Пневматический ударный механизм
PNEUMATIC IMPACT MECHANISM

Изобретение относится к области строительства и горной промышленности, в частности к пневматическим устройствам ударного действия.
Известно устройство пневматического ударного механизма (а.с. СССР 359382, 1972 г. Е21С 3/24), содержащее цилиндрический корпус с выпускными каналами, кольцевой фланец со сквозным центральным отверстием, рабочий инструмент с хвостовиком, ступенчатый ударник со штоковой частью со сквозным осевым отверстием и втулкой с каналом-пазом, установленной в сквозном осевом отверстии и закрепленной относительно кольцевого фланца, стержень с поршневой частью, постоянно находящейся в сквозном осевом отверстии ступенчатого ударника, и взаимодействующий с каналом-пазом втулки, втулку цилиндрического корпуса с отверстием для пропуска штоковой части ударника, стакан с каналом подвода воздуха, опирающийся на кольцевой фланец и закрепленный относительно цилиндрического корпуса, кольцевую распределительную камеру во втулке цилиндрического корпуса и камеру сетевого воздуха в стакане, разделенные кольцевым фланцем, кольцевую камеру пневматического буфера со стороны штоковой части ступенчатого ударника и камеру холостого хода со стороны хвостовика рабочего инструмента, удерживаемого пружиной относительно цилиндрического корпуса. Канал-паз во втулке, при взаимодействии с поршневой частью стержня, обеспечивает открытие и закрытие сквозного осевого отверстия ударника. Втулка цилиндрического корпуса, образующая кольцевой перешеек со стороны камеры пневматического буфера, ограничивает величину перемещения ступенчатого ударника.
Недостатками устройства являются: кольцевая камера, образованная цилиндром корпуса и штоковой частью ударника, не участвует в образовании силового импульса давления воздуха с ее стороны, что препятствует повышению энергии удара; выполнение штоковой части ударника должно обеспечивать посадку с установленной в цилиндре втулкой, обеспечивая ее соосность со стержнем, и возрастанию сил сопротивления движению поршневой части стержня во втулке, торможению ударника и снижению надежности стержня, жесткое болтовое крепление которого усиливает снижение его надежности.
Наиболее близким по технической сущности заявляемому устройству, является устройство пневматического ударного действия (патент РФ 2547876, 2015 г. Е21В 1/30, Е21С 37/22), содержащее цилиндрический корпус с выпускными каналами, кольцевой фланец со сквозным центральным отверстием, рабочий инструмент с хвостовиком, ступенчатый ударник со штоковой частью, установленный в центральном отверстии кольцевого фланца стержень с поршневой частью, постоянно находящейся в сквозном осевом отверстии ступенчатого ударника, кольцевую камеру пневматического буфера, втулку цилиндрического корпуса с отверстием для пропуска штоковой части и образующую со стороны кольцевой камеры пневматического буфера кольцевой перешеек, ограничивающий величину перемещения ступенчатого ударника, закрепленный относительно цилиндрического корпуса стакан с каналом для подвода воздуха, кольцевую распределительную камеру во втулке цилиндрического корпуса, камеру сетевого воздуха со стороны кольцевого фланца, камеру холостого хода со стороны хвостовика рабочего инструмента, удерживаемого пружиной относительно цилиндрического корпуса. Стержень установлен в центральном отверстии кольцевого фланца с расчетным калиброванным зазором относительно поверхности штоковой части стержня, снабженного со стороны камеры сетевого воздуха буртиком со сквозными отверстиями с проходным сечением не менее проходного сечения калиброванного зазора и проходного сечения сквозных отверстий впуска в камеру сетевого воздуха, образованную кольцевым фланцем и установленной крышкой со стопором, ограничивающими величину осевого перемещения стержня, опертой и закрепленной стаканом относительно кольцевого фланца и цилиндрического корпуса, а канал, соединяющий периодическую камеру холостого хода и кольцевую распределительную камеру, выполнен на поршневой части стержня. Канал выполнен в виде канал-паза с изменяющимся геометрическим сечением, увеличивающимся от боковой поверхности поршневой части со стороны стержня до окончания его поршневой части со стороны сквозного осевого отверстия ступенчатого ударника.
