CS226415B2 - Hydraulický vibrátor - Google Patents

Description

Vynález se týká hydraulického vibrátoru, to jest převodníku pro indukování kmitů v pružném médiu, zejména konstrukce převodníku pro generování seismických kmitů o poměrně vysokém kmitočtu v zemi.

Známé hydraulické vibrátory opatřené hnacími válci a předpěťovými válci jsou popsány v patentovém spisu USA č. 3 745 885. Vibrátor popsaný v tomto spisu je konstruován pro činnost v běžném kmitočtovém rozsahu 2 až 80 Hz. Jiný obdobný vibrátor je popsán v patentovém spisu USA č. 4 106 586.

Zde je popsán vibrátor, u něhož lze koncová pouzdra válce nastavovat mezi dvěma krajními polohami, což umožňuje zkracování nebo prodlužování hydraulického válce. Konstrukce hydraulického vibrátoru podle vynálezu je poněkud podobná konstrukci podle patentového spisu USA č. 3 745 885, je však navržena pro činnost v podstatně vyšším kmitočtovém pásmu s horním okrajem přesahujícím 250 Hz,

Konstrukce válce a reakčního tělesa hydraulického vibrátoru podle vynálezu umožňuje generovat značné síly v širokém rozsahu kmitočtů, přičemž faktorem omezujícím kmitočet je stlačitelnost hydraulické kapaliny v hydraulické soustavě, kterou je hydraulický vibrátor poháněn. Aby se dosáhlo vysokého vlastního kmitočtu soustavy, který je určen stlačitelností kapaliny a efektivní hmotností, musí se v rámci konstrukčních možností dosáhnout pokud možno vysokého poměru plochy hydraulického válce k objemu uzavřené kapaliny.

Uvedené nedostatky známého hydraulického vibrátoru, který sestává z rámu se svislou pístovou soustavou s oboustranně vystupující pístní tyčí, která sestává z hnacího pístu, horní pístní tyče vystupující z hnacího pístu, jejíž konec je spojen s rámem, a spodní pístní tyče, jejíž konec je připojen k rámu, přičemž kolem pístové soustavy je v obou směrech posuvně uloženo reakční těleso, ve kterém je kolem hnacího pístu vytvořen hydraulický hnací válec a uspořádáno předpěťové ústrojí, hydraulický hnací válec je prvními průchody v horní pístní tyči propojen se zdrojem hydraulické kapaliny pro přímočarý vratný pohyb reakčního tělesa vůči hnacímu pístu a v horní pístní tyči je vytvořen druhý průchod pro přívod konstantního tlaku ze zdroje hydraulické kapaliny do předpěťového ústrojí, odstraňuje hydraulický vibrátor podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že horní pístní tyč je kratší než spodní pístní tyč, která sestává z první části vystupující z hnacího pístu, ke které je rozebíratelně připojen druhý válcový úsek, který na spodní pístní tyči tvoří nahoru ob226413 ráčené osazení, přičemž předpěťové ústrojí sestává z dolů obráceného osazení vytvořeného pod hydraulickým hnacím válcem a nad nahoru obráceného osazení spodní pístní tyče.

Rozebíratelně připojený druhý válcový úsek spodní pístní tyče je opatřen válcovým pouzdrem uspořádaným na první části spodní pístní tyče.

První část spodní pístní tyče sestává z prvního válcového úseku, vystupujícího z hnacího pístu a druhého válcového úseku se zmenšeným průměrem, který vystupuje z prvního válcového úseku a jehož konec je připojen k rámu, přičemž válcové pouzdro je uspořádáno kolem druhého válcového úseku se zmenšeným průměrem a jeho vnější průměr přesahuje vnější průměr první části spodní pístní tyče.

Na vnější povrch prvního válcového úseku první části spodní pístní tyče u předpěťového ústrojí ústí druhý průchod, a první část spodní pístní tyče sestává z třetího válcového úseku a rozebíratelně připojený druhý válcový úsek spodní pístní tyče sestává z čtvrtého válcového úseku, jehož horní konec je připojen k třetímu válcovému úseku a jehož spodní konec je připojen k rámu, přičemž vnější průměr čtvrtého válcového úseku přesahuje vnější průměr třetího válcového úseku a vymezuje nahoru obrácené osazení.

