FI116124B

FI116124B - Painenestekäyttöinen iskulaite

Info

Publication number: FI116124B
Application number: FI20040278A
Authority: FI
Inventors: Markku Keskiniva; Mauri Esko; Jorma Maeki; Aimo Helin; Erkki Ahola
Original assignee: Sandvik Tamrock Oy
Priority date: 2004-02-23
Filing date: 2004-02-23
Publication date: 2005-09-30
Also published as: NO20064244L; JP2007522954A; NO332788B1; ZA200607006B; RU2006133905A; JP5009779B2; BRPI0507974A; WO2005080051A8; EP1720685A1; AU2005215178B2; AU2005215178B8; CN100542753C; CA2557060C; WO2005080051A1; US20070199725A1; CA2557060A1; AU2005215178A1; CN1921987A; FI20040278A0; US7878263B2

Description

116124

Painenestekäyttöinen iskulaite

Keksinnön tausta

Keksinnön kohteena on painenestekäyttöinen iskulaite, jossa on runko, johon on asennettavissa pituussuunnassaan liikkuvasti työkalu, välineet 5 painenesteen syöttämiseksi iskulaitteeseen ja palauttamiseksi takaisin pai-nenestesäiliöön ja välineet jännityspulssin aikaansaamiseksi työkaluun painenesteen paineen avulla, jolloin iskulaitteessa on painenestettä täynnä oleva työpainekammio ja työpainekammion ja työkalun välissä rungon suhteen pituussuunnassa liikkuvasti asennettu välitysmäntä, johon työkalu on kosketuk-10 sessa joko suoraan tai välillisesti ainakin jännityspulssin muodostamisen aikana, sekä välitysmännän työkalun puolella latauspainekammio, jolloin välitys-männässä on työpainekammioon päin sijaitseva painepinta ja latauspainekam-mion puolella työkaluun päin sijaitseva painepinta.

Tunnetussa tekniikassa iskulaitteessa jännityspulssi työkaluun saa- 15 daan aikaan käyttämällä edestakaisin liikkuvaa iskumäntää, joka iskuliikkeensä loppuvaiheessa lyö työkalun tai siihen kytketyn poraniskan päähän saaden aikaan työkalussa käsiteltävää materiaalia kohti etenevän jännityspulssin. Is- kumännän edestakainen iskuliike saadaan aikaan tyypillisesti paineväliaineel- la, jonka paineella saadaan aikaan iskumännän liike ainakin yhteen suuntaan, 20 nykyään tyypillisesti molempiin suuntiin. Iskuliikkeen tehostamiseksi voidaan ·'·* käyttää apuna paineakkua tai jousta tai vastaavaa, mihin varastoidaan energi- : ’·· aa paluuliikkeen aikana.

• * ·.’·· Iskumännällä varustetuissa iskulaitteissa syntyy iskumännän edes- : ”.· takaisesta liikkeestä johtuen vuorotellen vastakkaissuuntaisia kiihtyvyysvoimia, ·· 25 jotka rasittavat mekanismia ja vaikeuttavat iskulaitteen hallintaa. Lisäksi ne • * · · vaativat iskulaitteen kannattamiseen yleensä käytetyiltä puomirakenteilta ja syöttölaitteilta enemmän tukevuutta kuin muuten olisi tarpeen. Lisäksi, jotta : jännityspulssi saataisiin siirtymään työkalusta käsiteltävään materiaaliin, kuten • t * *;.Y rikottavaan kiveen riittävän tehokkaasti, on iskulaitetta ja sen kautta työkalua ·; 30 työnnettävä riittävällä voimalla materiaalia vasten. Dynaamisten kiihtyvyysvoi- mien vuoksi täytyy syöttövoima ja sen mukaan myös rakenteet mitoittaa riittä-vän tukeviksi, jotta syöttövoiman ja iskumännän liikkeen aiheuttaman kiihty-./ vyyden erotuksena jäävä puristusvoima työkaluun jäisi vielä riittävän suureksi.

