СПОСОБ СОЗДАНИЯ СИЛОВЫХ ИМПУЛЬСОВ И УДАРНЫЙ ИНВЕРСИОННЫЙ ДЕЗАКСИАЛЬНЫЙ МЕХАНИЗМ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD OF GENERATING IMPACT PULSES AND ICE IMPACT INVERSION OFFSET MECHANISM TO THIS END

Изобретение относится к машинам ударного действия, их аккумуляторам энергии и управлению параметрами снаряда при ударе. Способ и механизмы, созданные на его основе, могут применяться для разрушения, дробления и уплотнения различных материалов в горной, строительно-дорожной, металлургической и машиностроительной отраслях промышленности. Привод механизма может быть осуществлен с помощью электродвигателя, гидравлического двигателя, ДВС или пневматического двигателя. Основное его применение - на мобильных машинах типа экскаваторов, но он может быть реализован и на стационарных машинах типа дробилок, кузнечных молотов, копров, прессов и во многих других машинах. Он позволяет развивать энергию единичного удара и его мощность, в несколько раз превышающую мощность приводного двигателя.
Способы создания силовых импульсов различны по природе происхождения: пневматические, гидравлические, механические, взрывные от порохового заряда, от ДВС, вакуумные, электрические и другие. В большинстве машин ударного действия потенциальная энергия бойка трансформируется в кинетическую через скорость свободного падения, которая зависит только от высоты и времени падения, и не зависит от величины разгоняемой массы, а разгон снаряда (бойка) всегда начинается после его полной остановки. Практически все существующие способы используют гравитационную составляющую энергии при разгоне и усиливают природную силу гравитации в точке разгона силами выше упомянутых потоков. Силы этих энергетических потоков воздействуют непосредственно на массу и должны быть значительно больше разгоняемой массы. Энергия привода при этом увеличивается пропорционально этим силам. Такой способ заложен во всех существующих конструкциях машин ударного действия. Принципиальное отличие предлагаемого нами способа и устройств, создаваемых на его основе, состоит в том, что ударная масса, поднятая на высоту X, аккумулирует первую производную от перемещения по времени, то есть скорость. Поэтому при разгоне под действием внешней движущей силы ударная масса сразу превращается в динамическую составляющую энергии и значение этой силы значительно меньше.
1. Аналогом предлагаемого способа и механизма является способ трансформации силового воздействия от взрыва во вращающий момент коленчатого вала с помощью схемы поршневого двигателя внутреннего сгорания [1, страница 13, 14], выполненной для кривошипно-шатунного механизма с центральной ориентацией ползуна (поршня) относительно оси вращения коленчатого вала. Способ давно, широко и весьма эффективно применяется во многих инженерных разработках, трасформируя энергию взрыва в механическую энергию с очень большими потерями энергии. Предлагаемый нами способ и устройство имеют принципиально одинаковую схему трансформации энергии, только наша схема - инверсионная, то есть в ней, с помощью приводной механической энергии, создается мощное силовое воздействие (превышающее силы взрыва), а развиваемая ударная энергия может превышать приводную более чем на один порядок. При этом кинематическая схема снаряда - кривошипно-шатунная с дезоксиальной ориентацией ползуна (жестко связанного с инструментом и вместе образующих снаряд) относительно оси качания коромысла (выполняющего роль радиуса кривошипа в ДВС), приводимого с помощью приводного кривошипа, который выполняет роль взводного курка.
2. Аналогом предлагаемого способа является способ взвода, разгона и нанесения удара снарядом и устройство для его осуществлении при разрушении различных материалов [2], в котором основной приводной поток разделяют на потенциальные энергетические потоки, которые подают одновременно при взводе снаряда для отжима снаряда от захватывающего устройства и для его перемещения, причем эти потоки в начальной фазе разгона полностью отделены от основного приводного потока и обеспечивают форсированное отсоединение захватывающего устройства от снаряда и форсированное перемещение этого устройства вслед за снарядом. Общее с предлагаемым способом - разделение основного приводного потока на потенциальные энергопотоки при взводе снаряда, а при разгоне - отделение приводного энергопотока от разгоняющих снаряд энергопотоков.
