ПНЕВМАТИЧЕСКИЙ МОЛОТ
AIR HAMMER

Пневматический молот относится к области строительной и горной техники для разработки крепких материалов естественного и искусственного происхождения.
Известен пневматический молот (см., например, а.с. СССР № 95534, Мкл. В25D 9/00, Е21С 3/24, Е21С 37/2, 1953 г.), содержащий полый корпус цилиндрической формы, крышку корпуса и крышку направляющей ступенчатой промежуточной наковальни, ступенчатый ударник, разделяющий полость корпуса на камеры сетевого, рабочего и холостого хода, рабочий инструмент с хвостовиком, установленным в направляющую, закрепленную относительно корпуса болтовым соединением, управление впуском воздуха в камеры осуществляется ступенчатым ударником. Ступенчатая промежуточная наковальня расположена между ударником и хвостовиком инструмента.
Указанное техническое решение обладает недостатками: наковальня меньшей ступенью обращена в камеру холостого хода; отсутствуют элементы воздухораспределения, управляющие положением наковальни; ударник как воздухораспределитель имеет зависимость хода от его длины, что обуславливает низкую маневренность, значительную удельную массу лома, приходящуюся на единицу его ударной мощности.
Известно также техническое решение пневматического бетонолома (см., например, патент Великобритании № 908883, Мкл. В25D, 1962 год), содержащего устройство впуска, устройство воздухораспределения воздуха между камерами, устройство шумозащиты, устройство виброзащиты, рабочий инструмент с хвостовиком и устройством для его удержания, полый цилиндр с подвижным относительно цилиндра дополнительным цилиндром, ударник, разделяющий полость цилиндра на камеры рабочего и холостого ходов, промежуточную наковальню ступенчатой формы, расположенную между ударником и хвостовиком рабочего инструмента, камеру пневматического буфера со стороны большой ступени наковальни, кольцевую камеру со стороны меньшей ступени наковальни, сообщенную с устройством воздухораспределения, меньшая ступень наковальни своей торцевой площадью обращена в сторону камеры холостого хода, причем большая и меньшая ступень объединены продольным пазом без выхода на их торцевые поверхности, а паз взаимодействует с каналом воздухораспределения.
Указанное техническое решения имеет недостаток: кольцевая камера, образованная цилиндром и ступенями промежуточной наковальни, не сообщена с камерой холостого хода и не участвует в образовании силового импульса давления воздуха с ее стороны; промежуточная наковальня всегда находится в положении опирания на хвостовик рабочего инструмента, а следовательно, существенно увеличивает ход ударника под противодавлением со стороны камеры холостого хода, в результате чего увеличиваются потери кинетической энергии ударника перед ударом и время рабочего хода, что предопределяет снижение частоты ударов. Кроме отмеченного, к недостаткам указанного технического решения следует отнести многодетальность, которая, как правило, приводит к снижению надежности и ресурса устройства в целом.
Известно техническое решение пневматического молотка (см., например, патент Швеции № 358332, Мкл. В25D 9/01, 1973 г.), включающего полый цилиндр с выпускным каналом, ударник, разделяющий полость цилиндра на камеры рабочего и холостого ходов с впускными каналами, рукоятку с устройствами впуска и воздухораспределения между камерами, выпускную камеру с воздухоотбойным кожухом и каналом выпуска, рабочий инструмент с хвостовиком, промежуточную ступенчатую наковальню, расположенную между ударником и хвостовиком рабочего инструмента, камеру пневматического буфера со стороны меньшей ступени наковальни, кольцевую сетевую камеру со стороны большей ступени наковальни, сообщенную впускным каналом в стенке цилиндра с устройством впуска и воздухораспределения в рукоятке, среднюю ступень наковальни, своей торцевой площадью обращенной в сторону камеры холостого хода.
Указанное техническое решение пневматического молотка принято в качестве прототипа, как содержащее наибольшее количество существенных признаков, общих с заявленным техническим решением.