Недостатком этого устройства является наличие кольцевой камеры пневматического буфера, в котором создается импульс давления в период холостого хода, обуславливающий преждевременное торможение ударника и уменьшение его перемещения, за счет чего уменьшается участок разгона ступенчатого ударника при рабочем ходе, снижается скорость соударения с хвостовиком рабочего инструмента и снижается, переданная ему, энергия удара.
Задачей заявляемого изобретения является замена функций кольцевой камеры пневматического буфера на функции кольцевой управляемой камеры рабочего хода с перепуском воздуха из кольцевой распределительной камеры, за счет выполнения на боковой поверхности штоковой части ступенчатого ударника управляемого канал-паза перепуска воздуха с изменяющейся площадью геометрического сечения периодически, в зависимости от положения ступенчатого ударника, сообщающим кольцевую распределительную камеру и кольцевую управляемую камеру рабочего хода между собой.
Поставленная задача решается тем, что пневматический ударный механизм, содержащий цилиндрический корпус с выпускными каналами, кольцевой фланец со сквозным центральным отверстием, крышки с впускным отверстием, рабочий инструмент с хвостовиком, ступенчатый ударник со штоковой и поршневой частями, установленными в центральном отверстии кольцевого фланца стержень с поршневой частью с каналом-пазом, постоянно находящейся в сквозном осевом отверстии ступенчатого ударника, втулку цилиндрического корпуса с отверстием для пропуска штоковой части ступенчатого ударника и образующем во втулке кольцевой перешеек, ограничивающий величину перемещения ступенчатого ударника, закрепленный относительно цилиндрического корпуса стакан с каналом подвода воздуха, кольцевую распределительную камеру во втулке цилиндрического корпуса, камеру сетевого воздуха в крышке со стороны кольцевого фланца, ограничивающий величину перемещения ступенчатого ударника, закрепленный относительно цилиндрического корпуса стакан с каналом для подвода воздуха, кольцевую распределительную камеру во втулке цилиндрического корпуса, камеру сетевого воздуха в крышке со стороны кольцевого фланца, камеру-ресивер между стаканом и крышкой, камеру холостого хода со стороны хвостовика рабочего инструмента, удерживаемого пружиной относительно цилиндрического корпуса, при чем канал-паз на боковой поверхности поршневой части стержня выполнен с изменяющимся геометрическим сечением, увеличивающимся от боковой поверхности поршневой части со стороны стержня до окончания его поршневой части со стороны сквозного осевого отверстия ступенчатого ударника, согласно изобретения, между штоковой частью ступенчатого ударника и цилиндрическом корпусом со стороны кольцевого перешейка втулки, образована кольцевая управляемая камера рабочего хода, а на боковой поверхности штоковой части ступенчатого ударника выполнен канал-паз перепуска воздуха с изменяющейся площадью геометрического сечения в виде прямоугольника в продольном сечении вдоль образующей штоковой части и так, что протяженность канал-паза перепуска воздуха, в зависимости от положения ступенчатого ударника, достаточна для периодического сообщения кольцевой распределительной камеры и кольцевой управляемой камеры рабочего хода между собой.
Для расширения области применения многоцелевого пневматического ударного механизма и увеличения эффективности использования внутренней энергии воздуха в кольцевой управляемой камере рабочего хода, целесообразно выполнить канал-паз перепуска в следующих конструктивных решениях. Целесообразно перепуск воздуха осуществить посредством канал-паза, выполненного в виде расходящихся вершинами прямоугольных треугольников (Фиг. 2) с уменьшающимися площадями поперечных сечений в стороны кольцевой распределительной камеры и кольцевой управляемой камеры рабочего хода.