3. Аналогом предлагаемого способа и механизма является принцип действия рычага первого рода [3], заложенный в конструкцию его мультипликатора [4], по схеме которого разработан молот Д-500 английской фирмы «Эрроу». В этом способе за счет проигрыша в силе при взводе снаряда выигрывают в перемещении (то есть в увеличении высоты подъема), благодаря чему повышается потенциальная гравитационная составляющая энергии снаряда, реализуемая при разгоне. Общее с предлагаемым способом и устройством - расстановка сил по схеме мультипликатора, которая отличается от схемы сил рычага тем, что точка приложения толкающей силы находится на месте движущейся массы, а точка приложения движущейся массы - на свободном конце. Разница с предлагаемым способом и устройством в том, что при взводе (подъеме) коромысла происходит вращательное движение его верхнего конца (с приведенной массой снаряда) относительно опоры, находящейся на противоположном конце. Поднятая вращающимся коромыслом взведенная масса на какую-то высоту «X» требует значительно больших усилий (и энергии), если бы эта же масса была поднята линейным перемещением с помощью мультипликатора рычага первого рода. В нашем способе получается выигрыш не в перемещении, а в первой производной от этого перемещения по времени (вращающийся радиус), то есть скорости. Поэтому потенциальная энергия подъема на ту же высоту «X» является динамической, полученной с помощью мультипликатора рычага второго рода, которая позволяет при разгоне снаряда значительно увеличить его энергию.
4. Аналогом предлагаемого способа и механизма является «Способ многоступенчатого взвода, разгона, удара снаряда и установка ударного действия для его реализации при разрушении горных пород» [5], в котором увеличение среднеквадратичной скорости снаряда осуществляют оптимизацией инерционной силы, создаваемой массой внутренней подпружиненной болванки - при изготовлении - и величиной ее зазора внутри снаряда, который должен быть равным половине хода поршня двигателя снаряда, а система управления дополнительно содержит два двухпозиционных электрогидравлических распределителя для двигателя ствола, раздельно соединенных с его поршневой и штоковой полостями, при этом катушка распределителя штоковой полости двигателя ствола соединена с датчиком, установленным в верхнем положении и соединенным через блок управления с таймером. Общее с заявляемым способом и механизмом: наличие внутри ползуна подпружиненной болванки и наличие двух двухпозиционных электрогидравлических распределителей для гидроцилиндра корпуса, раздельно соединенных с его поршневой и штоковой полостями через блок управления, содержащий таймер, установленный в кабине машиниста. Отличия в том, болванка установлена внутри ползуна над инструментом с помощью переходника и колпака, а датчик положения установлен в верхней мертвой точке вращающегося кривошипа.
