启至缸膛中使得开口分开，以使在活塞的往复运动期间在任何位置处均不会引起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形成在驱动部分与缸膛之间的间隙密封部存在。否则将会引起大量损失，这是由于将会容许驱动流体在未执行任何有用工作的情况下从高压泵直接经过至油箱。

为了使活塞能够从驱动腔的用于排出的通道关闭的时刻起继续其运动直至用于同一驱动腔的加压的通道开启的时刻，或反之亦然，需要使由容积的变化导致的驱动腔中的压力慢慢地变化。这可以通过将至少一个驱动腔的容积制造成相对于用于传统的滑动类型的冲击机构的正常容积较大来实现。需要使容积较大，这是由于通常所使用的液压流体具有低的可压缩性。我们将可压缩性k定义为容积的相对变化与压力的变化之间的比率：k＝(dV/V)/dP。但是，更普遍的是将压缩模量β用作压缩性的计量值。压缩模量β是如上定义的可压缩性的倒数，即，β＝Dp/(dV/V)。压缩模量的单位为帕斯卡。整个本文献中将使用以上给出的定义。

US4282937展示了具有两个驱动腔的无阀液压冲击机构，其中压力在这两个腔中交变。两个驱动腔均具有穿过其的大的有效容积，两个驱动腔布置成与靠近缸膛的容积永久地连接。以此方式展示出的该现有技术的一个缺点在于，假定与具有切换阀的传统的冲击机构相比一个运动部分已被移除，则被证明是带来了极低的效率。在本文献中，除非另有说明，我们将“效率”定义为液压效率，即活塞的冲击动力除以供应到液压泵的动力。

SU1068591A展示了根据第二原理的无阀液压冲击机构，也就是说，交变压力位于上部驱动腔中，恒定压力位于下部驱动腔中—即位于最靠近工具的连接部的腔中。本文旨在通过引入相对于压力在其中交变的腔而直接工作的非线性蓄能器系统来提高效率。其示出为具有两个单独的气体蓄能器，其中一个气体蓄能器具有高的补偿压力，另一个气体蓄能器具有低的补偿压力。

被强制引入直接作用在压力在操作期间以冲击频率在完全冲击机构压力与低返回压力之间交变的腔上的蓄能器的一个缺点是，由于蓄能器中的运动部分受到严重磨损，使得保养周期变得更短。

发明的目的及其重要区别特征

本发明的一个目的是示出一种无阀液压冲击机构的设计，该无阀液压冲击机构提供提高效率的机会、同时不会减小保养周期。这通过本申请中所描述的方式来实现。在本申请中描述了其它的有利实施方式。

我们将驱动腔的有效容积定义为在一个冲程循环期间具有交变压力的驱动腔容积的总和，包括在完整的冲程循环期间与一个且是同一个驱动腔持续地连接的容积。已经证实的是，根据以上给出的定义的驱动腔的有效容积对于冲击机构的相对于无阀冲击机构的效率而言是至关重要的。当然，存在多种影响效率的因素，例如间隙密封部的游隙和长度、轴承中的摩擦等等。但是无论这些游隙和轴承如何设计，不可能在不正确地适配驱动腔的有效容积的情况下获得所需的效率。

影响驱动腔的相对于效率的最佳有效容积的因素为：所使用的冲击机构压力、驱动介质的可压缩性以及活塞冲击工具或冲击与工具相互作用的部分的能量。更精确地，驱动腔的有效容积受到的影响与冲击机构压力的平方成反比，并且与驱动介质的有效压缩模量和汽锤活塞在其冲击工具或冲击与工具相互作用的部分—例如已知为“适配器”的部分—时的能量的乘积成正比。

