Разработка электромеханического перфоратора с ударно-поворотным механизмом на основе анализа существующих конструкций

ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

УДК 621.01

А.О. Абидов

д-р техн. наук, профессор, ректор, Ошский технологический университет им. академика М.М. Адышева, г. Ош, Кыргызстан

О.М. Исманов

старший преподаватель, Ошский технологический университет им. академика М.М. Адышева, г. Ош, Кыргызстан

РАЗРАБОТКА ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОГО ПЕРФОРАТОРА С УДАРНО-ПОВОРОТНЫМ МЕХАНИЗМОМ НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА СУЩЕСТВУЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ

Аннотация. В данной статье проведен сравнительный анализ существующих конструкций электромеханических перфораторов ударно-поворотного действия, определены их достоинства и недостатки. Разработана и создана новая конструкция электромеханического перфоратора ударно-поворотного действия на основе механизма переменной структуры.

Ключевые слова: электромеханический перфоратор, ударно-поворотный механизм, механизм переменной структуры, кривошип, коромысло, универсальный коллекторный двигатель и инструмент.

A.O. Abidov, Osh Technological University named academic M.M. Adyshev, Osh, Kyrgyzstan

O.M. Ismanov, Osh Technological University named academic M.M. Adyshev, Osh, Kyrgyzstan

DEVELOPMENT OF ELECTROMECHANICAL HAMMERS WITH SHOCK-ROTARY MECHANISM BASED

ANALYSIS OF EXISTING CONSTRUCTIONS

Abstract. In this article it was conducted comparative analysis of existing constructions of electro-mechanic perforators of punching-rotating action, there were determined their advantages and shortcomings. New construction of electric-mechanic perforator of punching-rotating action was elaborated and created on the basis of variable structure mechanism.

Keywords: electo-mechanic perforator, punching-rotating mechanism, variable structure mechanism, crank, yoke, universal collector engine, instrument (tool).

Перфораторы ударно-поворотного действия предназначены для бурения шпуров и сверления отверстий, пробивки борозд в бетоне, кирпичной кладке и других материалах. Они широко применяются как для строительно-монтажных, так и для других слесарно-ремонтных работ.

Результаты испытаний и эксплуатации электромеханических перфораторов позволили установить, что в тяжелых условиях их работы происходят различные резонансные колебания в основных механизмах, влияющие на надежность и производительность работы [1-5]. Особенно при ускоренных режимах, с целью достижения относительно высокой производительности происходят их вибрации, приводящие к износу и поломке нагруженных деталей электромеханических перфораторов.

Основной причиной поломок нагруженных деталей и исполнительных элементов перфоратора является несоответствие их динамических характеристик тяжелым условиям работы при бурении или сверлении крепких пород. Причиной возникновения резонансных колебаний являются нерациональные режимы бурения (сверления), вызванные пульсирующим действием силы удара (при встрече исполнительного инструмента с более твердыми участками разрабатываемой породы), биения и неточное зацепление зубчатых шестерен, недостаточная виброустойчивость конструкций и многих др.

Решение вышеизложенных проблем обусловливает необходимость исследования и совершенствования конструкций электромеханических перфораторов ударно-поворотного действия.

В этом плане Российскими учеными изобретены и предложены оригинальные конструкции электромеханических перфораторов для строительно-монтажных работ.

Научным сотрудником НГТУ А.М. Яруновым разработан электромеханический перфоратор (изобретение Ки 2139989) [4], который имеет ствол цилиндрической формы 1, установленный на цилиндрической части корпуса редуктора, электродрели 2, шпиндель инструмента 3, имеющее пазовое подвижное соединение с толкателем-бойком 4, концентрично размещенным в торцовом кулачке 5, имеющим байонетное соединение с полым валом 6 (рис. 1). Шпиндель инструмента 3 и корпус 1 выполнены с коническими поверхностями, между которыми размещены конические кольца двухслойной конусной фрикционной муфты: внутреннее коническое кольцо 7, имеющее пазовое шлицевое соединение со стволом, и внешнее коническое кольцо 8, имеющее пазовое шлицевое соединение с пазом шпинделя инструмента, а байонетное соединение осуществляется Г-образными пазами полого вала 6 и штифтами 9 с уступами, соприкасающимися с внутренней поверхностью полого вала 6, и установленными в глухих отверстиях торцового кулачка 5, перпендикулярных к его оси вращения.

