RU2315181C2

RU2315181C2 - Electric hammer

Info

Publication number: RU2315181C2
Application number: RU2005140498/03A
Authority: RU
Inventors: Алексей Петрович Малахов
Original assignee: Новосибирский государственный технический университет
Priority date: 2005-12-23
Filing date: 2005-12-23
Publication date: 2008-01-20
Also published as: RU2005140498A

Abstract

FIELD: construction industry, particularly to drive heavy reinforced concrete and metal shelled concrete piles during ice-resistant fixed platform, including underwater one, construction.

SUBSTANCE: electric hammer comprises body with three-phase winding of linear induction motor stator adapted to receive reciprocating hollow striking armature installed therein in fluid-tight manner. The striking armature is monolithic in lower part and includes short-circuited current-conducting winding formed from outer surface thereof. Hammer comprises anvil block with damping means. Linear induction motor stator winding is installed in upper part of cylindrical electric hammer body, which is provided with tubular striking armature position sensors. Cylindrical body of electric hammer is installed inside cylindrical sealed shell so that lower and upper chambers are created. Chamber lengths are equal to cylindrical body length and striking armature travel correspondingly. The upper and lower chambers are freely connected with each other. Upper chamber is communicated with striking armature interior. Lower chamber has pipeline with check valve. Lower chamber and striking armature interiors are partly filled with heat-conductive and electrical insulation liquid. Remainder zones of lower chamber, striking armature interior and total upper chamber are filled with high-pressure heat-conductive gas. Lower chamber has protective safety valve. Vacuum chamber is created between lower monolithic striking armature part and anvil block. Damping means is installed in lower monolithic part of cylindrical electrical hammer body in fluid-tight manner and may reciprocate relatively the body. Cylindrical fluid-tight shell has additional weight. Short-circuited current-conducting winding of linear induction motor stator is linked to frequency-regulated power supply and control system.

EFFECT: increased operational reliability.

1 dwg

Description

Изобретение относится к строительной промышленности и может быть использовано для забивки тяжелых металлических труб-свай в морское дно при возведении морских стационарных нефтяных льдоустойчивых платформ, в том числе и при подводных работах на больших глубинах или в качестве исполнительного элемента сверхмощных импульсных сейсмоисточников для сейсморазведочных работ на нефть и газ.The invention relates to the construction industry and can be used for driving heavy metal pipes-piles into the seabed during the construction of offshore stationary oil-resistant ice-resistant platforms, including underwater operations at great depths or as an actuating element of heavy-duty pulse seismic sources for oil seismic operations and gas.

Известен электромолот [АС №497405 (СССР). Бюл. «Открытия. Изобретения. Промышленные образцы. Товарные знаки.» 1975, №48. Авт.: Ряшенцев Н.П., Малов А.Т., Фейгин Л.З., Носовец А.В., Черемисин Ю.В., Торбеев А.А.], содержащий цилиндрический корпус-магнитопровод с полюсами и соосно установленными электромагнитными катушками прямого и обратного хода, направляющую трубу, ферромагнитный боек, датчики верхнего и нижнего положения ферромагнитного бойка, систему электропитания и управления.Known electric hammer [AS No. 497405 (USSR). Bull. "Discoveries. Inventions Industrial designs. Trademarks. ”1975, No. 48. Author: Ryashentsev NP, Malov AT, Feigin LZ, Nosovets AV, Cheremisin Yu.V., Torbeev AA], containing a cylindrical magnetic casing with poles and coaxially mounted forward and reverse electromagnetic coils, guide tube, ferromagnetic striker, sensors for the top and bottom positions of the ferromagnetic striker, power supply and control system.

Недостатком такой конструкции электромолота является его низкий кпд, большое количество меди для изготовления, приводящее к значительному его удорожанию, и низкая надежность в работе из-за плохих условий теплоотвода от силовых катушек.The disadvantage of this design of the electric hammer is its low efficiency, a large amount of copper for manufacturing, which leads to a significant increase in its cost, and low reliability due to poor heat removal conditions from power coils.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является электромолот, являющийся прототипом и содержащий корпус с трехфазной обмоткой статора линейного асинхронного двигателя, в котором с возможностью возвратно-поступательного перемещения герметично установлен полый монолитный в нижней части якорь-боек с короткозамкнутой токопроводящей обмоткой по его внешней поверхности, шабот с амортизатором.The closest to the proposed invention in terms of technical nature and the achieved result is an electric hammer, which is a prototype and contains a housing with a three-phase stator winding of a linear induction motor, in which, with the possibility of reciprocating movement, a hollow monolithic in the lower part of the armature-striker with a short-circuited conductive winding is sealed its outer surface, shabot with a shock absorber.

