专利名称：单次击锤装置和清洁管道的方法
技术领域：
本发明涉及一种击锤装置和操作这种装置的方法，该装置适用于对管道进行单次机械敲击以定期去除积聚在多条管道(如锅炉管道)外部的附着物。
以前曾采用多种管道敲击方法和装置来清除锅炉管道等热交换管外部积聚的粉尘和其它附着物。这种击锤装置通常由一系列锤子组成，这些锤子用来敲击与被清洁管道相连的横杆或端板。锤的敲击引起管道振动，产生管道清洁作用，充分去除积聚在管道外部的附着物。为此需以相对高的输入能量敲击管道端板，以充分引起管道振动，从而产生满足要求的清洁作用。一般施加在端板上的最大加速度在200g’s以内，其具体值取决于管道附着物的类型，它将产生适应清洁要求的25g’s至100g’s的最大管道加速度。
管道敲击过程通常是由若干次循环敲击来完成的，在一次循环中，几个近距且互相平行的端板被顺次敲击，敲击顺序可称为1，2，3……n，其中n是端板和/或冲击横杆的总数。每个端板/冲击横杆由一个锤敲击，因此锤数应等于热交换装置内的端板/收集杆数。在一种常用的击锤装置中，所有锤与一根共用的轴连接并由其驱动，锤根据端板的间距而间隔排列。各锤通常以不同的时间间隔冲击端板，这样不会有两个锤同时敲击端板而产生动力干涉，因为那会削弱在端板敲击过程中的清洁效果。这种常用的机械击锤装置已在Tuomaala的美国专利US3,835,817和Gamache etal的专利US5,315,966中披露。
在常规的击锤装置中，锤安装在一根公共轴上并可绕轴转动，当锤旋转到较高位置时，它们将在重力的作用下落下并冲击端板/收集横杆。一般锤将从接近竖直的位置(较高位置)旋转到最低垂直位置并通过装在端板/冲击横杆上的冲击杆水平击打端板。在锤击打之后，锤通常反弹并立即再次击打端板，然后再反弹，再击打……，直到冲击能量逐渐消耗完。通常锤在转动离开并为下一系列冲击端板而被举升之前，将在很短的时间间隔内打击端板杆3、4次或更多。但是，因为这种通过敲击端板而进行的管道清洁作用主要是由锤子敲打端板的第一次最强冲击完成的，而非通过紧跟其后的、且在管道有效清洁中不希望出现的后续多次较弱的冲击完成的，因此希望出现一种改进的击锤装置。
本发明的目的是提供一种击锤装置，它敲击并清洁蒸汽锅炉等热交换装置的管道，并削弱在锤首次主敲击管道端板后通常产生的多次附加弱敲击。通过适当分析和试验，发现这种由锤重复反弹产生的并作用于管道的附加弱敲击不利于管道清洁并降低清洁效果。击锤的首次主敲击使热交换器端板振动，以此清洁管道。但如果不减小或最好完全消除后继弱敲击，则它将影响已由锤首次主敲击产生的所需要的振动，并会消减甚至使振动完全停止，从而实际上减弱和消除了首次敲击的效果。这种失控的后继敲击降低了击锤装置的清洁效果，应予以消除。
本发明所提供的击锤装置包括一根可旋转的细长轴，其上固连有多个悬臂，各悬臂沿轴向间隔排列且圆周角依次增加，臂上铰接了带有细长杆的击锤。每个悬臂上装有一个弹簧机构，例如压缩弹簧或片簧，其一端可以抵在锤柄上。这种弹簧机构抵抗并限制击锤击打管道冲击杆时在首次主冲击方向上的摆动，但它并不抵抗锤的反弹运动。该弹簧机构与锤柄之间的接触点位置通过一个垫块调整，该垫块决定了弹簧抵抗锤柄的所需要的弹簧刚度。为了表征弹簧机构的特征函数，在击锤敲击点处测量的弹簧特性(弹簧刚度)是击锤重量和悬臂长度的函数。弹簧刚度在100磅/英寸至500磅/英寸之间是适宜的。