5. Прототипом предлагаемого способа и механизма является принцип действия, заложенный в «Ударном механизме», положительное решение на который получено 11.02 2008 г. по заявке №2006139991/03(043606), поданной 13.11.2006 г. [6]. Он заключается в том, что ведущее звено снаряда, выполненное в виде шатунно-ползунного механизма, совершает качательное движение за счет приводного кривошипного вала в пределах 2π при угле раскрытия φ=π за один его оборот. Привод кривошипного вала осуществлен энергетическим вращающимся гидравлическим потоком насоса, который создается вращающимся энергопотоком ДВС базовой машины. Этим же гидравлическим потоком создаются линейные потоки для системы управления поступательными движениями поршней гидродвигателей, связанных с различными узлами базовой машины, в том числе и с корпусом молота, выполненным подвижным относительно опорного шипа рукояти и имеющим возможность линейного перемещения при каждом ударе в момент разгона на величину, равную необходимому заглублению снаряда в породу. При этом разгон снаряда при каждом ударе осуществлен в строго фиксированной мертвой точке коромысла при φ=90° за счет косого среза кривошипа под углом 15° к линии ориентации коромысла относительно кривошипа. Этот способ в сравнении с аналогами имеет следующие преимущества: 1. Механически создаваются значительно большие усилия ударных импульсов, чем усилия от взрыва в ДВС за счет того, что длина приводного кривошипа на порядок превышает эксцентриситет коленчатого вала. 2. Стабильно, просто и надежно регулируется величина энергетического потока силового импульса пружины, механически разгоняющего ведущее звено, коромысло механизма. 3. Простота конструкции, отсутствие узлов и деталей, требующих прецизионной обработки или работающих под давлением и требующих уплотнений благодаря полному разделению приводного и разгоняющего ударную массу энергетических потоков. Но, вместе с тем, он не лишен следующих недостатков. 1. He установлена степень влияния величины силового импульса пружины на энергию единичного удара снаряда в зависимости от величины приводной энергии. 2. Нет синхронности взаимодействия потоков разгона со значениями силовых импульсов при ударе при изменении кинетических силовых импульсов пружины в большую или меньшую сторону от ее балансного значения. 3. Из-за отсутствия учета времени на движение инструмента снаряда при заглублении в породу и другие возможные технологические операции трудно определить режимы работы узлов механизма и их размеры. 4. 3аглубление инструмента при каждом ударе осуществляется машинистом вручную, что связано с излишней тратой физических сил. 5. Не используется инерционный аккумулятор энергии, позволяющий без дополнительных затрат приводной энергии значительно повысить энергию единичного удара. 6. Механизм имеет низкий коэффициент неравномерности вращения кривошипа, из-за чего потенциальная энергия привода в момент выбега кривошипа практически используется наполовину.
1. Способ создания силовых ударных импульсов, заложенный в конструкции прототипа «Ударного механизма», в котором основным вращающимся энергетическим потоком ДВС создают вращающийся гидравлический поток насоса и разделяют его на два потока: первый вращающийся - для привода ползуна с помощью приводного кривошипа и второй линейный - для системы управления поступательными движениями поршней гидравлических двигателей (цилиндров), связанных с различными узлами базовой машины, в том числе и с корпусом молота, при этом с помощью первого потока осуществляют качательное движение коромысла в момент перехода от взвода к разгону снаряда и выбег приводного кривошипа при постоянной скорости его вращения, а с помощью второго потока создается неизменный силовой поток поджима опорных шипов рукояти с молотом при взводе и увеличивающийся поток при разгоне для создания перемещения корпуса со снарядом на величину заглубления последнего при ударе с целью 100% транформации энергии взвода в энергию единичного удара снаряда, все действия с потоками выполняют по требованиям положения NOY-HAW.
пр.
2. С целью создания синхронности взаимодействия независимых потоков взвода, разгона и управления при любых соотношениях значений энергии замыкающей пружины, больших или меньших балансного, и силовых импульсов при ударе, обеспечивающих стабильную возможность повышения энергии и мощности удара, а также и расчетной практической определенности, теоретическое время разжима замыкающей пружины (t) должно быть определено согласно требований положения NOY-HAW.
3. С целью повышения эффективности удара и надежности конструкции за счет увеличения продолжительности взаимодействия инструмента снаряда с породой или другими объектами обработки, создающей возможности: движения инструмента в породе, резерва времени для вторичного удара внутренней болванкой, гарантированного исключения удара снаряда по кривошипу в момент его завершения полного оборота, практическая частота ударов должна быть установлена по требованиям положения NOY-HAW.