Edelleen edestakaisella iskuliikkeellä toimivilla iskumännällä varustetuissa is-35 kulaitteissa joudutaan tyytymään mataliin iskutaajuuksiin, koska iskumännän kiihdyttäminen liikesuuntaansa vaatii aina iskumännän massaan verrannollisen 116124 2 määrän tehoa ja suuret taajuudet vaatisivat suurta kiihtyvyyttä ja siten erittäin suuria tehoja. Tämä puolestaan ei käytännössä ole mahdollista, koska kaikki muukin iskulaitteessa ja sen kannatinrakenteessa täytyisi mitoittaa vastaavasti. Kun samalla seurauksena olisi merkittävä hyötysuhteen huononeminen, on 5 nykyisten iskulaitteiden iskutaajuus vain muutamia kymmeniä hertsejä parhaimmillaan.

Keksinnön lyhyt selostus Tämän keksinnön tarkoituksena on saada aikaan iskulaite, jossa syntyvät dynaamiset voimat ja niiden aikaansaamat haitat ovat nykyisiä merkit-10 tävästi pienemmät. Edelleen tarkoituksena on saada aikaan iskulaite, jolla on hyvä hyötysuhde ja jolla voidaan saada aikaan nykyistä merkittävästi korkeampia jännityspulssitaajuuksia.

Keksinnön mukaiselle iskulaitteelle on ominaista, että välineisiin jännityspulssin aikaansaamiseksi kuuluu työpainekammioon yhteydessä oleva 15 painenestelähde paineen ylläpitämiseksi työpainekammiossa ja välineet paineeltaan sellaisen painenesteen syöttämiseksi jaksottaisesti latauspainekam-mioon, että paineneste työntää välitysmännän työpainekammioon päin vasten työpainekammiossa olevan painenesteen painetta välitysmännän ennalta määrättyyn taka-asemaan, jolloin painenestettä poistuu työpainekammiosta, ja vuo-20 rotellen päästämään painenestettä nopeasti pois latauspainekammiosta, minkä ·’·* seurauksena työpainekammiossa olevan ja siihen painenestelähteestä työnty- : *·· vän paineisen painenesteen paineen aikaansaama voima työntää välitysmän- *.*· tää työkalun suuntaan puristaen työkalua sen pituussuunnassa kokoon saaden : siten työkalussa aikaan jännityspulssin.

·· 25 Keksinnön olennainen ajatus on, että välitysmäntään pidetään vai- « · * · kuttamassa koko ajan työkaluun päin vaikuttava paine, joka saadaan jostain työpainekammioon kytketystä painenestelähteestä.

; ... Edelleen keksinnön olennainen ajatus, että välitysmännän toisella * · * puolella olevaan latauspainekammioon syötetään paineista painenestettä, joka 30 siirtää välitysmännän tiettyyn ennalta määrättyyn asemaan eli asemaan, mistä välitysmäntä päästetään työkammiossa olevan paineen aikaansaaman voiman avulla äkillisesti puristamaan työkalua kokoon käsiteltävää materiaalia päin ja .. * siten aikaansaamaan työkaluun jännityspulssi.

Vielä keksinnön olennainen ajatus on, että välitysmännän ollessa ’ · · ’ 35 mainitussa asemassa ja olennaisesti kosketuksessa työkaluun tai poraniskaan, latauspainekammio kytketään yhteyteen ns. tankkipaineen kanssa, jolloin väli- 116124 3 tysmännän vastakkaisella puolella vaikuttava paine saa aikaan äkillisen puristuksen työkaluun tai vastaavaan ja siten muodostuu jännityspulssi, joka siirtyy työkalun läpi käsiteltävään materiaaliin.

Keksinnön etuna on, että tällä ratkaisulla saadaan aikaan hyvä hyö-5 tysuhde, koska välitysmännän siirtäminen jännityspulssin aloittamisasemaan eli laukaisuasemaan tapahtuu olennaisesti vakiopainetta vasten. Edelleen keksinnön etuna on, että tällä tavalla saadaan talteen käsiteltävästä materiaalista työkalun ja välitysmännän kautta työpainekammioon heijastuvan jännitysaallon puristusjännitysenergia. Lisäksi etuna on, että jännityspulssien muodostamis-10 taajuus saadaan merkittävästi tunnettuja iskulaitteita korkeammaksi, koska ei ole suurimassaista ja siten hidasta iskumäntää, joka on saatava liikkumaan edestakaisin. Vielä keksinnön etuna on, että ratkaisu on yksinkertainen toteuttaa ja toiminta on helppoa kontrolloida.