Třetí válcový úsek a čtvrtý válcový úsek spodní pístní tyče jsou spolu spojeny svorníky a druhý průchod ústí na vnějším povrchu třetího válcového úseku spodní pístní tyče u předpěťového ústrojí.

Hydraulický hnací válec sestává z válcového pouzdra, ve kterém je posuvně uložen hnací píst a spodní konec a horní konec horní válcové vložky a spodní válcové vložky souosých s válcovým pouzdrem, jehož délka je měnitelná hloubkou zasunutí válcových vložek do válcového pouzdra.

Nový a vyšší účinek vynálezu spočívá v použití válce s poměrně velkou plochou a krátkým zdvihem a použití poměrně krátkých průchodů mezi hnacím válcem a servoventilem. Aby se dosáhlo krátké délky průchodů, je hnací válec uspořádán blízko servoventilu a hydraulický předpěťový válec je uspořádán pod hnacím válcem, to jest nikoli nad hnacím válcem, jak je popsáno v patentovém spisu USA č. 3 745 885. Kapalina s vysokým tlakem je přitom ze servoventilu do hnacího válce přiváděna pístní tyčí. Servoventil je uspořádán tak, že hlavní ventilové vřeteno je kolmé na osu pístní tyče, což zvyšuje stabilitu servoventilu. Ventil je přitom umístěn ve středu nebo blízko středu konce pístní tyče, což umožňuje zkrácení délky průchodů a také větší vyrovnání délek průchodů k protilehlým stranám válce.

Konstrukce hydraulického vibrátoru podle vynálezu kromě toho umožňuje měnit délku hnacího válce, což umožňuje měnit velikost zdvihu hnacího pístu uvnitř hnacího válce, a tím činnost hydraulického vybrátoru v různých kmitočtových rozsazích.

Vynález je dále objasněn na příkladu jeho provedení, který je popsán pomocí připojených výkresů, kde znázorňují obr. 1 řez hydraulickým vibrátorem podle vynálezu se schematickým znázorněním některých součástí a obr. 2 boční pohled na obměněné provedení soustavy pístních tyčí podle vynálezu.

Na obr. 1 je znázorněn hydraulický vibrátor 10 podle vynálezu.

Hydraulický vibrátor 10 sestává z rámu 12, který sestává z ploché horní sekce 18, prostřední sekce 20 ve tvaru komolého kužele a spodní sekce 22 ve tvaru dutého válce. Rám 12, sestavený z uvedených sekcí 18, 20, 22, tvoří tuhý plášť, spojující horní konec 30 horní pístní tyče 28 se základní deskou 14, která je současně pevně spojena se spodním koncem 34 spodní pístní tyče 32.

Svisle uspořádaná pístová soustava 24 uložená v reakčním tělese 44 sestává z hnacího pístu 26, horní pístní tyče 28 vystupující z hnacího pístu 26, jejíž horní konec je spojen s plochou horní sekcí 18, spodní pístní tyče 32 vystupující z hnacího pístu 26, jejíž spodní konec 34 je spojen se základní deskou 14. Spodní pístní tyč 32 sestává z první části 36 s prvním válcovým úsekem 37 vystupujícím z hnacího pístu 26 a ze zúženého druhého válcového úseku 38 vystupujícího z prvního válcového úseku 37. Spodní konec 34 spodní pístní tyče 32 se tedy nachází na spodním konci zúženého druhého válcového úseku 38 spodní pístní tyče 32. Kolem zúženého válcového úseku 38 spodní pístní tyče 32 je uspořádáno válcové pouzdro 40, které vytváří směrem nahoru obrácené osazení 42.

Reakční těleso 44 je uspořádáno posuvně v obou směrech podél pístové soustavy 24 a je v něm vytvořen axiální kruhový otvor s válcovým pouzdrem 48, které tvoří hydraulický hnací válec 46, ve kterém je uložen hnací píst 26. Konstrukce rámu 12, která již byla popsána, umožňuje úplné uzavření reakčního tělesa 44. Toto reakční těleso 44 je s výhodou konstruováno tak, že výška jeho těžiště nad základnou nepřesahuje polovinu minimálního vodorovného rozměru základní desky 14.