Электромеханический перфоратор работает следующим образом. Вращение ротора двигателя передается ее двухступенчатым зубчатым редуктором полому валу 6 и через байо-нетное соединение с торцовым кулачком 5 сообщается при помощи его криволинейных рабочих поверхностей и роликов толкателя-бойка 4 шпинделю инструмента 3. До соприкосновения инструмента с обрабатываемым искусственным материалом или породой такое вращение не преобразуется в возвратно-поступательное движение толкателя-бойка 4 с ударами по торцу шпинделя инструмента 3, т.е. имеет место холостой ход. После рассматриваемого соприкосновения шпиндель останавливается силами трения двухслойной конусной фрикционной муфты или замедляет свое вращение и происходит переход с холостого хода на рабочие режимы, соответственно, только удар или вращения с ударом бурения.

Рисунок 1 - Электромеханический перфоратор

Недостатком данного перфоратора является сложная конструкция, возможность размыкания основания крепления пружины межвиткового давления и коромысла при переходе с холостого хода на рабочий режим, путем перемещения бойка от нажатия инструментом на поверхность материала и преобразования коромыслового механизма в коромыслово-кривошипно-ползунный, работающий при сравнительно низкой скорости вращения кривошипа.

Учитывая вышеизложенные недостатки А.М. Яруновым разработана другая конструкция электромеханического перфоратора (Изобретение Ки 2152500) [5], который состоит из двигателя 1, зубчатого редуктора 2, головки 3, шпильки 4, основания 5, торцового кулачка 6, толкате-

ля-бойка 7, шпинделя инструмента-бура 8, основания корпуса 9, шпилек 10, головки 11, втулки 12 и кожуха 13 (рис. 2.).

Данный электромеханический перфоратор работает следующим образом. Вращение ротора двигателя 1 через зубчатый редуктор 2 передается головке 3 с зубчатыми колесами и шпильками 4, сообщается основанию 5, а также через байонетное соединение торцовому кулачку 6. Рабочая криволинейная поверхность торцового кулачка 6, преобразует его вращение в поступательное перемещение толкателя-бойка 7, с его вращением в осевом направлении шпинделю инструмента-бура 8 с ударами по торцу его хвостовой части, после размыкания рабочей криволинейной поверхности торцового кулачка 6 по ее верхней линии с образующей цилиндрического ролика толкателя-бойка 7.

Рисунок 2 - Электромеханический перфоратор

Недостатками данного перфоратора являются сравнительная металлоемкость и трудоемкость изготовления за счет длины ствола и времени обработки соосных внутренних и внешних поверхностей тонкостенного ствола. Достаточно быстрый нагрев ствола от ударного взаимодействия толкателя-бойка и шпинделя инструмента, обусловленный замкнутой формой ствола, препятствующей охлаждению воздухами, вызывающей снижение долговечности обмоток электродвигателя и затрудняющий температурным воздействием условия работы оператора-бурильщика.

Оригинальная конструкция электромеханического перфоратора с ударно-поворотным механизмом предложена сотрудники Ошского технологического университета совместно с НИЦ «Проблем машиностроение» Инженерной академии Кыргызской Республики (рис. 3).