Недостатком такого электромолота также является низкая надежность в работе из-за сложности конструкции и плохих условий охлаждения якоря-бойка и статора линейного асинхронного двигателя.The disadvantage of this electric hammer is also its low reliability due to the complexity of the design and poor cooling conditions of the armature and stator of a linear induction motor.

Задачей изобретения является повышение надежности работы электромолота.The objective of the invention is to increase the reliability of the electric hammer.

Указанная задача достигается тем, что в электромолоте, содержащем корпус с трехфазной обмоткой статора линейного асинхронного двигателя, в котором с возможностью возвратно-поступательного перемещения герметично установлен полый монолитный в нижней части якорь-боек с короткозамкнутой токопроводящей обмоткой по его внешней поверхности, шабот с амортизатором, обмотка статора линейного асинхронного двигателя установлена в верхней части выполненного цилиндрическим корпуса электромолота, который снабжен датчиками положений выполненного трубчатым якоря-бойка, при этом цилиндрический корпус электромолота помещен внутрь цилиндрической герметичной оболочки с образованием нижней и верхней камер, размеры которых по длине соответственно равны длине цилиндрического корпуса электромолота и ходу якоря-бойка, при этом указанные камеры свободно связаны между собой, а верхняя камера - с внутренней полостью якоря-бойка, причем нижняя камера снабжена трубопроводом с обратным клапаном, при этом нижняя камера и полости якоря-бойка частично заполнены теплопроводящей и токоизолирующей жидкостью, а остальные части нижней камеры, полость якоря-бойка и вся верхняя камера заполнены теплопроводящим газом повышенного давления, а нижняя камера снабжена защитным предохранительным клапаном, при этом между нижней монолитной частью якоря-бойка и шаботом выполнена вакуумная камера, амортизатор установлен герметично в нижней монолитной части цилиндрического корпуса электромолота с возможностью возвратно-поступательного перемещения относительно него, причем цилиндрическая герметичная оболочка снабжена дополнительной пригрузочной массой, а трехфазная обмотка статора линейного асинхронного двигателя электромолота подключена к системе частотно-регулируемого электропитания и управления.This problem is achieved in that in an electric hammer containing a housing with a three-phase stator winding of a linear induction motor, in which, with the possibility of reciprocating movement, a hollow monolithic in the lower part of the firing pin with a short-circuited conductive winding along its outer surface, is equipped with a shock absorber, the stator winding of the linear induction motor is installed in the upper part of the cylindrical body of the electric hammer, which is equipped with position sensors th tubular anchor-striker, while the cylindrical body of the electric hammer is placed inside the cylindrical sealed shell with the formation of the lower and upper chambers, the dimensions of which are respectively equal in length to the cylindrical body of the electric hammer and the course of the anchor-striker, while these chambers are freely interconnected, and the upper the chamber - with an internal cavity of the anchor-striker, and the lower chamber is equipped with a pipeline with a check valve, while the lower chamber and the cavity of the anchor-striker are partially filled with heat-conducting and current-insulating liquid, and the remaining parts of the lower chamber, the cavity of the armature-striker and the entire upper chamber are filled with heat-conducting gas of increased pressure, and the lower chamber is equipped with a protective safety valve, while a vacuum chamber is made between the lower monolithic part of the armature-striker and the shock absorber, the shock absorber is sealed in lower monolithic part of the cylindrical body of the electric hammer with the possibility of reciprocating movement relative to it, moreover, the cylindrical sealed shell is provided with an additional the load mass, and the three-phase stator winding of the linear electric induction motor of the electric hammer is connected to a frequency-controlled power supply and control system.

На чертеже изображен предлагаемый электромолот.The drawing shows the proposed electric hammer.