Hydraulický hnací válec 46 je tvořen válcovým pouzdrem 48, ve kterém je v obou směrech posuvně uložen hnací píst 26. Hydraulický hnací válec 46 je vymezen horní válcovou vložkou 50 a spodní válcovou vložkou 52, což je provedeno tak, že horní válcová vložka 50 má spodní zúžený konec 54, který souose zapadá do horního konce válcového pouzdra 48. Podobně horní zúžený konec 56 spodní válcové vložky 52 zapadá souose do spodního konce válcového pouzdra 48, takže tvoří horní konec 58 a spodní konec 60 hydraulického hnacího válce 46.

Délka 62 hydraulického hnacího válce 46 se může měnit nahrazením válcových vložek

6

50, 52 podobnými válcovými vložkami s odlišnými délkami zúžených konců 54, 56, které zasahují do válcového pouzdra 48. Tímto způsobem lze měnit možný zdvih hnacího pístu 26 uvnitř hydraulického hnacího válce 46, což umožňuje činnost hydraulického vibrátoru 10 v různých kmitočtových rozsazích. Při zvětšení délky zúžených konců 54, 56 se zmenší celkový objem kapaliny uvnitř hydraulického hnacího válce 46, čímž se zvětší horní kmitočtová hranice hydraulického vibrátoru 10, současně se však musí zmenšit přípustný zdvih tohoto hydraulického vibrátoru 10, aby se zabránilo narážení hnacího pístu 26 na tyto zúžené konce 54, 56. Zmenšení zdvihu se dosáhne omezením nejnižšího kmitočtu přenášeného hydraulickým vibrátorem 10.

Horní válcová vložka 50, válcové pouzdro 48 a spodní válcová vložka 52 jsou těsně uloženy uvnitř axiálního kruhového otvoru 64 vytvořeného v reakčním tělese 44. V tomto axiálním kruhovém otvoru 64 jsou pod spodní válcovou vložkou 52 uspořádány postupně předpěťová válcová vložka 66 a spodní válcová vložka 68. Zmíněná pouzdra a vložky jsou přidržovány horní přírubou 70 a spodní přírubou 72, které jsou k reakčnímu tělesu 44 připevněny svorníky 73, 75.

Předpěťová válcová vložka 66 reakčního tělesa 44 tvoří dolů obrácené osazení 74 nacházející se pod hydraulickým hnacím válcem 46 a současně nad nahoru obráceným osazením 42 spodní pístní tyče 32, takže mezi osazeními 42, 74 vzniká hydraulické předpěťové ústrojí 76.

V pístové soustavě 24 je vytvořen první kapalinový kanálek 78 a druhý kapalinový kanálek 80, které pístovou soustavu 24 procházejí axiálně a ústí na vnějším obvodu 82 horní pístní tyče 32, to jest v horní a spodní části hydraulického hnacího válce 46.

Horní konce kapalinových kanálků 78, 80 jsou propojeny s běžným servoventilem 86, který střídavě přivádí tlakovou hydraulickou kapalinu do těchto kapalinových kanálků 78, 80, což vyvolává přímočarý vratný pohyb reakčního tělesa 44 vůči hnacímu pístu 26. Servoventil 86 lze tedy považovat za zdroj tlakové hydraulické kapaliny.

Vytvořením předpěťového ústrojí 76 pod hydraulickým hnacím válcem 46 se maximálně zkrátí délka kapalinových kanálků 78, 80 mezi hydraulickým hnacím válcem 46 a servoventilem 86. V zájmu správné činnosti hydraulického vibrátoru 10 na vyšších kmitočtech je nutné konstruovat soustavu tak, že její vlastní kmitočet je nad požadovaným pracovním kmitočtem. Vlastní kmitočet této soustavy pružina — hmota je určen hmotou rámu 12 a konstantou pružnosti kapaliny uzavřené v hydraulickém hnacím válci 46 a kapalinových kanálcích 78, 80.

Vlastní kmitočet soustavy je úměrný druhé odmocnině konstanty pružnosti kapaliny uzavřené uvnitř hydraulického hnacího válce 46 a kapalinových kanálků 78, 80. Konstanta pružnosti je naopak úměrná poměru plochy mezikruží vymezeného hnacím pístem 26 dělené objemem kapaliny uzavřené v hydraulickém hnacím válci 46 a kapalinových kanálcích 78, 80. Použitím velkého průřezu, krátkého zdvihu hnacího pístu 26 a zkrácením délky kapalinových kanálků 78, 80 se dosáhne zvýšení uvedeného poměru, a tím i vlastního kmitočtu soustavy na nejvyšší možnou míru.