Прототипу свойственен основной недостаток: кольцевая камера со стороны большей ступени наковальни не сообщена с камерой холостого хода и не участвует в образовании силового импульса давления воздуха с ее стороны. Это определяет впуск значительного количества воздуха в камеру холостого хода в предударный период; образование значительного противодавления и торможение ударника и, как следствие, снижение его кинетической энергии, передаваемой промежуточной наковальне и далее хвостовику рабочего инструмента и обрабатываемой среде. При этом расходуется значительное количество воздуха, подаваемого в камеру холостого хода, которое представляется возможным сократить за счет его подачи только для целей запуска.
Недостаток прототипа устраняется, если кольцевую камеру, сообщенную с сетью сжатого воздуха, периодически сообщать с камерой холостого хода, а основной канал впуска воздуха в камеру холостого хода применять в качестве канала запуска.
Сущность предлагаемого технического решения сводится к следующему.
Пневматический молот содержит полый цилиндр с выпускным каналом, ударник, разделяющий полость цилиндра на камеры рабочего и холостого хода с впускными каналами, рукоятку с устройствами впуска и воздухораспределения между камерами, выпускную камеру с воздухоотбойным кожухом и каналом выпуска, рабочий инструмент с хвостовиком, промежуточную ступенчатую наковальню, расположенную между ударником и хвостовиком рабочего инструмента, камеру пневматического буфера со стороны меньшей ступени наковальни, кольцевую сетевую камеру со стороны большей ступени наковальни, сообщенную впускным каналом в стенке цилиндра с устройством воздухораспределения в рукоятке, среднюю ступень наковальни, своей торцевой площадью обращенной в сторону камеры холостого хода, причем средняя ступень наковальни снабжена перепускным каналом с выходом в камеру холостого хода и входом на участке боковой поверхности средней ступени, периодически перекрываемым цилиндром со стороны кольцевой сетевой камеры.
Целесообразно перепускной канал выполнить в виде прямого паза с постоянным проходным сечением.
Целесообразно перепускной канал выполнить в виде наклонного паза с увеличивающимся проходным сечением в сторону камеры холостого хода.
Целесообразно перепускной канал выполнить в виде прямой лыски с постоянным проходным сечением.
Целесообразно перепускной канал выполнить в виде наклонной лыски с увеличивающимся проходным сечением в сторону камеры холостого хода.
Целесообразно перепускной канал выполнить в виде наклонного круглого в сечении канала в теле ступени наковальни.
Целесообразно перепускной канал выполнить в виде усеченного конуса, расширяющегося в сторону камеры холостого хода.
Целесообразно перепускной канал выполнить в виде коленчатого канала в теле средней ступени наковальни.
Задача предлагаемого технического решения заключается в снижении удельного расхода воздуха и повышении экономичности молота.
Предлагаемое техническое решение поясняется чертежами. На фиг.1 показан пневматический молот с частичным продольным разрезом с выполнением перепускного канала в ступени наковальни в виде прямого паза с постоянным проходным сечением; на фиг.2 - фрагмент выполнения перепускного канала в виде наклонного паза с увеличивающимся проходным сечением в сторону камеры холостого хода; на фиг.3 - фрагмент выполнения перепускного канала в виде прямой лыски; на фиг.4 - фрагмент выполнения перепускного канала в виде наклонной лыски с увеличивающимся проходным сечением в сторону камеры холостого хода;
на фиг.5 - фрагмент выполнения перепускного канала в виде наклонного круглого в сечении канала в теле ступени; на фиг.6 - фрагмент выполнения перепускного канала в виде усеченного конуса, расширяющегося в сторону камеры холостого хода; на фиг.7 - фрагмент выполнения перепускного канала в виде коленчатого канала в теле ступени. На всех чертежах обозначения приняты одинаковыми.