Электромолот состоит из цилиндрического корпуса 1 с трехфазной обмоткой статора линейного асинхронного двигателя 2 в верхней части этого корпуса. Внутри корпуса электромолота с герметичными уплотнителями и подшипниками 3 с возможностью герметичного возвратно-поступательного перемещения установлен трубчатый 4, монолитный в нижней части 5 якорь-боек с короткозамкнутой токопроводящей обмоткой 6. В цилиндрическом корпусе электромолота установлены датчики 7 верхнего и нижнего 8 положений якоря-бойка. Система частотно-регулируемого электропитания (не показана) подключена к трехфазному вводному устройству 9 статора линейного асинхронного двигателя. Цилиндрический корпус электромолота 1 помещен внутрь цилиндрической герметичной оболочки 10, имеющей верхнюю 11 и нижнюю 12 камеры. Нижняя камера 12 и полость трубчатого якоря-бойка 13 частично заполнены негорючей теплопроводящей и токоизолирующей жидкостью, а через обратный клапан 14 и быстроразъемное соединение 15 все три полости заполнены теплоотводящим газом с повышенным расчетным рабочим давлением электромолота. Нижняя полость 12 снабжена защитным предохранительным клапаном 16. Цилиндрический корпус электромолота вместе с цилиндрической герметичной оболочкой 10 и якорем-бойком установлены на шабот 17 подвижно с возможностью возвратно-поступательного перемещения, но герметично относительно него. Между нижней частью якоря-бойка 5 и шаботом 17 образована вакуумная камера 18. Шабот через амортизирующее устройство, условно изображенное амортизатором 19, установлен на забиваемую сваю 20. Цилиндрическая герметичная оболочка 10 электромолота снабжена дополнительной пригрузочной массой 21, которая может быть установлена на верх оболочки 10 и жестко с ней связана. Система электропитания и частотно-регулируемого управления снабжена дистанционным пультом управления с кнопками «пуск», «стоп» и необходимыми регулирующими органами. Управление может осуществляться с помощью микроконтроллера по радиоканалу или оптически (эти органы на чертеже не показаны). Шабот в верхней части имеет герметичную направляющую 22 и подвижно, но герметично пружинами 23 скреплен с оболочкой 10 электромолота.The electric hammer consists of a cylindrical housing 1 with a three-phase stator winding of a linear induction motor 2 in the upper part of this housing. Inside the case of the electric hammer with hermetic seals and bearings 3 with the possibility of hermetic reciprocating movement, a tubular 4 is installed, monolithic in the lower part 5 of the anchor-strikes with a short-circuited conductive winding 6. In the cylindrical body of the electric hammer are installed sensors 7 of the upper and lower 8 positions of the anchor-striker. The variable frequency power supply system (not shown) is connected to a three-phase input device 9 of the stator of a linear induction motor. The cylindrical body of the electric hammer 1 is placed inside a cylindrical sealed shell 10 having an upper 11 and lower 12 chamber. The lower chamber 12 and the cavity of the tubular anchor-striker 13 are partially filled with a non-combustible heat-conducting and current-insulating fluid, and through the check valve 14 and quick disconnect connection 15 all three cavities are filled with heat-releasing gas with an increased rated working pressure of the electric hammer. The lower cavity 12 is equipped with a protective safety valve 16. The cylindrical body of the electric hammer together with the cylindrical sealed shell 10 and the anchor-striker are mounted on the scabbot 17 movably with the possibility of reciprocating movement, but hermetically relative to it. A vacuum chamber 18 is formed between the lower part of the anchor-striker 5 and the rampart 17. The rampart through the shock absorber, conventionally depicted by the shock absorber 19, is mounted on a driven pile 20. The cylindrical sealed shell 10 of the electric hammer is equipped with an additional loading mass 21, which can be mounted on top of the shell 10 and toughly connected with it. The power supply system and variable frequency control is equipped with a remote control panel with buttons "start", "stop" and the necessary regulatory bodies. Control can be carried out using a microcontroller over the air or optically (these organs are not shown in the drawing). The Shabbot in the upper part has a sealed guide 22 and is movably, but sealed by springs 23, fastened to the sheath 10 of the electric hammer.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