Vlastní kmitočet f soustavy je dán vztahem:

x 4 CTT\/ Klišš) [HxI ’ “ I V W,Z_tZZ ^{u J} kde

W = hmotnost rámu 12 v kg,

K = konstanta pružnosti uzavřené kapaliny v N/m

K= 5.A²· _{Γ Ί}

V. OflZS* L^J kde fi= modul stlačitelnosti kapaliny v N/m²

A = prstencová pracovní plocha hnacího pístu 2S v metrech čtverečních a

V —objem kapaliny uzavřené mezi servoventilem 86 a povrchem hnacího pístu 26 ve střední poloze v hnacím válci 46, v metrech krychlových.

V pístové soustavě 24 je dále vytvořen druhý průchod 88, který slouží pro vytváření přibližně konstantního tlaku v hydraulickém předpěťovém ústrojí 76. Předpěťové ústrojí 76 je tímto druhým průchodem 88 spojeno se zdrojem 90 konstantního hydraulického tlaku. Radiální úsek 91 druhého průchodu 88 ústí na vnějším obvodu 84 prvního válcového úseku 37 spodní pístní tyče 32 uvnitř hydraulického předpěťového ústrojí 76, Tlaková kapalina, přiváděná ze zdroje 90 konstatního hydraulického tlaku, má takový tlak, že kompenzuje váhu reakčního tělesa 44, neboť tlak této kapaliny působí na směrem dolů obrácené osazení 74 předpěťové válcové vložky 66 v reakčním tělese 44. Pístová soustava 24 dále obsahuje neznázorněné průchody pro vypouštění kapaliny a pro kompenzování úniku této kapaliny.

Na obr. 2 je znázorněno obměněné provedení pístové soustavy 24a, které sestává z hnacího pístu 26a, horní pístní tyče 28a a spodní pístní tyče 32a.

Spodní pístní tyč 32a sestává z třetího válcového úseku 92 vystupujícího z hnacího pístu 26a, Oddělitelný čtvrtý válcový úsek 94 spodní pístní tyče 32a je na svém horním konci 96 připevněn k třetímu válcovému úseku 92, což je provedeno řadou v osovém směru probíhajících svorníků 98. Spodní konec 100 čtvrtého válcového úseku

226 se spojuje s rámem 12. Vnější průměr oddělitelného čtvrtého válcového úseku 94 je větší než vnější průměr třetího válcového úseku 92, takže vzniká prstencové, nahoru obrácené osazení 192, které je obdobou nahoru obráceného osazení 42 z obr. 1. Pístová soustava 24a z obr. 2 obsahuje rovněž neznázorněné průchody odpovídající kanálkům 78, 89 a druhému průchodu 88 z obr. 1.

Hydraulický vibrátor 10 se postaví na vhodné místo a základní deska 14 se přitlačí k zemskému povrchu tak, aby byl zajištěn přenos energie. Poté se spustí elektronický generátor řídicího signálu a uvede v činnost zdroj tlakové kapaliny, čímž se hydraulický vibrátor 10 uvede v činnost. Řídicí signál má v tomto případě vysoký kmitočet, řádově 250 Hz. Časový průběh tlaku v kapalinových kanálcích 78, 80 je řízen servoventilem 88 tak, aby se dosáhlo přímočarého vratného pohybu reakčního tělesa 44 vůči hnacímu pístu 28, a tím i svislého přímočarého pohybu základní desky 14. Silová složka, vyvolávaná působením gravitačního zrychlení na hmotu reakčního tělesa 44, je kompenzována tlakem kapaliny přiváděné ze zdroje 90 konstantního hydraulického tlaku předpěťovým kanálkem 88 do předpěťového ústrojí 78.

Kmitů o vysokém kmitočtu se nejlépe dosáhne tím, že hydraulický hnací válec 48 a hnací píst 28 se umístí pokud možno nejblíže k servoventilu 86, čímž se zmenší objem kapaliny a související vliv stlačitelnosti kapaliny v kapalinových kanálcích 78, 80. Ke zvýšení kmitočtu přispívá také zmenšení zdvihu hnacího pístu 28 a objemu hydraulického hnacího válce 46 na míru použitelnou s ohledem na kmitání reakčního tělesa 44 v požadovaném vysokém kmitočtovém rozsahu. Tato opatření umožňují dosáhnout účinný přenos vibrační energie na zem při kmitočtu 250 Hz a více.