4. Ударный инверсионный дезоксиальный механизм двигателя внутреннего сгорания для реализации способа, содержащий подвижный относительно рукояти корпус, подвешенный на проушине гидроцилиндра экскаватора и установленный на направляющей с опорным шипом при помощи проушины лафета, жестко связанного пальцами с рукоятью экскаватора и изготовленного в виде стальной поковки с резьбовым отверстием, размещенный в корпусе приводной вал с закрепленным на нем кривошипом, имеющим косой срез под углом 15° и кинематически связанным со снарядом, состоящим из инструмента, ползуна с внутренней подпружиненной болванкой, шатуна, коромысла, обоймы, гидроцилиндра со штоком и пружиной, установленной в цилиндрическом корпусе, имеющем упоры для пружины, на цилиндрическом корпусе приварены две цапфы, с помощью которых он шарнирно соединен с корпусом, при этом верхний конец коромысла шарнирно соединен с шатуном, связанным шарнирно с ползуном, а геометрические размеры кривошипа и коромысла определены по единому алгоритму, в котором геометрические размеры кривошипа и коромысла определены через эксцентриситет кривошипа (е), а для увеличения среднеквадратичной скорости инструмента снаряда механизм снабжен внутренной подпружиненной болванкой с массой, установленной при изготовлении и величиной ее зазора внутри снаряда, который должен быть равным половине хода снаряда, а система управления дополнительно содержит два двухпозиционных электрогидравлических распределителя для двигателя корпуса, раздельно соединенных с его поршневой и штоковой полостями, при этом катушка распределителя штоковой полости двигателя корпуса соединена с датчиком, установленным в верхнем положении и соединенным через блок управления с таймером, с целью снижения нагрузки на машиниста экскаватора путем создания автоматического заглубления инструмента снаряда, на консольном конце приводного кривошипа параллельно кривошипу установлено и закреплено кольцо с выступом, передний срез которого находится на линии, параллельной линии между центром кривошипа и его верхней мертвой точкой, а над ним выставлено наружное кольцо, установленное в опоре и закрепленное фиксатором, внутри которого сверху вставлен электрический датчик, связанный проводами с катушкой электрогидравлического распределителя через блок управления с таймером.
5. В ударном инверсионном дезоксиальном механизме с целью повышения эффективности удара путем использования инерционного аккумулятора энергии, позволяющего без дополнительных затрат приводной энергии значительно повысить энергию единичного удара, внутренняя болванка расположена в ползуне, снабженном переходником, в котором установлен подпружиненный инструмент, имеющий возможность перемещения относительно ползуна при заглублении в горную породу и зафисированный колпаком снизу.
6. С целью повышения производительности ударного процесса путем более полной загрузки двигателя в момент выбега кривошипного вала, он снабжен вторым кривошипом, развернутым на 180° и установленным на расстоянии не менее ширины корпуса молота относительно первого, а над ним расположен второй снаряд, установленный внутри корпуса второго молота.
Далее мы хотели бы несколько более подробно и глубже раскрыть преимущества предлагаемого способа и механизма в целом. Гравитационная составляющая энергии создается за счет линейного перемещения ударной массы в верхнюю точку на высоту X, в которой эти перемещения аккумулируются при завершении взвода. При разгоне под воздействием неуправляемых сил гравитационного потока эти перемещения вначале превращают массу в силу и создают скорость, а затем и кинетическую энергию разгоняемой массы. Для увеличения энергии при этом способе необходимо создавать дополнительные внешние энергетические потоки, увеличивающие скорость разгоняемой массы. Силы этих энергетических потоков воздействуют непосредственно на массу и должны быть значительно больше разгоняемой массы. Энергия привода при этом увеличивается пропорционально этим силам. Такой способ удара заложен во всех существующих конструкциях машин ударного действия и коэффициент полезного действия поэтому никогда не бывает больше единицы.
Принципиальное отличие предлагаемого нами устройства состоит в том, что ударная масса, взведенная коромыслом (представляющим собой радиус), в верхней точке на такой же высоте X взвода аккумулирует первую производную от перемещения по времени, то есть скорость. При разгоне под действием внешней движущей силы, создаваемой независимым энергетическим потоком замыкающей пружины коромысла, масса сразу превращается в динамическую составляющую энергии. Величина этой энергии увеличивается согласно описания NOY-HAW по пункту №4.