通过等式V＝k*β*E/p²可以表达出该关系，其中V是有效驱动腔容积(我们用有效驱动腔容积来表示两个驱动腔的容积的总和，包括在完整的冲程循环期间与一个且同一个驱动腔持续地连接的容积)。在交变压力存在于驱动腔中的仅一个中的情况下，该腔的容积相比于具有恒定压力的腔的容积通常是完全占主导的。然后能够将有效驱动腔容积视为仅仅是具有交变压力的驱动腔的容积加上与该驱动腔持续地连接的容积。等式中的β如同其之前所定义的，构成驱动介质的有效压缩模量。如果驱动介质由每个组分均具有独立的可压缩性的多个组分构成，那么将有效压缩模量计算成压力变化与容积的相对变化之间的结果比率。图3表示出关于具有不同水平的空气含量的液压流体的β值。图3采用液压工程和气动工程中的等式集合，并且因此构成了现有技术。对本领域技术人员来说明显的是，当流体的空气含量为零时，β＝1500+7.5p兆帕。如在例如SU1068591A中所描述的，在气体蓄能器直接连接到有效容积的情况下，这些气体蓄能器的容积也包括在有效容积的计算中。因此，这些气体蓄能器中存在的已有气体—通常由氮气构成—的容积将包括在有效压缩模量的计算中。在此情况下合适的是，当冲击机构处于其静止状态时—即通常在冲击机构起动之前所具有的状态时，使用蓄能器的气体容积。此处所述的气体蓄能器不应与通常连接到用于冲击机构的供应线和返回线的气体蓄能器相混淆。后者的这种蓄能器仅间歇性地连接到驱动腔，并且因此不包括在有效容积或有效压缩模量的计算中。

此外，E表示活塞在其与工具或和工具相互作用的部分相冲击之中的冲击能量。最后，p是所使用的冲击机构压力。冲击机构压力通常介于150与250bar之间。最后，k为比例常数，很明显地，其最适于介于7.0＜k＜9.5的区间内，但是在更大的区间6.2＜k＜11.0中且甚至达到区间5.3-21.0，能够实现有关效率的良好效果。

当已经根据以上描述为容积设定尺寸时，在有效驱动腔容积由非弹性材料的壁限定的情况下，即当驱动介质由纯流体或已经与一定程度的气体混合的流体构成时，同时相比较地没有持续地直接连接到驱动腔的气体蓄能器时，能够实现超过75％的效率。能够实现该效率而不需要位于活塞与缸膛之间的极低的游隙，并且因此没有随后的对所使用的制造精密性需求的极高要求。适当的游隙可以为0.05毫米。这种形式的冲击机构是所有冲击机构中给予最长的保养周期的冲击机构，这是由于其包括极少的运动部分。

如果气体蓄能器持续地连接到驱动腔并且由此如上所述地包括在有效容积的计算中，则能够实现非常小的有效驱动腔容积。此外，如果具有不同规格的两个气体蓄能器连接到一个并且是同一个驱动腔，使得一个气体蓄能器预先充有高气压—即等于冲击机构压力或系统压力，另一个气体蓄能器预先充有低气压—通常为大气压力，则能够在冲击机构中获得甚至更高的效率。当发生了之前所描述的为容积设定尺寸时，能够以如前所述的相同大小的游隙实现超过85％的效率。在此情况下也通过没有将容积制造的比所需要的更大增加了保养周期。对于蓄能器的薄膜的运动的需要能够因此减小。

一种优选实施方式构成冲击机构，其中驱动腔中的一个的容积(我们将该容积称为如上文所定义的有效容积)远大于第二驱动腔的容积，即第二驱动腔的容积是可忽略的，例如为第一驱动腔的容积的20％或更小，并且其中在完整的冲程循环期间更小的驱动腔具有基本恒定的压力。该腔中的恒定压力通常是通过使腔在完整的冲程循环期间、或者至少是在基本完整的冲程循环期间连接到恒压源来实现的，最通常地是直接连接到系统压力源或可替代地连接到冲击机构压力源。

上文已经描述的类型的冲击机构可以是用于岩石和混凝土中的至少一者的加工的设备的集成式部件，上述设备比如为凿岩机或液压破碎机。这些机器或破碎机在操作期间应当最经常地安装到承载体上，承载体可以包括用于使这些机器或破碎机与用于对着待加工的岩石或混凝土元件喂送凿岩机或破碎机的装置对准并定位的装置、以及用于控制并监测该过程的装置。这种承载体可以是凿岩钻机。