При холостом ходе ступенчатого ударника кольцевая управляемая камера рабочего хода наполняется воздухом плавно, до окончания перепуска воздуха из кольцевой распределительной камеры, что не вызывает резкого торможения ступенчатого ударника, удлиняет участок его перемещения и при рабочем ходе на большем участке разгона с возрастающим наполнением кольцевой камеры рабочего хода, обуславливает возрастание импульса кинетической энергии удара, передаваемого хвостовику рабочего инструмента.
Целесообразно перепуск воздуха осуществить посредством канал-паза выполненного в виде прямоугольного треугольника с уменьшающейся площадью поперечного сечения в сторону кольцевой распределительной камеры (Фиг. 3).
При холостом ходе ступенчатого ударника увеличивается участок его перемещения с резким торможением в конце и увеличивается импульс давления воздуха в начале разгона ступенчатого ударника при рабочем ходе с последующим расширением воздуха и увеличением кинетической энергии ступенчатого ударника при большем КПД использования внутренней энергии воздуха кольцевой управляемой камеры рабочего хода.
Целесообразно перепуск воздуха осуществить посредством канал-паза, выполненного в виде прямоугольного треугольника с уменьшающейся площадью поперечного сечения в сторону кольцевой управляемой камеры рабочего хода (Фиг. 4).
При холостом ходе ступенчатого ударника обеспечивается эффективное наполнение кольцевой управляемой камеры рабочего хода до перекрытия канал-паза перепуска. Последующее сжатие воздуха осуществляется с более резким возрастанием противодавления воздуха и более резким торможением и остановкой ступенчатого ударника. При рабочем ходе после некоторого расширения, осуществляется резкий впуск воздуха, ступенчатый ударник получает дополнительный импульс от давления воздуха, что обуславливает увеличение скорости ступенчатого ударника и увеличение импульса энергии удара, передаваемого хвостовику рабочего инструмента.
Перемещение ступенчатого ударника с резкими изменениями его скорости будет целесообразным для применения пневматического ударного механизма в машине значительных энергий, в качестве навесного оборудования на подвижных шасси или самоходных базовых машин.
Целесообразно перепуск воздуха осуществить посредством канал-паза, выполненного в виде ярусов прямоугольных канал-пазов, разделенных перемычками (Фиг. 5).
При холостом и рабочих ходах ступенчатого ударника кольцевая управляемая камера рабочего хода наполняется прерывисто, в следствии чего камера является источником колебаний, передаваемых в течении рабочего цикла ступенчатому ударнику и корпусу пневматического ударного механизма, что обуславливает его вибрационный и ударный режим работы. При этом частота колебаний корпуса существенно превышает частоту ударов, поэтому такое решение целесообразно применять в качестве машин виброударного воздействия на обрабатываемые среды естественного и искусственного происхождения.
Целесообразно выступающие кромки каналов-пазов пропуска выполнить так, чтобы плоскости сторон углов, обращенных внутрь штыковой части ступенчатого ударника были представлены в виде сопряженных плоскостей с кривизной окружности радиусом равному наибольшей глубине канал-паза.
Предложенное техническое решение канал-паза перепуска с кривизной сопряженных плоскостей канал-паза снижает величину местных гидравлических сопротивлений канал-паза, увеличивает коэффициент перехода воздуха, что позволяет уменьшить геометрические размеры площади сечения канал-паза при необходимом и достаточном его расходе воздуха и предопределяет снижение поперечных размеров канал-пазов в ступенчатом ударнике. Дополнительно исключаются концентраторы напряжений на участках канал-пазов при плавном переходе сопряжений плоскостей, что обеспечивает большую прочность и ресурс ступенчатого ударника.
Устройство пневматического ударного механизма поясняется чертежами.