Электромолот шаботом 17 устанавливается на забиваемую сваю 20. Предварительно нижняя часть цилиндрической герметичной оболочки электромолота 10 и камера якоря-бойка 13 частично заполняются охлаждающей жидкостью. Через быстроразъемный разъем 15 и обратный клапан 14 все три камеры 11, 12 и 13 заполняются теплопроводящим и токоизолирующим газом повышенного давления. Все эти полости вместе с вакуумной камерой 18 выполняют роль накопителей энергии трубчатого якоря-бойка при его взводе в верхнее положение. А этот взвод производится путем подачи напряжения необходимой частоты от частотно-регулируемого электропривода на трехфазное вводное устройство 9 статора линейного асинхронного двигателя с катушками 2. При этом в воздушном зазоре между статором и трубчатым якорем-бойком 4 создается бегущее поле со скоростью V=2·τ·f, где τ - полюсное деление (м), f - частота тока питания статора (1/с). Эта скорость обычно выбирается равной (0.5÷1) м/с. Этим бегущим полем в трубчатом якоре-бойке с короткозамкнутой обмоткой 6 создается тянущее усилие и он начинает перемещаться в верхнее положение. При проходе нижнего торца якоря-бойка датчика верхнего положения трубчатого якоря-бойка положения 7 он выдает сигнал на отключение системы управления от статора 1. На трубчатый якорь-боек начинают действовать усилия сжатого воздуха в камерах 11, 12, 13, усилие притяжения вакуумной камеры 18 и усилие веса самого трубчатого якоря-бойка. Он интенсивно тормозится и разгоняется в обратном направлении. Разогнавшийся якорь-боек до предударной скорости, равной (6÷6.5) м/с, наносит удар по шаботу 17, который через амортизатор 19 передает энергию удара свае 20. Режим работы рассчитывается таким образом, чтобы шабот не выходил из корпуса 1 электромолота с помощью герметичной направляющей 22. После нанесения удара якорь-боек отскакивает от шабота, а вся масса цилиндрического корпуса электромолота вместе с пригрузом 21 опускается на верх шабота. Сигналом от датчика нижнего положения 8 якоря-бойка вновь включается система управления и якорь-боек вновь начинает перемещаться в верх и цикл работы электромолота повторяется. Кроме упомянутых усилий, воздействующих на трубчатый якорь-боек при его разгоне вниз, путем реверсирования статора от преобразователя, может быть сформировано и дополнительное тянущее усилие двигателя 2. При частотном управлении линейного асинхронного двигателя электромолота его кпд составляет 75-80%, что в мощных молотах дает довольно большие тепловые потери в якоре-бойке, который, не имея вращательного движения, как в обычных вращательных электродвигателях, на роторах которых устанавливаются вентиляторы обдува, имеет плохие условия для охлаждения. В предлагаемой конструкции электромолота практически невозможна и установка так называемых принудительных систем охлаждения со специальными «наездниками» - вентиляторами. Поэтому в предлагаемой конструкции электромолота и вводится интенсивное газожидкостное охлаждение приводного линейного асинхронного электродвигателя 2,4. При периодической работе электромолота в качестве охлаждающих жидкостей могут быть использованы электротехнические масла, тосол или кремнийорганические жидкости, у которых коэффициенты теплоотдачи паров могут составлять α=10500 Вт/м²*К, что по сравнению с аналогичным коэффициентом воздух - гладкая поверхность α=5.6+4*V (V - скорость перемещения охлаждающего воздуха в м/с) дает многократное увеличение эффективности теплопередачи от линейного асинхронного двигателя к цилиндрическому корпусу 1 и оболочке 10 электромолота. А эта цилиндрическая герметичная оболочка имеет развитую поверхность, что дает возможность излучать всю выделяемую мощность электромолота в окружающую среду без применения специальных мер по его обдуву. Установка на корпус электромолота пригрузочной массы 21 еще более улучшает его тепловые характеристики и одновременно устраняет отдачу корпуса электромолота при разгоне трубчатого якоря-бойка в нижнем направлении.The hammer 18 is mounted on a driven pile 20. In advance, the lower part of the cylindrical sealed shell of the electric hammer 10 and the chamber of the anchor-hammer 13 are partially filled with coolant. Through the quick connector 15 and the check valve 14, all three chambers 11, 12 and 13 are filled with heat-conducting and current-insulating gas of high pressure. All these cavities, together with the vacuum chamber 18, act as energy storage devices for the tubular striking armature when it is cocked to the upper position. And this platoon is produced by supplying the voltage of the required frequency from the frequency-controlled electric drive to the three-phase input device 9 of the stator of a linear induction motor with coils 2. At the same time, a running field is created in the air gap between the stator and the tubular armature-striker 4 with a speed of V = 2 · τ · F, where τ is the pole division (m), f is the frequency of the stator supply current (1 / s). This speed is usually chosen equal to (0.5 ÷ 1) m / s. This running field in the tubular anchor striker with a short-circuited winding 6 creates a pulling force and it begins to move to the upper position. When the lower end of the anchor-striker of the upper position sensor of the tubular anchor-striker of position 7 passes, it gives a signal to disconnect the control system from the stator 1. The forces of compressed air in the chambers 11, 12, 13, the attractive force of the vacuum chamber 18 begin to act on the tubular anchor-striker and the weight force of the most tubular striking anchor. It intensively brakes and accelerates in the opposite direction. The anchor-striker, which has accelerated to a pre-impact speed equal to (6 ÷ 6.5) m / s, strikes on the Shabot 17, which transfers shock energy to the pile 20 through the shock absorber 19. The operating mode is calculated so that the Shabot does not leave the electric hammer body 1 using airtight guide 22. After striking, the firing pin anchor bounces off the Shabot, and the entire mass of the cylindrical body of the electric hammer along with the load 21 is lowered to the top of the Shabot. The signal from the lower position sensor 8 of the anchor-striker again turns on the control system and the anchor-striker again begins to move to the top and the electric hammer cycle is repeated. In addition to the mentioned forces acting on the tubular anchor during its acceleration downward, by reversing the stator from the converter, an additional pulling force of the motor 2 can be formed. With the frequency control of a linear asynchronous motor of an electric hammer, its efficiency is 75-80%, which is in powerful hammers gives a rather large heat loss in the anchor, which, without rotational motion, as in conventional rotary electric motors, on the rotors of which blowing fans are installed, has poor conditions for cooling. In the proposed design of the electric hammer, it is practically impossible to install the so-called forced cooling systems with special "riders" - fans. Therefore, in the proposed design of the electric hammer, intensive gas-liquid cooling of the drive linear asynchronous electric motor 2.4 is introduced. During the periodic operation of the electric hammer, electrotechnical oils, antifreeze or organosilicon liquids can be used as cooling liquids, in which the heat transfer coefficients of the vapor can be α = 10500 W / m ² * K, which, in comparison with the same coefficient, is the air-smooth surface α = 5.6 + 4 * V (V is the speed of movement of cooling air in m / s) gives a multiple increase in the efficiency of heat transfer from a linear induction motor to a cylindrical body 1 and a shell 10 of an electric hammer. And this cylindrical hermetic shell has a developed surface, which makes it possible to radiate all the emitted power of the electric hammer into the environment without the use of special measures to blow it. The installation of the boot mass 21 on the body of the electric hammer further improves its thermal characteristics and at the same time eliminates the impact of the body of the electric hammer when the tubular anchor striker is accelerated in the lower direction.