Пневматический молот содержит полый цилиндр 1 с выпускным каналом 2, ударник 3, камеру 4 рабочего хода с впускным каналом 5 и камеру 6 холостого хода с впускным калиброванным каналом 7 запуска, рукоятку 8 с устройствами впуска и воздухораспределения между камерами (на чертеже не показаны и могут быть любыми известными конструкциями), выпускную камеру 9 с воздухоотбойным кожухом 10 и каналом 11 выпуска, рабочий инструмент 12 с хвостовиком 13, промежуточную ступенчатую наковальню 14, расположенную между ударником 3 и хвостовиком 13, камеру 15 пневматического буфера со стороны меньшей ступени 16, кольцевую сетевую камеру 17 со стороны большей ступени 18, сообщенную впускным каналом 19 в стенке цилиндра 1 с устройством воздухораспределения в рукоятке 8, среднюю ступень 20 наковальни 14, своей торцевой площадью 21 обращенной в сторону камеры 6, перепускной канал в виде прямого паза 22 (фиг.1), либо наклонного паза 23 (фиг.2), либо прямой лыски 24 (фиг.3), либо наклонной лыски 25 (фиг.4), либо наклонного круглого в сечении канала 26 (фиг.5), либо конического канала 27 (фиг.6), либо коленчатого канала 28 (фиг.7) с выходом 29 в камеру 6 и входом 30 на участке боковой поверхности 31 ступени 20 наковальни, периодически перекрываемую цилиндром 1 со стороны кольцевой сетевой камеры 17.
Пневматический молот работает следующим образом.
При нажатии на рукоятку 8 и включении устройства впуска и воздухораспределения воздух одновременно поступает по калиброванному каналу 7 запуска в камеру 6 холостого хода и по впускному каналу 19 в кольцевую сетевую камеру 17. В положении, представленном на фиг.1, камеры 6 и 17 сообщаются между собой посредством перепускного канала в виде паза 22 либо наклонного паза 23 (фиг.2), либо прямой лыски 24 (фиг.3), либо наклонной лыски 25 (фиг.4), либо наклонного круглого в сечении канала 26 (фиг.5), либо конического канала 27 (фиг.6), либо коленчатого канала 28 (фиг.7), с выходом 29 и входом 30. Благодаря большей площади со стороны большей ступени 18 и меньшего давления воздуха на торцевую площадь 21, со стороны камеры 6 из-за меньшего поступления воздуха в нее через калиброванный канал 7 запуска, ступенчатая наковальня 14 вместе с ударником 3 начнут перемещение в сторону рукоятки 8 до упора большей ступени 18 в торец цилиндра 1, перекрывая перепускной канал, после чего наковальня 14 остановится в положении, представленном на фиг.2, 3, 4, 5, 6 и 7, а ударник под действием импульса давления воздуха со стороны камеры 6 будет продолжать движение, перекрывая выпускной канал 2. В результате давление воздуха в камере 4 рабочего хода повысится, и устройство воздухораспределения откроет доступ воздуха из сети по впускному каналу 5 в камеру 4. При дальнейшем перемещении ударник 3 откроет канал 2 со стороны камеры 6 и из нее воздух через канал 2, выпускную камеру 9, канал 11 выпуска будет удаляться в атмосферу. Давление воздуха в камере 6, несмотря на некоторое его поступление через калиброванный канал 7 запуска, установится близким атмосферному, чему способствует существенно большее проходное сечение канала 2 в сравнении с сечением канала 7. Исчерпав начальный импульс давления воздуха со стороны камеры 6, ударник 3 остановится и начнет свое движение в сторону ступенчатой наковальни. После перекрытия ударником 3 выпускного канала 2 в камере 6 начнется сжатие воздуха, отсеченного в ней, и воздуха, поступающего по калиброванному каналу 7 запуска. Давление воздуха в камере 4 понизится, и устройство воздухораспределения закроет его доступ к каналу 5 и камере 4. Поскольку давление воздуха в камере 6 не велико из-за малости проходного сечения канала 7 запуска, ударник 3, преодолевая силу противодавления, нанесет удар по наковальне 14. Расчетная величина силы соударения со стороны ударника 3 определяется кинетической энергией, которой обладает ударник, и силой давления воздуха на торцевую площадь 21 со стороны камеры 6. Сумма указанных сил больше суммы сил, удерживающих наковальню 14 в положении, показанном на фиг.2, 3, 4, 5, 6 и 7, за счет давления воздуха на площадку большей ступени 18 со стороны камеры 15 пневматического буфера, действующих на площадку меньшей ступени 16 наковальни. Под действием большей силы со стороны камеры 6 наковальня 14 вместе с ударником 3 переместится в сторону хвостовика 13 рабочего инструмента 12 до соударения с хвостовиком, вследствие чего кинетическая энергия удара от движущихся масс ударника и наковальни будет передана рабочему инструменту и обрабатываемой среде.