На Фиг. 1 представлен общий вид устройства в продольном разрезе. На Фиг. 2 представлено устройство в продольном разрезе с каналом-пазом перепуска на боковой поверхности штоковой части ступенчатого ударника в виде расходящихся вершинами прямоугольных треугольников с уменьшающимися площадями поперечных сечений в стороны кольцевой распределительной камеры и кольцевой камеры рабочего хода. На Фиг. 3 представлено устройство в продольном разрезе с каналом перепуска на штоковой части ступенчатого ударника в виде прямоугольного треугольника с уменьшающейся площадью поперечного сечения в сторону кольцевой распределительной камеры. На Фиг. 4 представлено устройство в продольном разрезе с каналом перепуска на штоковой части ступенчатого ударника в виде прямоугольного треугольника с уменьшающейся площадью поперечного сечения в сторону кольцевой камеры рабочего хода. На Фиг. 5 представлено устройство в продольном разрезе с каналом перепуска на штоковой части ударника в виде ярусов прямоугольных канал-пазов, разделенных перемычками.
Устройство пневматического ударного механизма содержит цилиндрический корпус 1 с втулкой 2, установленный в нем с возможностью перемещаться ступенчатый ударник 3 со штоковой частью 4 и поршневой частью 5, имеющий сквозное осевое отверстие 6, частично входящий в него стержень 7 своей поршневой частью 8 с буртиком 9 в камере 10 сетевого воздуха. Поршневая часть 8 стержня 7 выполнена с канал-пазом 11 с увеличивающимся геометрическим сечением от боковой поверхности со стороны стержня 7 до окончания его поршневой части 8 со стороны сквозного осевого отверстия 6 что обеспечивает плавный впуск сетевого воздуха в сквозное осевое отверстие 6, ступенчатого ударника 3. Осевое перемещение стержня 7 ограничивают кольцевой фланец 12 с опиранием на него крышки 13 и стопор 14 крышки. Стакан 15 закрепляет крышку 13 относительно кольцевого фланца 12 и цилиндрического корпуса 1. В кольцевом фланце 12 центральное отверстие 16 для стержня 7 выполнено так, что в любом положении стержня 7 калиброванный кольцевой зазор между стержнем 7 и центральным отверстием 16 кольцевого фланца 12 сохраняет площадь сечения калиброванного зазора и обеспечивает впуск сетевого воздуха из камеры 10 сетевого воздуха в кольцевую распределительную камеру 17. Канал-паз 11 на поршневой части 8 стержня 7 обеспечивает периодический впуск воздуха в сквозное осевое отверстие 6 и далее по радиальным каналам 18 в камеру 19 холостого хода, а следовательно, запуск механизма в любом положении.
Камера 19 холостого хода сообщается с атмосферой через выпускной канал 20, а кольцевая управляемая камера 21 рабочего хода через выпускной канал 22 в стенке цилиндрического корпуса 1. Через канал 23 впуска в стакане 15 воздух поступает в камеру-ресивер 24, канал 25 в крышке 13, канал 26 в буртике 9 стержня 7 и калиброванный зазор центрального отверстия 16 кольцевого фланца 12 в кольцевую распределительную камеру 17. Рабочий инструмент 27 и его хвостовик 28 удерживает относительно цилиндрического корпуса 1 пружина 29.
Канал-паз 30 (Фиг. 1) перепуска в виде прямоугольного треугольника с проходным сечением и протяженностью на штоковой части ступенчатого ударника 3 достаточными для перепуска воздуха при сообщении кольцевой распределительной камеры 17 и кольцевой управляемой камерой 21 рабочего хода между собой.
Канал-паз 31 (Фиг. 2) перепуска выполнен в виде двух прямоугольных треугольников с расходящимися вершинами с уменьшающимися площадями сечений в стороны кольцевой распределительной камеры 17 и кольцевой управляемой камеры 21 рабочего хода между собой.
Канал-паз 32 (Фиг. 3) перепуска выполнен в виде прямоугольного треугольника с уменьшающейся площадью сечения в сторону кольцевой распределительной камеры 17.