本发明还包括一种利用上述击锤装置清除积聚在多条管道外表面上的附着物的方法。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
图1表示一个热交换器管道装置，它包括普通端板和固连于管道下端的冲击杆。
图2表示热交换器多个敲击下端板的布置，如本发明所述每一个端板对准一个击锤，各锤以不同角度与一根共用的细长转轴转动相连。
图3是单次击锤和其驱动轴的横截面正视图。
图4a表示如本发明所述的击锤轴和装有弹簧机构的锤悬臂在锤将要敲击管道端板冲击杆前的情况。
图4b表示在锤敲击端板冲击杆瞬间，击锤和弹簧机构的位置。
图4c表示在首次敲击端板冲击杆后，击锤反弹。
图4d表示通常产生的重复敲击运动被弹簧机构限制，从而避免锤反弹后再次敲击端板杆。
图5a、5b、5c和5d表示如本发明中所述的可选择的弹簧机构的结构。
图6和6a是蒸汽锅炉中热交换管装置和击锤装置的更详细的正视图。
如图1和图2所示，热交换管装置10有多根管道11，其下端连有端板12，端板12带有一端板冲击杆13，此杆或在端板一端与端板固连，或以其外表面导向并与端板连接。冲击杆13的一端13a可被锤14敲击。如图所示，每个端板12和冲击杆13都有一个与对应每个端板冲击杆对准的锤14。每个击锤14都带有一细长杆15，杆15在枢轴16处与悬臂18转动连接，悬臂18沿细长转轴20的长度方向间隔排列。如图2所示，每个悬臂18沿径向从轴20上伸出，且依次每个悬臂的圆周角又都比在轴上间隔排列的前一个相邻悬臂18的圆周角大α＝20～60°。转轴20由至少两个固定轴承22支承并由齿轮马达23驱动。
正如图3所详细表示的那样，细长转轴20装在轴承22中，每个轴承是通过适当紧固件，如螺栓，紧固于支撑体24上的。从这种结构中可以明显看出，当轴20在轴承22中旋转时，每个击锤14随细长杆15被悬臂18举升到高于轴线的位置。然后当主轴20继续旋转时，敲击锤14将在重力作用下从其最高位置14a向其最低位置迅速落下，在最低位置击锤14以高冲击速度击打端板冲击杆13。很明显，当锤14落下时，其旋转速度将超过连接于轴20上的悬臂18的旋转速度。这种锤敲击在管道端板12和多根管道11内产生振动，以有效地振动并去除积聚在管道上的附着物，比如粉尘和管垢。
本发明所述的单次击敲锤装置的一般工作过程如图4a-4d所示。如图4a，带有细长杆15且在枢轴16处与悬臂18转动连接的击锤14绕轴20旋转，并朝下部端板12上的冲击杆13摆动。一弹簧机构22在支撑体24处与悬臂18固连，并以弹簧伸出端25抵住细长杆15。如图4b，击锤14在重力的作用下迅速落下并击打端板冲击杆13，锤柄15最初使弹簧机构22受缩或偏转，此时悬臂18在转轴20的驱动下继续旋转。如图4c，击锤14和其细长杆15在首次击打端板冲击杆13后反弹，这样细长杆15脱离与弹簧机构22的伸出端25的接触。最后，如图4d所示，锤14再次敲击端板冲击杆13的运动被本发明所述的弹簧机构22阻止，这样，在图4c中所示的反弹运动后，锤不会再次击打下部端板12上的冲击杆13。
弹簧机构22的所期望的弹簧常数与锤重、速度及其首次击打端板杆13的力有关。在击锤14首次主冲击期间，弹簧机构22将在锤柄15的作用下偏转。但是，在图4c所示的击锤首次反弹后，弹簧机构22的弹簧刚度必须能够充分抵抗锤对热交换器端板杆13的后继冲击。当锤总长为10-20英寸，锤重为20-40磅时，弹簧刚度为100-500磅/英寸是适宜的，其中弹簧刚度与锤-杆冲击点有关，这能够削弱并阻止敲击锤14在首次强敲击端板冲击杆13后的后继敲击。
