Топор-колун с бойком и направляющей

Полезная модель относится к ручным ударным инструментам, в частности, к инструментам с разделением ударной динамической части-бойка и статической части. Статическая часть содержит рабочий орган. Полезная модель может быть использована для колки дров, льда и т.п.
Подобный инструмент необходим для строгой фиксации и повторных ударов в заданное место.
Известен ручной ударный инструмент для разрушения льда (Патент РФ №2517843, E01H 6/00, B25D 3/00, опубл. 10.06.2014), содержащий ударный элемент-боек с осевым отверстием, направляющий стержень и рабочий орган с заостренной частью. Направляющий стержень размещен в осевом отверстии бойка и жестко соединен с рабочим органом.
Наиболее близким устройством того же назначения к заявляемому устройству по совокупности существенных признаков является рабочим органом.
Недостатком устройства является недостаточная эффективность разрушения льда вследствие большой массы статической части инструмента, составляющей сумму масс направляющего стержня и рабочего органа.
топор-колун (https://kolundrov.ru/catalog/drovokol-stilet/), содержащий ударную динамическую часть с осевым отверстием, направляющий вал и рабочий орган в виде клина. Направляющий вал размещен в отверстии ударной части. Статическая часть инструмента объединяет в себе направляющий вал и клин.
Недостатком устройства является недостаточная эффективность ударного воздействия из-за включения в статическую массу, кроме необходимого для колки дров клина, направляющего вала.
Таким образом, в результате анализа уровня техники установлено, что все рассмотренные аналоги и прототип имеют общий недостаток в виде значительной массы статической части за счет жесткой связи направляющего стержня и рабочего органа.
При работе инструмента боек после удара продолжает движение, соединившись  с рабочим органом. Взаимодействие такого типа можно рассматривать как абсолютно неупругий удар. В результате удара бойка о статическую часть инструмента вся его кинетическая энергия расходуется на деформацию обрабатываемого материала и по закону сохранения импульса:
,
д
где М - масса динамической части;
с
М- масса статической части;
1
V- скорость до удара;
2 -
Vскорость после удара.
Соответственно, коэффициент полезного действия (КПД) передачи энергии при работе инструмента имеет вид:
с
Из последнего выражения следует, что для повышения КПД необходимо минимизировать массу статической части инструмента М.
Задачей полезной модели является повышение КПД топора-колуна.
Технический результат полезной модели состоит в снижении массы статической части инструмента путем освобождения рабочего органа от жесткой связи с направляющим стержнем.
Результат достигается тем, что у топора-колуна, содержащего боек с осевым отверстием, в котором размещен направляющий стержень, соединенный с рабочим органом, выполненным в виде клина, согласно полезной модели соединение направляющего стержня с рабочим органом выполнено подвижным, с возможностью осевого линейного перемещения путем размещения его конца в глухом отверстии рабочего органа, при этом для ограничения взаимного линейного перемещения часть глухого отверстия рабочего органа выполнена ступенчатой расширяющейся формы в сторону основания и на конце направляющего стержня выполнено утолщение препятствующее отсоединению его от рабочего органа.
Выполнение соединения направляющего стержня с рабочим органом подвижным позволяет исключить массу направляющего стержня из процесса взаимодействия динамической и статической частей инструмента. Функция направляющего стержня в предлагаемом устройстве ограничена его прямым назначением и не оказывает влияния на КПД.
Предложенное устройство поясняется чертежом фиг.1, на котором представлен топор-колун с бойком и направляющей.
Топор-колун содержит боек 1 с осевым отверстием 2, в котором размещен направляющий стержень 3, соединенный с рабочим органом в виде клина 4. Боек 1 перемещается по всей длине направляющего стержня 3. Направляющий стержень 3 перемещается относительно рабочего органа 4 в соответствии с размером замкнутой полости ступенчатого отверстия 5. Диапазон перемещения составляет (a-b), где a - длина отверстия 5; b - длина утолщения 6 на конце направляющего стержня 3.
В процессе работы рабочий орган 4 устанавливается в необходимом для удара месте 8, и затем боек 1 перемещают вверх по направляющему стержню 3 расположенному вертикально. При этом конец 6 направляющего стержня 3 лежит на основании 7 отверстия 5 под действием собственного веса. После падения бойка 1 на рабочий орган 4 происходит удар, кинетическая энергия передается от бойка 1 рабочему органу 4 и последний перемещается в направлении удара. Вследствие отсутствия жесткой связи направляющего стержня 3 и рабочего органа 4, направляющий стержень 3 не оказывает влияния на процесс передачи кинетической энергии. Следовательно, массу направляющего стержня 3 можно не учитывать при определении массы статической части инструмента и она не оказывает отрицательного влияния на КПД.
Изготовление предлагаемого инструмента возможно резанием, ковкой или литьем с использованием типового технологического процесса.
Проведенные испытания опытного образца топора-колуна с массой бойка 3 кг и массой клинообразного рабочего органа 1 кг  подтвердили успешное решение поставленной задачи. Направляющий стержень из трубы массой 0,68 кг не снижал эффективность работы инструмента.
По формуле (2) для опытного образца полезной модели и прототипа:
М
КПД=3/(3+1)=0,75;  (3)
М
где КПД - КПД опытного образца полезной модели.
П
КПД =3/(3+1+0,68)=0,64;  (4)
П
где КПД - КПД прототипа полезной модели.
м
п
Таким образом, из выражений (3) и (4) следует, что у опытного образца полезной модели КПД выше, чем у прототипа КПД на 17%.
Применение полезной модели экономит время и силы рабочего.