Канал-паз 33 (Фиг. 4) перепуска выполнен в виде прямоугольного треугольника с уменьшающейся площадью сечения в сторону кольцевой управляемой камеры 21 рабочего хода между собой.
Канал-паз 34 (Фиг. 5) перепуска выполнен в виде ярусов прямоугольных поперечных пазов, разделенных перемычками.
Устройство пневматического ударного механизма работает следующим образом. После включения пускового устройства (на чертеже не показано, может быть любым) воздух из сети поступает по каналу 23 в стакане 15 в камеру-ресивер 24 и каналу 25 в крышке 13 в камеру 10 сетевого воздуха. Далее через канал 26 в буртике 9 стержня 7 и по кольцевому калиброванному зазору отверстия 16 в кольцевом фланце 12 в кольцевую распределительную камеру 17, из которой по канал-пазу 11 на поршневой части 8 стержня 7 с увеличивающейся площадью геометрического сечения от боковой поверхности поршневой части 8 стержня 7 до окончания его поршневой части со стороны сквозного осевого отверстия 6 воздух поступает по сквозному осевому отверстию 6 и его радиальным каналам 18 ступенчатого ударника 3 в камеру 19 холостого хода. Исполнение канала-паза 11 с изменяющимся геометрическим сечением позволяет снизить противодавление воздуха в камере 19 холостого воздуха за счет малого количество воздуха в начальный период впуска через меньшее проходное сечение канала-паза 11, что снижает сопротивление движению ступенчатого ударника 3, сохраняет его предударную скорость к моменту удара по хвостовику 28 рабочего инструмента 27. В положении, показанном на чертежах (Фиг. 1-5), кольцевая управляемая камера 21 рабочего хода сообщена с атмосферой посредством выпускного канала 22. Вначале движения ступенчатого ударника 3, когда канал-паз 11 на поршневой части 8 стержня 7 открыт, продолжается наполнение воздухом камеры 19 холостого хода, обеспечивая расчетную величину импульса холостого хода. Давление воздуха в камере 19 холостого хода повышается и под действием импульса давления с ее стороны ступенчатый ударник 3 начинает движение в сторону кольцевой распределительной камеры 17, совершая холостой ход. При последующем движении ступенчатый ударник 3 открывает канал 20 в цилиндрическом корпусе 1, перекрывает канал-паз 11 поршневой части 8 стержня 7, а затем давление воздуха в камере 19 холостого хода выравнивается до атмосферного. Перемещаясь, ступенчатый ударник 3 перекроет выпускной канал 22 и в кольцевой управляемой камере 21 рабочего хода после разобщения ее с атмосферой начинается сжатие отсеченного в ней воздуха и воздуха, начинающего поступать через канал-паз 30 перепуска (Фиг. 1), либо канал-паз 31 перепуска (Фиг. 2), либо канал-паз 32 перепуска (Фиг. 3), либо канал-паз 33 перепуска (Фиг. 4), либо ярусы канал-пазов 34 перепуска (Фиг. 5) из кольцевой распределительной камеры 17 в кольцевую управляемую камеру 21 рабочего хода. В результате этого происходит выравнивание давления воздуха в обеих камерах. Выравнивание давления воздуха будет осуществляться несмотря на поступление воздуха в кольцевую распределительную камеру 17 посредством центрального отверстия 16 и канала 26 в буртике 9 стержня 7 из камеры 10 сетевого воздуха, которая будет заполняться воздухом посредством канала 25 в крышке 13 из камеры-ресивера 24. При постоянной площади сечения канал-паза 30 перепуска (Фиг. 1) или изменяющейся площади сечения канал-паза 31 перепуска (Фиг. 2), либо канал-паза 32 перепуска (Фиг. 3), либо канал-паза 33 перепуска (Фиг. 4), либо ярусы канал-пазов 34 перепуска (Фиг. 5) в кольцевой распределительной камере 17 и кольцевой управляемой камере 21 рабочего хода давление воздуха, несмотря на его изменение, будет поддерживаться практически одинаковым.