Предлагаемый нами способ и механизм поясняются следующими чертежами: на фиг.1 представлена фронтальная проекция одноударного за один оборот кривошипа молота, установленного на стандартной рукояти экскаватора с гидравлической системой управления в момент начала обработки горной породы; на фиг.2 - тот же молот в конце заглубления инструмента снаряда в момент последнего удара; на фиг.3 представлен вид по стрелке А на фиг.1 молота, совершающего один удар за время одного оборота приводного кривошипа; на фиг.4 показан вид с торца приводного вала кривошипа по стрелке Б на фиг.3; на фиг.5 представлен вид по стрелке А на фиг.1 молота, совершающего два удара за время одного оборота приводного кривошипа. Одноударный молот состоит из корпуса 1, с наружной стороны снабженного проушиной 2, соединенной сверху со штоком 3 гидроцилиндра 4 с помощью пальца 5, а снизу в резьбовом отверстии, коаксиально штоку, установлена направляющая 6, второй конец которой зафиксирован в кронштейне 7 корпуса 1 с помощью штифта 8, при этом направляющая пропущена через проушину 9 лафета 10, жестко соединенного с помощью пальцев 11 с рукоятью 12 экскаватора. В корпусе размещен кривошип 13, имеющий косой срез 14, вал 15 которого приводится через зубчатое колесо 16, цепь 17 и звездочку 18 от двигателя 19, а на другой цапфе вала с помощью шпонки 20 установлено кольцо 21 с выступом 22, протяженность которого определяется углом γ. Наружное кольцо 23, внутри которого вращается кольцо 21, установлено в опоре 24, жестко соединенной с корпусом 1, и закреплено в нем с помощью фиксатора 25. Кольцо 23 имеет два дополнительных радиальных отверстия 26, симметрично смещенных относительно центрального на угол α, а на торце - отверстие 27. Фиксатор 25 выполнен в виде пустотелого цилиндрического стержня с буртиком в средней части, поджимающем пружинку 28, которая упирается в накидную гайку 29, соединенной с корпусом 30. На внутреннем конце фиксатора установлен датчик 31, жестко соединенный с проводом, а на наружном - рукоятка 32. Наружная поверхность кривошипа упирается в обойму 33 с внутренним диаметром такого же размера, которая шарнирно установлена с помощью пальца 34 на средней части коромысла 35, причем на этом же пальце установлены проушины 36 штока 37, находящегося в корпусе 38 с аккумулирующей пружиной 39, при этом корпус с помощью цапф 40 шарнирно установлен в щеках 41 корпуса 1. Нижний конец коромысла 35 с помощью пальцев 42 шарнирно установлен в гнездах 43, жестко связанных со щеками 41 корпуса 1. Верхний конец коромысла с помощью пальца 44 шарнирно соединен с шатуном 45, другой конец которого через палец 46 соединен с ползуном 47, установленным на направляющих 48 корпуса 1. Нижний конец ползуна имеет внутреннее отверстие, в котором установлена болванка 49, пружина 50, упирающаяся в переходник 51, жестко соединенный с ползуном с помощью штифта 52 с одной стороны, и жестко соединенный снизу штифтом 53 с колпаком 54, внутри которого установлен подпружиненный инструмент 55. Для фиксации снаряда в транспортном положении корпус и ползун снабжены сквозным отверстием, в которое пропускается палец 56. Приводной вал 57 двухударного молота снабжен двумя кривошипами 13, установленными линейно по оси и развернутыми друг относительно друга в вертикальной плоскости на 180°. Базовая машина в этом случае должна иметь специальную рукоять с двумя гидроцилидрами, размеры которых в несколько раз меньше гидроцилинра стандартной рукояти. Или использовать вместо экскаватора бульдозер или танк, имеющий мощный гидравлический насос и гидравлическую систему управления.