Z předchozího popisu je patrné, že vynález umožňuje dosažení vytčeného účinku. V popisu byla popsána některá výhodná provedení vynálezu, je však zřejmé, že v rámci vynálezu a připojené definice lze provést řadu dalších obměn a úprav.

Claims (8)

1. PŘEDMĚT

   1. Hydraulický vibrátor, který sestává z rámu se svislou pístovou soustavou s oboustranně vystupující pístní tyčí, která sestává z hnacího pístu, horní pístní tyče vystupující z hnacího pístu, jejíž konec je spojen s rámem, a spodní pístní tyče, jejíž konec je připojen k rámu, přičemž kolem pístové soustavy je v obou směrech posuvně uloženo reakční těleso, ve kterém je kolem hnacího pístu vytvořen hydraulický hnací válec a uspořádáno předpěťové ústrojí, hydraulický hnací válec je prvními průchody v horní pístní tyči propojen se zdrojem hydraulické kapaliny pro přímočarý vratný pohyb reakčního tělesa vůči hnacímu pístu a v horní pístní tyči je vytvořen druhý průchod pro přívod konstantního tlaku ze zdroje hydraulické kapaliny do předpěťového ústrojí, vyznačující se tím, že horní pístní tyč je kratší než spodní pístní tyč (32], která sestává z první části (36] vystupující z hnacího pístu (26), ke které je rozebíratelně připojen druhý válcový úsek (38), který na spodní pístní tyči tvoří nahoru obrácené osazení (42), přičemž předpěťové ústrojí (76] sestává z dolů obráceného osazení (74) vytvořeného pod hydraulickým hnacím válcem (46) a nad nahoru obráceným osazením (42) spodní pístní tyče (32).
2. 2. Hydraulický vibrátor podle bodu 1, vyznačující se tím, že rozebíratelně připojený druhý válcový úsek (38) spodní pístní tyče (32) je opatřen válcovým pouzdrem (40) uspořádaným na první části (36) spodní pístní tyče (32).
3. 3. Hydraulický vibrátor podle bodu 2, vyznačující se tím, že první část (36) spodní pístní tyče (32) sestává z prvního válcového úseku (37) vystupujícího z hnacího pístu

   VYNÁLEZU (26) a druhého válcového úseku (38) se zmenšeným průměrem, který vystupuje z prvního válcového úseku (37) a jehož konec (34) je připojen k rámu (12), přičemž válcové pouzdro (40) je uspořádáno kolem druhého válcového úseku (38) se zmenšeným průměrem a jeho vnější průměr přesahuje vnější průměr první části (36) spodní pístní tyče (32).
4. 4. Hydraulický vibrátor podle bodu 3, vyznačující se tím, že na vnější povrch prvního válcového úseku (37) první části (36) spodní pístní tyče (32) předpěťového ústrojí (76) ústí druhý průchod (88).
5. 5. Hydraulický válec podle bodu 1, vyznačující se tím, že první část (36) spodní pístní tyče (32) sestává z třetího válcového úseku (92) a rozebíratelně připojený druhý válcový úsek (38) spodní pístní tyče (32) sestává z čtvrtého válcového úseku (94), jehož horní konec (96) je připojen k třetímu válcovému úseku (92) a jehož spodní konec (100) je připojen k rámu (12), přičemž vnější průměr čtvrtého válcového úseku (94) přesahuje vnější průměr třetího válcového úseku (92) a vymezuje nahoru obrácené osazení (102).
6. 6. Hydraulický vibrátor podle bodu 5, vyznačující se tím, že třetí válcový úsek (92) a čtvrtý válcový úsek (94) spodní pístní tyče (32) jsou spolu spojeny svorníky.
7. 7. Hydraulický vibrátor podle bodů 4 a 5, vyznačující se tím, že druhý průchod (88) ústí na vnějším povrchu třetího válcového úseku (92) spodní pístní tyče (32] u predpěťového ústrojí (76).
8. 8. Hydraulický vibrátor podle bodu 1, vyznačující se tím, že hydraulický hnací válec (46) sestává z válcového pouzdra (48), ve kterém je posuvně uložen hnací píst (26) a spodní konec a horní konec horní válcové vložky (50) a spodní válcové vložky (52) souosých s válcovým pouzdrem (48), jehož délka je měnitelná hloubkou zasunutí válcových vložek (50, 52) do válcového pouzdra (48).