В период открытия перепускного канала в виде прямого паза 22 (фиг.1) камеры 6 и 17 сообщатся, и порция значительного количества воздуха, накопленного в камере 17, перетечет в камеру 6. Под действием значительного импульса давления воздуха ударник 3 разъединится с наковальней 14 и начнет ускоренное движение в сторону рукоятки, совершая холостой ход, чему будет способствовать и давление воздуха, натекающего в камеру 6 через канал 7 запуска. При дальнейшем своем движении ударник 3 перекроет выпускной канал 2, и в камере 4 начнется сжатие отсеченного в ней воздуха. После открытия ударником 3 выпускного канала 2 со стороны камеры 6 давление воздуха в камере понизится и под действием значительных сил давления воздуха на большую ступень 18 со стороны сетевой камеры 17 и на меньшую ступень 16 со стороны камеры 15 пневматического буфера ступенчатая наковальня ускоренно переместится от хвостовика 13 и перекроет перепускной канал в виде прямого паза 22 (фиг.1), либо наклонного паза 23 (фиг.2), либо прямой лыски 24 (фиг.3), либо наклонной лыски 25 (фиг.4), либо наклонного канала 26 (фиг.5), либо конического канала 27 (фиг.6), либо коленчатого канала 28 (фиг.7), и камеры 17 и 6 разомкнутся и в камере 17 начнется накапливание воздуха до давления, близкого сетевому.
В текущий период времени цикла давление в камере 4 повысится до расчетной величины, и устройство воздухораспределения откроет доступ воздуха в канал 5 и камеру 4. Под действием противодавления со стороны камеры 4 ударник начнет затормаживать свое движение, а исчерпав импульс сил давления, полученный со стороны камеры 6, он остановится и сразу же начнет ускоренное движение в сторону к наковальне 14, совершая рабочий ход.
Перемещаясь в сторону наковальни 14, ударник перекроет выпускной канал 2 со стороны камеры 6 и в ней начнется сжатие отсеченного воздуха и воздуха, поступающего в калиброванный канал 7 запуска. Отметим, что при сообщенной камере 6 с атмосферой посредством канала 2, камеры 9 и канала 11 в периоды холостого и рабочего хода ударника 3 производительный расход воздуха незначителен из-за малости проходного сечения калиброванного канала 7 запуска. Далее при своем движении ударник 3 открывает выпускной канал 2, вследствие чего давление в камере 4 снижается практически до величины атмосферного, поскольку проходное сечение канала 2 существенно больше проходного сечения канала 5.
В результате отмеченного устройство воздухораспределения сразу же отключает подачу воздуха в канал 5 и камеру 4.
Преодолевая сопротивление от противодавления воздуха со стороны камеры 6, ударник 3 наносит удар по наковальне 14. Расчетная величина силы соударения со стороны ударника 3 определяется кинетической энергией, которая во втором цикле соударения существенно больше, чем в цикле запуска. Таким образом, сумма сил от удара и давления воздуха, действующих на торцевую площадь 21 со стороны камеры 6, существенно больше сил, удерживающих наковальню 14 в положении, показанном на фиг.2, 3, 4, 5, 6 и 7, за счет давления воздуха на площадку большей ступени 18 со стороны камеры 17 и давления воздуха со стороны камеры 15 пневматического буфера, действующих на площадку меньшей ступени 16 наковальни.
Под действием большей силы давления воздуха на торцевую площадку 21 со стороны камеры 6 наковальня 14 вместе с ударником 3 переместится в сторону хвостовика 13 рабочего инструмента 12 до соударения с хвостовиком, вследствие чего кинетическая энергия удара от движущихся масс ударника и наковальни будет передана рабочему инструменту и обрабатываемой среде.