Работает предложенный механизм следующим образом. Экскаватор подъезжает к месту работы, и машинист с помощью гидроцилиндров стрелы и рукояти устанавливает и упирает рукоять 12 нормально к обрабатываемой поверхности. Переводит молот из транспортного положения в рабочее путем удалении пальца 56. Коромысло займет горизонтальное положение, ползун переведется в крайнее нижнее положение. С помощью штока 3 гидравлического цилиндра 4 машинист упирает инструмент 55 снаряда в породу. Затем он включает двигатель 19, передающий крутящий момент через звездочки 16, 18 и цепь 17 на вал 15 кривошипа 13. Кривошип, начиная вращение, поднимает через обойму 33 коромысло 35 в верхнюю мертвую точку. При этом одновременно сжимается пружина 39 и поднимается шатун 45 с ползуном 47 на направляющих 48 в корпусе 1. При прохождении верхней мертвой точки выступ 22 кольца 21 контактирует с датчиком 31, который через провод посылает сигнал на блок управления, с помощью которого сбрасывается давление со штоковой полости цилиндра 4 и за счет этого корпус 1 совместно с ползуном в момент разгона перемещаются на заданную величину заглубления. Эта величина может быть установлена неоперативно изменением угла γ или оперативно с помощью таймера блока управления. При ударе инструмента 55 по породе он останавливается, и болванка 49 устремляется вниз и ударяет по его хвостовику. За счет вторичного удара инструмент сжимает пружину, установленную в колпаке 54 и проникает глубже в обрабатываемый объект. Кривошип 13 в момент прохода верхней мертвой точки выбегает из обоймы коромысла и не создает сопротивление движению коромысла 23. А в момент остановки инструмента он, продолжая вращение, постепенно контактируя с обоймой 33, входит с ней в силовое взаимодействие, поднимает коромысло вверх. При работе двухударного молота второй кривошип вала 56 в момент выбега первого совершает удар. Удары повторяются поочередно. Далее процессы повторяются.
1. Способ создания силовых ударных импульсов, заложенный в конструкции прототипа «Ударного механизма», в котором основным вращающимся энергетический поток ДВС создают вращающийся гидравлический поток насоса и разделяют его на два потока: первый вращающийся - для привода ползуна с помощью приводного кривошипа и второй линейный - для системы управления поступательными движениями поршней гидравлических двигателей (цилиндров), связанных с различными узлами базовой машины, в том числе и с корпусом молота, при этом с помощью первого потока осуществляют качательное движение коромысла в момент перехода от взвода к разгону снаряда и выбег приводного кривошипа при постоянной скорости его вращения, а с помощью второго потока создается неизменный силовой поток поджима опорных шипов рукояти с молотом при взводе и увеличивающийся поток при разгоне для создания перемещения корпуса со снарядом на величину заглубления последнего при ударе, отличающийся тем, что все действия с потоками выполняют по требованиям положения NOY-HAW.
пр.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что теоретическое время разжима замыкающей пружины (t) должно быть определено по условию требований положения NOY-HAW.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что практическая частота ударов должна быть установлена по требованиям положения NOY-HAW.