Kuvioiden lyhyt selostus 15 Keksintöä selitetään tarkemmin oheisissa piirustuksissa, joissa

Fig. 1 a ja 1b esittävät keksinnön mukaisen iskulaitteen periaatteellista toteutusmuotoa latausvaiheessa ja vastaavasti jännityspulssin muodostumisvaiheessa ja

Fig. 2a ja2b kuvaavat latauksen ja vastaavasti jännityspulssin muo-20 dostamiseen liittyviä teoreettisia energiankäyriä.

» * · * * ·

Keksinnön yksityiskohtainen selostus

Fig. 1a esittää kaavamaisesti keksinnön mukaisen iskulaitteen pe-riaatteellista toteutusmuotoa tilanteessa, missä iskulaitetta ns. ladataan jänni- * * * tyspulssin aikaansaamiseksi. Siinä on esitetty iskulaite 1, jossa on runko 2.

’···. 25 Rungossa on painenestettä varten työpainekammio 3, jota yhdeltä puolelta ra- » · joittaa välitysmäntä 4. Työpainekammio 3 on kytketty kanavan 5 kautta yhtey-. . teen painelähteen kuten painenestepumpun 6 kanssa, joka syöttää paineista ; painenestettä tilaan 3 paineella Pi. Välitysmännän 4 toisella, painekammioan 3 nähden vastakkaisella puolella on latauspainekammio 7, joka puolestaan on 30 kytketty kanavan 8 ja venttiilin 9 kautta painenestelähteeseen, kuten esimer-kiksi painenestepumppuun 10, joka syöttää paineista painenestettä, jonka paine on P2. Venttiilistä 9 johtaa edelleen painenesteen paluukanava 11 pai-: *’ nenestesäiliöön 12.

: Iskulaitteeseen 1 on vielä kytketty työkalu 13, joka voi olla poratanko 35 tai, kuten tyypillisesti, poratankoon kytketty poraniska. Työkalun vastakkaises- 116124 4 sa päässä on ei esitetty terä kuten esimerkiksi porakruunu tai vastaava, joka on toiminnan aikana kosketuksissa käsiteltävään materiaaliin. Edelleen siihen voi kuulua paineakku 14, joka on kytketty yhteyteen työpainekammion 3 kanssa painepulssien vaimentamiseksi.

5 Fig. 1a esittämässä tilanteessa toteutetaan ns. lataus, jolloin pai- nenestettä syötetään venttiilin 9 ohjaamana latauspainekammioon 7 niin, että välitysmäntä 4 siirtyy nuolen A suuntaan, kunnes se on asettunut Fig. 1a mukaisessa asennossa ylimpään eli taka-asemaansa. Samalla työpainekammios-ta poistuu painenestettä. Välitysmännän 4 taka-aseman määrittävät iskulait-10 teessä 1 mekaaniset ratkaisut kuten erilaiset olakkeet tai rajoittimet, fig. 1a ja 1 b mukaisessa toteutusmuodossa olake 2a ja välitysmännän laipan 4a takapinta. Iskulaitteen toiminnan aikana iskulaitetta 1 työnnetään kohti käsiteltävää materiaalia voimalla F eli ns. syöttövoimalla, joka pitää välitysmännän 4 kosketuksissa työkaluun 13 ja sen kärjen eli porakruunun tai vastaavan kosketuksis-15 sa käsiteltävään materiaaliin. Kun välitysmäntä 4 on siirtynyt nuolen A suuntaan niin pitkälle kuin se on mahdollista, siirretään venttiili 9 Fig. 1b osoittamaan asentoon, jolloin latauspainekammiosta 7 paineneste pääsee äkillisesti purkautumaan painenestesäiliöön 12. Tällöin välitysmäntä pääsee työntymään eteenpäin työkalun 13 suuntaan työpainekammiossa 3 olevan ja siihen lisäksi 20 painenestepumpulta 6 viilaavan painenesteen paineen vaikutuksesta. Väli-tysmäntään 4 työpainekammiossa 3 vaikuttava paine Pi saa aikaan voiman, *;’· joka työntää välitysmäntää 4 nuolen B suuntaan päin työkalua 13, mikä puris- ·’ '* taa työkalua 13 kokoon. Tämän seurauksena muodostuu työkaluun 13 väli- \‘·! tysmännän 4 kautta äkillinen puristusjännitys, mikä siten muodostaa jännitys- 25 pulssin työkalun 12 läpi käsiteltävään materiaaliin saakka. Käsiteltävästä mate-;!· naalista heijastuva ns. heijastuspulssi palaa puolestaan takaisin työkalun 13 läpi työntäen välitysmäntää 4 jälleen Fig. 1a nuolen A suuntaan, jolloin jänni-tyspulssin energia siirtyy työpainekammiossa olevaan painenesteeseen. Sa-: manaikaisesti kytketään venttiili 9 jälleen Fig. 1 a esittämään asentoon ja pai- I t t 30 nenestettä syötetään jälleen latauskammioon 7 työntämään välitysmäntä 4 • · *! ‘ ennalta määrättyyn taka-asemaansa.