В период открытия перепускного канала в виде прямого паза 22 (фиг.1) камеры 6 и 17 сообщаются, и порция значительного количества накопленного воздуха, с большим давлением, нежели это имело место в цикле запуска, перетечет в камеру 6. Под действием значительного импульса давления воздуха ударник 3 разъединится с наковальней 14 и начнет ускоренное движение в сторону рукоятки, совершая холостой ход, чему будет способствовать и давление воздуха, натекающего в камеру 6 через калиброванный канал 7 запуска. Параметры энергетических и экономических показателей второго цикла будут соответствовать по значению параметрам установившегося режима работы пневматического молота. Далее рабочий процесс будет повторяться.
Таким образом, выполнение перепускного канала в виде прямого паза (фиг.1) между сетевой камерой 17 и камерой 6 холостого хода, функционирующего в период соударения ударника 3 с наковальней 14, позволяет обеспечить производительный расход воздуха посредством сетевой камеры, а непроизводительный расход воздуха снизить за счет существенного уменьшения проходного сечения впускного канала в камеру холостого хода, оставив за ним в основном функции запуска, т.е. функции впускного калиброванного канала 7 запуска.
Особенности предложенных вариантов конструктивного выполнения перепускного канала на участке боковой поверхности средней ступени между камерами 17 и 6 с учетом изменяющегося давления в камерах следующие.
Выполнение перепускного канала в виде прямого паза (см. фиг.1) позволяет осуществить перепуск воздуха при постоянном проходном сечении со стороны входа и выхода потока воздуха, что обеспечит расчетный расход воздуха на всем периоде процесса перепуска.
Выполнение перепускного канала в виде наклонного паза с расширяющимся проходным сечением в сторону камеры холостого хода (см. фиг.2) позволяет осуществить перепуск воздуха с плавным увеличением и уменьшением расхода воздуха в периоды начала и окончания процесса перепуска.
Выполнение перепускного канала в виде прямой лыски (см. фиг.3) позволяет осуществить перепуск воздуха при постоянном проходном сечении канала со стороны входа и выхода потока воздуха и обеспечить большую прочность наковальни в поперечном сечении (по сравнению с прямым пазом) за счет уменьшения количества концентраторов напряжений на границах канала перепуска.
Выполнение перепускного канала в виде наклонной лыски (см. фиг.4) позволяет осуществить перепуск воздуха с плавным увеличением и уменьшением расхода воздуха в период начала и окончания процесса перепуска и большую прочность наковальни в поперечном сечении (по сравнению с наклонным пазом и прямой лыской) ступени за счет уменьшения количества концентраторов напряжений на границе входа канала перепуска.
Выполнение перепускного канала в виде наклонного канала круглого сечения (см. фиг.5) позволяет осуществить перепуск воздуха при постоянном проходном сечении со стороны входа и выхода канала, уменьшить количество концентраторов напряжений на границах канала перепуска за счет овальной формы отверстий канала, что позволяет повысить прочность наковальни.
Выполнение перепускного канала в виде конического усеченного конуса с расширяющимся проходным сечением на входе и выходе за счет его косых срезов (см. фиг.6) позволяет осуществить перепуск воздуха с плавным его расширением на выходе, что позволит снизить величину противодавления в период, предшествующий соударению ударника с наковальней.
Выполнение перепускного канала в виде коленчатого канала (см. фиг.7) позволяет осуществить перепуск воздуха при постоянном проходном сечении канала и гарантированном расчетном расходе воздуха на всем периоде процесса перепуска, чем обеспечит устойчивость рабочего режима в конце рабочего и начале холостого ходов ударника.
Варианты конструктивного исполнения перепускных каналов на участке боковой поверхности средней ступени (прямого либо наклонных пазов, прямой либо наклонной лыски, наклонного круглого сечения либо наклонного конусного, либо коленчатого) позволяют управлять режимом перепуска воздуха между камерами 6 и 17, что создает дополнительный положительный эффект при выборе режима работы пневматического молота.