4. Ударный инверсионный дезоксиальный механизм двигателя внутреннего сгорания для его реализации, содержащий корпус, выполнен подвижным относительно опорного шипа при помощи лафета, изготовленного в виде стальной поковки с проушинами и резьбовым отверстием, в котором установлена направляющая с опорным шипом, жестко связанным пальцами с рукоятью экскаватора, и подвижно - с корпусом, подвешенным на проушине гидроцилиндра экскаватора, размещенный в корпусе приводной вал с закрепленным на нем кривошипом, имеющим косой срез под углом 15° и кинематически связанным со снарядом, состоящим из инструмента, ползуна с внутренней подпружиненной болванкой, шатуна, коромысла, обоймы, гидроцилиндра со штоком и пружиной, установленной в цилиндрическом корпусе, имеющем упоры для пружины, на цилиндрическом корпусе приварены две цапфы, с помощью которых он шарнирно соединен с корпусом, при этом верхний конец коромысла шарнирно соединен с шатуном, связанным шарнирно с ползуном, а геометрические размеры кривошипа и коромысла определены по единому алгоритму, в котором геометрические размеры кривошипа и коромысла определены через эксцентриситет кривошипа (е), а для увеличения среднеквадратичной скорости инструмента снаряда механизм снабжен внутренной подпружиненной болванкой с массой, установленной при изготовлении и величиной ее зазора внутри снаряда, который должен быть равным половине хода снаряда, а система управления дополнительно содержит два двухпозиционных электрогидравлических распределителя для двигателя корпуса, раздельно соединенных с его поршневой и штоковой полостями, при этом катушка распределителя штоковой полости двигателя корпуса соединена с датчиком, установленным в верхнем положении и соединенным через блок управления с таймером, отличающийся тем, что на консольном конце приводного кривошипа параллельно кривошипу установлено и закреплено кольцо с выступом, передний срез которого находится на линии, параллельной линии между центром кривошипа и его верхней мертвой точкой, а над ним выставлено наружное кольцо, установленное в опоре и закрепленное фиксатором, внутри которого сверху вставлен электрический датчик, связанный проводами с катушкой электрогидравлического распределителя через блок управления с таймером.
5. Ударный инверсионный дезоксиальный механизм по п.4, отличающийся тем, что внутренняя болванка расположена в ползуне, снабженном переходником, в котором установлен подпружиненный инструмент, имеющий возможность перемещения относительно ползуна при заглублении в горную породу и зафисированный колпаком снизу.
6. Ударный инверсионный дезоксиальный механизм по п.4, отличающийся тем, приводной кривошипный вал снабжен вторым кривошипом, развернутым на 180° и установленным на расстоянии не менее ширины корпуса молота относительно первого, а над ним расположен второй снаряд, установленный внутри корпуса второго молота.
NOW-HAY изобретения «Способ создания силовых импульсов и ударный инверсионный дезоксиальный механизм двигателя внутреннего сгорания для его реализации»
пр
пр
пр
пр.
пр
пр
пр
к
1
2
0
пр
пр
пр
пр
2
2
2
1. Продолжение описания первого пункта формулы способа… «что первым потоком при взводе коромысла со снарядом приводную энергию Э=M·g·Х(1+u) в верхней мертвой точке коромысла полностью переходят в потенциальную энергию и сжимают пружину энергией А=С·ΔХ/2, которую в верхней мертвой точке приводного кривошипа переводят в потенциальную энергию пружины, а при разгоне коромысла со снарядом потенциальную энергию пружины переводят в кинетическую А=C·ΔX/2=M·ν /2 для толкания коромысла в той же точке, при этом скорость ее разжима ν=√2·А/√M, а потенциальную энергию коромысла со снарядом переводят в кинетическую, величина реализации которой в энергию единичного удара снаряда зависит от величины энергии пружины и определяется по формуле:  где  - динамическая составляющая энергии удара, u - кратность ведущего звена - коромысла снаряда, равная отношению общей длины его 1 к длине опорного плеча 1, М - масса снаряда, ΔХ - максимальная деформация пружины, С=Р/ΔХ - жесткость пружины, Н/м, Р - сила сжатия пружины, Н, A=M·g·X - гравитационная составляющая энергии при угле качания коромысла φ от 90° до 0°,  - линейное перемещение снаряда, при этом необходимое значение кинетической энергии пружины определяют из условия баланса энергии взвода и разгона  а теоретическую частоту определяют по формуле:f=1/T=1/2·t=√2·А/4·e√M Гц, где t=2·e/ν -время разжима пружины, Т - время одного оборота кривошипа, е -эксцентриситет кривошипа».