• *·· Välitysmännän 4 painepinta-alat eli työpainekammion 3 puoleinen pinta-ala A1 ja vastaavasti latauskammion 7 puoleinen pinta-ala A2 voidaan :·’ valita useilla eri tavoilla. Yksinkertaisin toteutusmuoto on Fig. 1a ja 1b esittämä 35 toteutusmuoto, jossa pinta-alat ovat eri suuret. Tällöin valitsemalla pinta-alat sopivasti voidaan molemmilla puolin välitysmäntää 4 käyttää samansuuruista 116124 5 painetta eli paineet Pi ja P2 voivat olla yhtä suuret. Tällöin paineneste voi tulla kumpaankin tilaan samasta painenestelähteestä. Tämä yksinkertaistaa isku-laitteen toteuttamista. Tästä puolestaan seuraa lisäetuna se, että välitysmän-tään 4 voidaan muodostaa helposti olakemainen laippa 4a ja vastaavasti run-5 koon olake 2a, jolloin rungon 2 olake 2a määrittää välitysmännän 4 taka-aseman, kuvassa ylimmän aseman eli aseman, mistä jännityspulssin muodostaminen aina aloitetaan. Pinta-alat voivat olla myös samansuuruiset, jolloin paineen P2 on oltava suurempi kuin paineen P^

Fig. 2a ja 2b kuvaavat latauksen ja vastaavasti jännityspulssin muo-10 dostamiseen liittyviä teoreettisia energiankäyriä keksinnön mukaisessa iskulait-teessa.

Siirrettäessä välitysmäntää Fig. 2a mukaisesti vasten työpainekam-miossa vallitsevaa painetta Pi, on lopussa varautuneen energian määrä P1 x V1 eli paineen ja painepinnan Ai syrjäyttämän tilavuuden tulo, mitä kuvaa suo-15 rakaide A. Mikäli työpainekammiossa vallitsevan paineen arvo alun perin olisi 0, olisi varautuneen energian määrä Pi x Vi/2 eli puolet edellä mainitusta energiasta, mitä kuvaa kolmio B. Vastaavasti isku laitteeseen syötetyn energian määrää kuvaa katkoviivalla esitetty suorakaide C, joka on paineen P2 (= olennaisesti vakio) ja painepinnan A2 siirtymän seurauksena tapahtuneen tilavuu-20 den lisäyksen V2 tulo. Tämä suorakaiteen C pinta-ala eli syötetty energia on yhtä suuri kuin suorakaiteen A pinta-ala.

Päästettäessä välitysmäntä Fig. 2b mukaisesti puristamaan työka- • · ” lua, on vastaavasti jännityspulssiin siirtyneen energian määrä Pi x \/^ eli pai- •V*: neen ja mainitun tilavuuden tulo, mitä kuvaa suorakaide D. Mikäli työpaine- 25 kammiossa vallitsevan paineen arvo lopussa olisi 0, olisi jännityspulssiin siirty-neen energian määrä Pi x Vi/2 eli puolet edellä mainitusta energiasta, mitä kuvaa kolmio E.

Vaikka tämä teoreettinen tarkastelu ei täsmällisesti kuvaakaan ιοί .·. dellisia toimintaprosesseja ja käytännön painetaseita, antaa se selvän kuvauk- 30 sen siitä, kuinka keksinnön mukaisella iskulaitteella saadaan samoilla syötet-tävän painenesteen painearvoilla suurempi teho kuin laitteilla, joissa paine ; ’* vaihtelee nollan ja maksimipaineen välillä.