本发明中可使用多种弹簧机构，具体描述见图5a、5b、5c。如图5a，锤30和其长柄31使用一片簧36。锤柄31与转动悬臂34在32处转动相连。用适当紧固件35，比如螺钉，将片簧36与悬臂34固连，在首次冲击时，弹簧通过垫块37偏转或加载，以对锤柄31施加不同的力来阻止它沿箭头40的方向朝弹簧运动。
如图5b，它与图5a所示结构相似，只是与悬臂34相连的片簧38改为刚体，并采用螺旋压缩弹簧42和垫块43。应选择片簧36和压缩弹簧42的弹簧刚度，以阻止锤30击打冲击杆13末端后所产生的后继敲击。
其它机构如图5c和5d所示，锤柄31与悬臂34通过长销44相连。一个L形挡件46也装在长销44上，并经螺旋或扭转弹簧48与悬臂34相连，使弹簧能阻止锤30沿箭头40的方向运动。如前所述，应选择扭转弹簧48的弹簧刚度，以阻止锤30重复击打冲击杆13。
如图6所示，蒸汽锅炉50包括多条竖直管道51，这些管道与上汽鼓52和位于壳体55内的下端板54相连，一个冲击杆53装在下端板54上或至少与其一端相连。一个单次击锤装置与机罩56内的冲击杆53对准。转轴和轴承装在炉壁55外，穿过炉壁的唯一构件是冲击杆53，它直接与敲击端板54相连。
具体描述见图6a，击锤30击打装在下端板54上或与其相连的冲击杆53。在杆与端板相连的情况下，如果需要，敲击杆53可装有环绕杆53的螺旋弹簧57，以用来消除后继敲击。
在工作过程中，带击锤的转轴一般静止，只在敲击管道时旋转。在敲击过程中，轴以0.5-2转/分恒速旋转，具体值取决于轴上的锤数和锤间距。一般对于轴上装有12或16只击锤的情况来说，各锤圆周角依次相差30°或22.5°。管道清洁过程包括几个清洁循环。这样在每次循环中，每个端板都会被敲击。每个端板的敲击次数是欲从管道上去除的附着物类型的函数。在一次清洁循环中，常对每个端板进行5-15次敲击。清洁循环的频率是根据特定的热交换器的实际管道清洁需要决定的。
暴露在炉内高温环境中的端板冲击杆由高强度、高韧性的金属材料制成，比如耐热镍合金或类似材料。限制冲击时端板冲击杆上的接触应力以低于材料屈服极限是很重要的。炉壁外的构件可用碳钢制成，因为它们没有处在高温中。对于接触或冲击表面而言，在工作温度中，最大接触应力不应超过接触材料屈服极限的80％。
下面结合实施例进一步描述本发明，但不应将实施例看成对保护范围的限定。
一个击锤装置，包括多个与细长轴转动相连的锤。各锤与悬臂转动相连，悬臂沿轴的长度方向间隔排列，悬臂相对于相邻悬臂以20-60°增加的圆周角取向。以下是一种常用击锤装置的重要物理参数和工作特性锤悬臂长12英寸锤重30磅相邻悬臂间圆周角30度弹簧机构的刚度 150磅/英寸轴的转速1转/分端板冲击杆直径 8.5英寸当击锤由转轴带动悬臂旋转而被举升时，击锤将在重力的作用下，从其最高位置迅速落下，并以高速击打端板冲击杆的一端，然后从端板处反弹，因而使连接于端板的多条管道产生振动。但是，在锤的首次反弹之后，它将克服弹簧机构的抵抗作用而移动，弹簧机构将阻止重复敲击端板杆及防止所不希望的反作用，并防止管道振动减弱。
尽管本发明依据最佳实施例进行了广泛描述，但在权利要求所限定的保护范围中的变化型式亦属于本发明。
权利要求