Главной особенностью данной конструкции является то, что работа рычажного ударного механизма переменной структуры совместно с рычажным поворотным механизмом создает ударно-поворотное действие. Конструкция электромеханического перфоратора имеет следующие узлы и механизмы: буровой инструмент, универсальный коллекторный двигатель, редуктор, ударный узел, буксовый узел, поворотный механизм. Ударный узел представляет собой шарнирно-четырехзвенный механизм переменной структуры Самудина Абдраимова кривошип-но-коромыслового типа с наибольшим шатуном, где вращательное движение якоря двигателя 1 через шестерни 2, 4 и коническое колесо 5 редуктора передается кривошипу-шестерне 6 ударного узла (рис. 3). Вращательное движение кривошипа-шестерни 6 через шатун 7 преобразуется в качательное движение коромысла-бойка 8. В момент выстраивания звеньев в одну линию коромысло-боек 8 максимально разгоняется и наносит удар по торцу волновода 9, затем отходит обратно назад. Ударная волна, проходя через волновод 9, передается буровому инструменту 10 и от неё к обрабатываемой среде.

Рисунок 3 - Конструкция электромеханического перфоратора с ударно-поворотным механизмом

11 12 13

Рисунок 4 - Кинематическая схема электромеханического перфоратора с ударно-поворотным механизмом

Ударный узел перфоратора работает совместно с поворотным механизмом следующим образом (рис. 4). В редукторе шестерня 4 взаимодействует с шестерней 11, которая посредством шпоночного соединения вращает кривошипный вал 12 кривошипно-коромыслового механизма поворота. Вращение кривошипного вала 12 посредством шатуна 13 преобразуется в качение коромысла 14 одновременно являющегося корпусом храпового механизма. Параметры кривошипно-коромыслового механизма поворота подобраны так, чтобы храповой механизм, во время рабочего хода, повернул буровой инструмент 10 на технологически необходимый угол. Причем зацепление шестерен 4 и 11 отрегулировано таким образом, чтобы рабочий ход храпового механизма происходил, когда коромысло-боек 8 отходит назад после соударения с волноводом 9. Такая настройка совместной работы механизмов удара и поворота позволяет распределить нагрузку на универсальный коллекторный электродвигатель перфоратора. Технические характеристики электромеханического перфоратора с ударно-поворотным механизмом представлены в таблице 1.

Таблице 1 - Технические характеристики электромеханического перфоратора с ударно-поворотным механизмом

№ Показатели Единица измерения Числовые значения

1 Энергия удара Дж 30

2 Частота ударов Гц 17

3 Угол поворота инструмента град. 65

4 Потребляемая мощность Вт 1000

5 Тип электродвигателя - УКД

6 Масса кг 26

Следует отметить, что данный электромеханический перфоратор ударно-поворотным механизмом отличается тем, что кривошипно-коромысловый и храповой механизмы поворота содержат взаимодействующие друг с другом кривошипный вал, шатун, коромысло одновременно являющеюся корпусом храпового механизма, внутри которого установлены собачки воздействующие через ствол на поворот бурового инструмента при рабочем ходе коромысла, а при обратном ходе коромысла собачки не воздействуют на ствол, поэтому буровой инструмент не поворачивается.

Таким образом, проведенный обзор и анализ существующих электромеханических перфораторов показывают, что имеются определенные перспективы совершенствования их конструкций. Разработанный сотрудниками ОшТУ и ИА КР электромеханический перфоратор с ударно-поворотным механизмом по своей технологичности изготовления и применения имеет хорошую перспективу внедрения. В связи с этим возникает необходимость проведения аналитических и экспериментальных исследований процессом работы данного электромеханического перфоратора для улучшения его динамических характеристик и технико-экономических показателей.

Список литературы:

1. Васильев В.М. Перфораторы: справочник [Текст] / В.М.Васильев. - М.: Недра. 1982. -

216 с.

2. Смирнов А.А. Ручные машины для строительных работ [Текст] / А.А. Смирнов. - М.: Стройиздат, 1989. - Ч. 2. - 239 с.

3. Кадыркулов А.К. Буроударный способ отделения блоков камня перфораторами с ударным механизмом переменной структуры [Текст]: дис. ... канд. техн. наук: 05.05.06 / А.К. Кадыркулов. - Бишкек, 2002. - 195 с.

4. Электромеханический перфоратор [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://findpatent.ru/patent/213/2139989.html (дата обращения: 07.12.15).

5. Электромеханический перфоратор [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://findpatent.ru/patent/215/2152500.html (дата обращения: 07.12.15).