Keksinnön mukaisella iskulaitteella voidaan käyttämällä lyhyitä työ-:·! kalun suuntaisia liikematkoja saada aikaan jännityspulsseja suurella taajuudel- 35 la, koska tarvittavat painenesteen syöttömäärät ovat suhteellisen pieniä samalla, kun niillä saadaan aikaan suuri voima. Edelleen, koska välitysmännän 4 116124 6 massa on pieni, ei synny mitään merkittäviä dynaamisia voimia. Vastaavasti välitysmännän 4 siirtäminen taka-asemaansa eli aloitusasemaan vaatii vain lyhyen liikkeen ja siten voidaan saada aikaan pulsseja ja suuri jännityspulssien taajuus, mistä seuraa työkalun ja käsiteltävän materiaalin välillä vastaavasti 5 suuri jännityspulssien taajuus, mitä normaalisti tunnettujen iskulaitteiden yhteydessä kutsutaan myös iskutaajuudeksi. Piirustukset ja niihin liittyvä selitys on tarkoitettu vain havainnollistamaan keksinnön ajatusta. Yksityiskohdiltaan keksintö voi vaihdella patenttivaatimusten puitteissa.

* »· » · » f I * • » »

Claims

116124 7

1. Painenestekäyttöinen iskulaite, jossa on runko (2), johon on asennettavissa pituussuunnassaan liikkuvasti työkalu (13), välineet painenes-teen syöttämiseksi iskulaitteeseen (1) ja palauttamiseksi takaisin paineneste-5 säiliöön ja välineet jännityspulssin aikaansaamiseksi työkaluun painenesteen paineen avulla, jolloin iskulaitteessa (1) on painenestettä täynnä oleva työ-painekammio (3) ja työpainekammion (3) ja työkalun (13) välissä rungon (2) suhteen pituussuunnassa liikkuvasti asennettu välitysmäntä (4), johon työkalu (13) on kosketuksessa joko suoraan tai välillisesti ainakin jännityspulssin muo-10 dostamisen aikana, sekä välitysmännän (4) työkalun (13) puolella lataus-painekammio (7), jolloin välitysmännässä (4) on työpainekammioon (3) päin sijaitseva painepinta (A1) ja latauspainekammion (7) puolella työkaluun (13) päin sijaitseva painepinta (A2), tunnettu siitä, että välineisiin jännityspulssin aikaansaamiseksi kuuluu työpainekammioon (3) yhteydessä oleva pai-15 nenestelähde paineen ylläpitämiseksi työpainekammiossa (3) ja välineet paineeltaan sellaisen painenesteen syöttämiseksi jaksottaisesti latauspainekam-mioon (7), että paineneste työntää välitysmännän (4) työpainekammioon (3) päin vasten työpainekammiossa (3) olevan painenesteen painetta välitysmännän (4) ennalta määrättyyn taka-asemaan, jolloin painenestettä poistuu työ-20 painekammiosta (3), ja vuorotellen päästämään painenestettä nopeasti pois la-,· t·. tauspainekammiosta (7), minkä seurauksena työpainekammiossa (3) olevan ja * · I ’ siihen painenestelähteestä työntyvän paineisen painenesteen paineen aikaan- saama voima työntää välitysmäntää (4) työkalun (13) suuntaan puristaen työ-kalua (13) sen pituussuunnassa kokoon saaden siten työkalussa (13) aikaan 25 jännityspulssin. ...T

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen iskulaite, tunnettu siitä, että välineet paineisen painenesteen syöttämiseksi työpainekammioon (3) on sovitettu syöttämään painenestettä niin, että paine työpainekammiossa (3) säilyy • iskulaitteen toiminnan aikana olennaisesti vakiona. m « .···. 30

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen iskulaite, tunnettu siitä, että työpainekammioon (3) ja latauspainekammioon syötetään saman paineis-: “ ta painenestettä ja että välitysmännän (4) työpainekammioon (3) ja vastaavasti latauspainekammioon (7) päin olevat painepinnat (A1, A2) on mitoitettu siten, ; \, että muodostuva voimien summa työntää välitysmännän (4) taka-asemaansa.

4. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen iskulaite, tun nettu siitä, että työpainekammio (3) on kytketty painenestelähteeseen, kuten 116124 8 esimerkiksi painenestepumppuun (6) siten, että painenestelähde pyrkii syöttämään siihen painenestettä jatkuvasti.

5. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen iskulaite, tunnettu siitä, että siihen kuuluu työpainekammioon (3) yhteydessä oleva pai-5 neakku. * · i · · I · • · · * · * · · • t · * · • 1 · • · * » • 1 1 • 1 · tl·· • · · • · • · * · · • f I • I 1 · » · 9 116124