附图说明

图1示出在驱动腔中具有交变压力的无阀液压冲击机构的原理的简图，其中交变压力不仅存在于活塞的上表面上而且也存在于活塞的下表面上。

图2示出用于相应的冲击机构的原理的简图，其中交变压力仅存在于一个表面上，第二表面上具有恒定压力。

图3示出实际上已知的用于计算对于由气体和液压流体构成的压力介质的有效压缩模量的示意图。

图4示出根据图2的冲击机构，其中汽锤活塞位于四个不同位置处：A-制动在上部位置处开始；B-上部转向点；C-制动从下部位置处开始；D-下部转向点。

具体实施方式

以下将参照附图来描述本发明的作为示例的多种设计。本发明的保护范围不应被视为限制于这些实施方式，相反地，本发明的保护范围由权利要求限定。

图1示意性地示出液压冲击机构，其中交变压力不仅位于活塞的上表面上并且也位于活塞的下表面上。

以类似的方式，图2和图4示出在整个冲程循环中在活塞的下表面上—即在最靠近工具155、255定位的表面上—具有恒定液压力以及在冲程循环期间在活塞的上表面上具有交变压力的冲击机构，其中汽锤活塞将冲击能量传递至工具155、255上。

具有冲击机构压力的液压流体通过供应通道140、240供应到冲击机构，冲击机构压力通常介于150-250bar的区间之内。系统压力—即液压泵传递的压力—通常等于冲击机构压力。

液压流体设定成通过返回通道135、235与液压油箱连接，其中油在液压油箱中通常具有大气压力。

汽锤活塞145、245在机器壳体100、200中的缸膛115、215中执行往复运动。汽锤活塞包括将第一驱动区域130、230与第二驱动区域110、210分隔开的驱动部分165、265。作用在这些驱动区域上的压力使得活塞在操作期间执行往复运动。活塞由活塞引导体175、275径向地控制。为了避免连接线中的脉动，气体蓄能器180、280以及185、285可以分别布置在供应通道140、240以及返回通道135、235上，所述气体蓄能器使压力的快速变化趋于平稳。

为了使汽锤活塞145、245能够在驱动部分165、265已经关闭通向返回通道135、235的连接之后利用交变压力、借助于其动能而足够远地运动到驱动腔120、220、221内，以便能够开启供应通道140、240与腔120、220、221之间的连接，需要腔具有足够大的容积，使得腔中的压力增加—压力增加是由活塞对现在已被包围在腔内的流体的体积进行压缩引起的—不会大到使得活塞在供应通道140、240已经开启到腔内之前反转其方向，使得压力现在能够升高到完全冲击机构压力并且使活塞以此方式沿相反的方向被驱动。出于该目的，驱动腔连接到工作容积125、225、226。由于驱动腔与工作容积之间的这种连接在整个冲程循环中得以保持，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”。如本申请中之前已经描述的，已经证实的是该容积对实现高效率是至关重要的。

功能性设计包括：对于250bar的系统压力而言，有效容积为3升；冲击能量为200焦耳；汽锤活塞重量为5kg；第一驱动表面130的面积为16.5cm²；以及第二驱动表面110的面积为6.4cm²。驱动部分的长度为70mm，对于驱动腔120而言，供应通道与返回通道之间在其与缸膛的相应连接处的距离为45mm。

在冲击机构压力或系统压力为250bar的情况下，如图3中清楚地表示出的，β值等于1500+7.5×25＝1687.5兆帕。这些值与3升有效容积以及200焦耳冲击能量一起给出了作为示例的比例常数：

k＝(3·10^-3/200·1687.5·10⁶)·(250·10⁵)²＝5.55。

驱动腔容积以及尤其是具有其较大容积的工作容积可以以多种方式定位在机器壳体中。

有利地，使容积围绕缸膛对称地设置。

进一步有利地，使容积围绕缸膛同心地设置。

可能有利地，作为替代方案，使容积设置在缸膛的延长线上。

合适地，根据以上描述的原理的冲击机构集成在凿岩机中或替代地集成在液压破碎机中。

具有用于使这种凿岩机或液压破碎机定位并对准的设备的凿岩钻机应当包括根据本发明的至少一个凿岩机或至少一个液压破碎机。

Claims (12)