Увеличивающееся давление воздуха в кольцевой распределительной камере 17 и кольцевой камере 21 рабочего хода будет затормаживать перемещение ступенчатого ударника 3. При отсутствии давления воздуха со стороны камеры 19 холостого хода ступенчатый ударник 3, исчерпав энергию импульса холостого хода, остановится в расчетном положении, завершив холостой ход.
Сразу же, после остановки, под действием импульса давления воздуха со стороны кольцевой распределительной камеры 17 и кольцевой управляемой камеры 21 рабочего хода ступенчатый ударник 3 начнет свое перемещение в сторону хвостовика 28 рабочего инструмента 27, совершая рабочий ход.
Перемещаясь в сторону хвостовика 28 канал-паз 30 перепуска (Фиг. 1) или канал-паз 31 перепуска (Фиг. 2) либо канал-паз 32 перепуска (Фиг. 3), либо канал-паз 33 перепуска (Фиг. 4), либо ярусы канал-пазов 34 перепуска (Фиг. 5) на боковой поверхности штоковой части 4 ступенчатого ударника 3, перекроется перешейком втулки 2 цилиндрического корпуса 1 и воздух из кольцевой распределительной камеры 17 прекратит поступление в кольцевую управляемую камеру 21 рабочего хода, что обусловит расширение в ней воздуха, а в кольцевой распределительной камере 17 его повышение до величины давления воздуха в камере 10 сетевого воздуха.
При последующем перемещении ступенчатый ударник 3 своей поршневой частью 5 перекроет выпускной канал 20 в цилиндрическом корпусе 1 и в камере 19 холостого хода начнется процесс сжатия, отсеченного в ней воздуха и воздуха, начинающего поступать после открытия канал-паза 11 на поршневой части 8 стержня 7, в сквозное осевое отверстие 6 и посредством радиальных каналов 18 в поршневой части 5 ступенчатого ударника 3, непосредственно в камеру 19 холостого хода. Перемещаясь, в сторону хвостовика 28, ступенчатый ударник 3 поршневой частью 5 откроет выпускной канал 22 и из кольцевой управляемой камеры 21 рабочего хода начнется выпуск отработавшего воздуха с понижением его давления до величины атмосферного. Далее ступенчатый ударник 3, преодолевая сопротивление противодавления воздуха со стороны камеры 19 рабочего хода, наносит удар по хвостовику 28 рабочего инструменты 27. В результате соударения с хвостовиком 28 ступенчатый ударник 3 передаст кинетическую энергию рабочему инструменту 27 и после отскока от хвостовика 28, ступенчатый ударник 3 начнет свое движение под действием импульса отскока и импульса давления воздуха со стороны камеры 19 холостого хода, совершая холостой ход следующего рабочего цикла.
Использование заявляемого изобретения позволяет: увеличить КПД использования внутренней энергии воздуха кольцевой управляемой камеры рабочего хода; разгон ступенчатого ударника на большем участке его перемещения; увеличить импульс кинетической энергии передаваемый хвостовику рабочего инструмента при расширении воздуха с увеличением его количества при подаче в период разгона ступенчатого ударника; увеличить участок разгона ступенчатого ударника при более резком его торможении в конце холостого хода с увеличением импульса давления воздуха в начале разгона при рабочем ходе; повысить частоту подачи воздуха в кольцевую управляемую камеру рабочего хода с увеличением участков расширении воздуха при уменьшении его подачи из кольцевой распределительной камеры, чем повысить экономичность рабочего процесса пневматического ударного механизма; применение плавно сопрягаемых переходов канал-пазов снижает отрицательное влияние концентраторов напряжений в материале конструкции ступенчатого ударника и повышает его ресурс.