1.一种敲击并振动热交换器管道以清洁其外表面的击锤装置，包括一根至少由两个轴承支承的细长转轴；多个与上述转轴固连且间隔排列的悬臂，所述的每个悬臂与所述转轴垂直固连，其圆周角相对前一相邻悬臂依次增加；每个击锤与所述每个悬臂的伸出端转动连接；一个装在所述每个悬臂上的弹簧机构，它能与锤接触并相对于所述悬臂对每个所述锤的敲击运动施加一阻挡力；用于旋转所述轴和其上连接的击锤的装置，使击锤能击打冲击杆的暴露端，所述冲击杆装在管状热交换器端板上或与其相连，弹簧机构阻止了击锤重复敲击冲击杆。
2.如权利要求1所述的击锤装置，其特征在于所述悬臂沿径向从所述转轴上伸出且其圆周角相对于前一相邻悬臂增加20-60°。
3.如权利要求1所述的击锤装置，其特征在于每个所述弹簧机构的一端与所述悬臂相连，弹簧机构的另一端作用于锤的细长柄，以阻止锤在首次与冲击端板接触后的后继敲击接触。
4.如权利要求1所述的击锤装置，其特征在于所述击锤总重20-40磅，长10-20英寸。
5.如权利要求1所述的击锤装置，其特征在于装在所述悬臂上的弹簧机构包括一块垫块且其弹簧刚度为100-500磅/英寸。
6.如权利要求1所述的击锤装置，其特征在于所述转轴上有6-18根悬臂且击锤沿轴向间隔排列，每个悬臂的圆周角依次分别比前一悬臂大60-20度。
7.如权利要求1所述的击锤装置，其特征在于所述弹簧机构使用片簧。
8.如权利要求1所述的击锤装置，其特征在于所述弹簧机构使用压缩弹簧。
9.如权利要求1所述的击锤装置，其特征在于所述弹簧机构使用扭转弹簧。
10.如权利要求1所述的击锤装置，其特征在于所述转轴和击锤置于蒸汽锅炉下部的机罩内。
11.一种敲击并振动热交换器管道以去除管道外所不需要的附着物的击锤装置，包括一根至少由两个轴承支承的细长转轴；多个与上述转轴固连且间隔排列的径向伸出的悬臂，所述的每个悬臂与所述转轴垂直固连且其圆周角相对前一相邻悬臂依次增加20-60°；每个击锤装置包括一个重锤和一根与所述每个悬臂伸出端转动连接的杆。一个固连在所述悬臂上的片簧机构，它能与锤接触并对每个所述锤的敲击运动施加一阻挡力，以阻止锤首次敲击端板杆后的后继冲击接触；用于旋转所述轴和其上连接的击锤的装置，使击锤能在重力作用下落下并击打管式热交换器的端板冲击杆的暴露端，弹簧机构阻止了击锤重复敲击冲击杆。
12.一种使用击锤清洁多管装置外表面的方法，包括(a)提供多个与一细长转轴转动相连且沿轴长度方向布置的击锤，所述每个锤与悬臂转动相连，各悬臂以依次增加的圆周角与轴固连；(b)旋转所述旋转轴并把击锤举升到其最高位置，锤在重力作用下从该最高位置落下并且每个锤击打多管热交换器的冲击杆，在热交换器管道内产生振动以从管道外表面去除附着物；(c)阻止击锤对冲击杆的后继敲击。
13.如权利要求12所述的管道清洁方法，包括以0.5-2转/分旋转所述轴，使每个锤敲击端板杆以在管道内产生振动。
14.如权利要求12所述的管道清洁方法，包括周期性地运转所述转轴使每个管道冲击杆上受5-15次敲击。
全文摘要
一种击锤装置，用于定期敲击并清洁热交换器的管道，以去除管道外的附着物。多个击锤分别与悬臂转动连接，悬臂从一根转轴上伸出并沿该轴间隔排列。一弹簧机构装在每个悬臂上，并以足够的力与击锤接触，这样可以阻止击锤在首次敲击热交换器冲击杆后的重复击打运动。本发明还公开了一种操作击锤装置的方法，该方法用于定期敲击和清洁热交换器管道外表面，比如清除锅炉管道的积尘和烟垢。
文档编号F28G7/00GK1160189SQ96103560
公开日1997年9月24日 申请日期1996年3月11日 优先权日1995年3月17日
发明者弗兰蒂泽克·L·艾辛格 申请人:福斯特·惠勒能源公司