1.一种用在用于岩石和混凝土加工中的至少一者的设备中的液压冲击机构，包括具有缸膛(115、215)的机器壳体(100、200)和活塞(145、245)，所述活塞(145、245)安装成在所述缸膛内运动并且布置成在操作期间相对于所述机器壳体(100、200)执行重复的往复运动，并且由此将冲击直接或间接地传递到工具(155、255)上，所述工具(155、255)能够连接到用于加工岩石和混凝土中的至少一者的设备，其中所述活塞(145、245)包括将形成在所述活塞(145、245)与所述机器壳体(100、200)之间的第一驱动腔(120、220)和第二驱动腔(105、221)分隔开的驱动部分(165、265)，所述第一驱动腔和所述第二驱动腔布置成使其在操作期间包括承压的驱动介质，以及进一步地，所述机器壳体(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间包括所述驱动介质，在所述活塞(145、245)在所述缸膛(115、215)中运动期间，所述通道借助于所述活塞(145、245)来开启和关闭所述第一驱动腔和所述第二驱动腔中的一个驱动腔，使得所述第一驱动腔和所述第二驱动腔中的所述一个驱动腔获得周期性的交变压力，用于维持所述活塞的所述往复运动，所述通道的开口在所述缸膛(115、215)中的轴向位置以及沿着所述活塞部分的延伸方向开启和关闭的位置适配成沿着一定距离将所述第一驱动腔和所述第二驱动腔中的所述一个驱动腔保持为对存在于驱动腔中的驱动介质的供应和排出封闭，其中所述一定距离位于和所述活塞(145、245)的第一转向点相关的第一通道的开口与和所述活塞(145、245)的第二转向点相关的第二通道的开口之间，并且所述活塞沿着所述距离的运动在所述第一驱动腔和所述第二驱动腔中的所述一个驱动腔的容积压缩或膨胀期间持续，所述容积已被进一步适配以便实现压力沿着所述距离的缓慢变化，其特征在于，所述第一驱动腔和所述第二驱动腔的有效容积V定义为在一个冲程循环期间具有交变压力的驱动腔容积的总和，包括在完整的冲程循环期间与一个且是同一个驱动腔持续地连接的容积，所述第一驱动腔和所述第二驱动腔的有效容积V已被设定尺寸成与用于所述冲击机构的最大压力p的平方成反比，并且进一步地与所述活塞对着所述工具(155、255)冲击的能量E和所述驱动介质的压缩模量β的乘积成正比，所述正比的比例常数为k，所述比例常数k具有在5.3-21.0区间内的值。

2.根据权利要求1所述的液压冲击机构，所述比例常数k位于6.2＜k＜11的区间内。

3.根据权利要求1所述的液压冲击机构，所述比例常数k位于7.0＜k＜9.5的区间内。

4.根据上述权利要求中任一项所述的液压冲击机构，其中，所述第一驱动腔和所述第二驱动腔中的第一驱动腔的容积显著大于第二驱动腔的容积。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的液压冲击机构，其中，所述第一驱动腔和所述第二驱动腔中的一个驱动腔在基本完整的冲程循环期间具有恒定的压力。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的液压冲击机构，其中，所述第一驱动腔和所述第二驱动腔被交替地设定在压力下。

7.根据权利要求1至3中任一项所述的液压冲击机构，其中，所述第一驱动腔和所述第二驱动腔的容积围绕所述缸膛(115、215)对称地延伸。

8.根据权利要求1至3中任一项所述的液压冲击机构，其中，所述第一驱动腔和所述第二驱动腔的容积围绕所述缸膛(115、215)同心地延伸。

9.根据权利要求5所述的液压冲击机构，其中，具有交变压力的所述第一驱动腔和所述第二驱动腔中的所述一个驱动腔在所述缸膛的延伸范围中延伸。

10.一种凿岩机，包括根据上述权利要求中任一项所述的冲击机构。

11.一种凿岩钻机，包括根据权利要求10所述的凿岩机。

12.一种液压破碎机，包括根据权利要求1至9中任一项所述的冲击机构。