Установка предохранительного защитного клапана 16 обеспечивает защиту электромолота от возможного превышения давления внутри корпуса при его перегреве.The installation of a safety protective valve 16 provides protection of the electric hammer against possible overpressure inside the housing during its overheating.

В целом предлагаемый электромолот имеет полностью герметичную конструктивную схему с избыточным давлением внутри, что обеспечивает его высокую надежность в работе и при хранении на открытом воздухе, а применение интенсивного газожидкостного охлаждения еще более увеличивает надежность работы электромолота.In general, the proposed electric hammer has a completely sealed structural circuit with an overpressure inside, which ensures its high reliability in operation and storage outdoors, and the use of intensive gas-liquid cooling further increases the reliability of the electric hammer.

Claims

An electric hammer containing a housing with a three-phase stator winding of a linear induction motor, in which, with the possibility of reciprocating movement, a hollow monolithic in the lower part of the firing pin with a short-circuited conductive winding on its outer surface, a shock absorber with a shock absorber, characterized in that the stator winding is linear an induction motor is installed in the upper part of the cylindrical body of the electric hammer, which is equipped with position sensors made tubular anchors the striker, while the cylindrical body of the electric hammer is placed inside the cylindrical sealed enclosure with the formation of the lower and upper chambers, the lengths of which are respectively equal to the length of the cylindrical body of the electric hammer and the stroke of the anchor-striker, while these chambers are freely interconnected, and the upper chamber with the inner cavity of the anchor-striker, and the lower chamber is equipped with a pipeline with a check valve, while the lower chamber and the cavity of the anchor-striker are partially filled with heat-conducting and current-insulating liquid, The other parts of the lower chamber, the cavity of the anchor-striker and the entire upper chamber are filled with heat-conducting gas of increased pressure, and the lower chamber is equipped with a protective safety valve, while a vacuum chamber is made between the lower monolithic part of the armature and the strikers, the shock absorber is sealed in the lower monolithic part of the cylindrical the body of the electric hammer with the possibility of reciprocating movement relative to it, and the cylindrical sealed shell is provided with additional loading mass, three-phase stator winding of the linear induction motor system elektromolota connected to the variable frequency power supply and controller.