2. Продолжение описания второго пункта формулы способа… «равно времени «выбега приводного кривошипа» (то есть времени его полного отсоединения от обоймы коромысла».
3. Продолжение описания третьего пункта формулы способа… «снижена как минимум в два раза или практическое время одного оборота кривошипа при разрушении горных пород должно быть меньше теоретического как минимум в два раза, с обязательной установкой угла заглубления снаряда в нижней точке не менее чем на 1/6 угла раскрытия коромысла φ(π) при каждом ударе при помощи второго энергетического потока управления, включаемого в верхней мертвой точке».
2
4. Продолжение описания заявки… «не только пропорционально массе и энергии замыкающей пружины, но и кратности коромысла в квадрате и квадрату скорости его верхнего конца с ударной массой и поэтому незначительное изменение силы пружины очень сильно влияет на изменение динамической составляющей энергии. Данный эффект создается тем, что масса на коромысле с накопленной потенциальной скоростью сама представляет пружину и увеличивает действие движущей силы замыкающей пружины коромысла. Величина необходимой движущей силы в «u» раз меньше силы, действующей на такую же разгоняемую массу при гравитационном разгоне при создании основной скорости своего движения. При этом к основной скорости приплюсовывается также скорость, созданная гравитационной силой Земли. В этом заключается выражение «масса превращается в движущую силу», она сама себя разгоняет.
к
к
0
0
0
ед
пр
Покажем методику расчета зависимостей формулы для снаряда массой М=500 кг, е=0,1237 м, u=4, 1=0,7 м, и для снаряда массой М=1000 кг, u=4, 1=0,7 м, по кинематической схеме, изображенной на фиг.1 (α=45°, β=0, φ=90). Вначале рассчитаем необходимую энергию движущей силы пружины коромысла исходя из условия баланса энергий. ΣА=ΣЭ.
п1
пр
ед
пр
ΣЭ=500·9,81·2·0,7(1+4)=34335 Дж=34,335 кДж. Такую потенциальную энергию имеет снаряд, находящийся в неподвижном состоянии в верхней точке коромысла. Для перевода этой потенциальной энергии в кинетическую к снаряду необходимо приложить дополнительную энергию второго энергетического потока А. Определим величину этого потока исходя из условия получения ΣА=ΣЭ (баланса энергий).
ед1
пр1
пр1
пр1
2
2
ΣА=u·А+2·M·g·u·e=4·А+2·500·9,81·4·0,1237=16·А+4460 кДж;
пр1
пр1
34,335=16·А+4,460 А=29,875/16=1,86 кДж;
п2
ΣЭ=1000·9,81·2·0,7(1+4)=68670 Дж=68,670 кДж;
ед2
пр2
пр2
пр2
2
2
ΣА=u·А+2·М·g·u·e=4·А+2·1000·9,81·4·0,1237=16·А+9,92 кДж;
пр2
пр2
68,670=16·А+9,92 А=58,75/16=3,67 кДж.
пр1
пр2
пр
1
ед1
п1
1
2
ед2
п2
1
Полученные значения А и А являются энергией второго энергетического потока, который при разгоне не связан с энергетическим потоком привода, и его величина может меняться в большую или меньшую стороны. Поскольку оба потока создаются одним насосом, в момент разгона приводная энергия увеличивается на величину А. Определим КПД для: 1. η=ΣА/ΣЭ′=34,335/38,05=0,95 - для массы M=500 кг и для 2. η=ΣА/ΣЭ=68,67/72,1=0,95 - для массы M=1000 кг.
Значит, энергии единичных ударов для этих масс при КПД=0,95 составляют:
ед1
2
пр1
2
ΣА=u·А+M·g·Х=4·1,86+500·9,81·1=29,76+4,46=34,22 кДж;
ед2
пр2
2
2
ΣА=u·А+M·g·Х=4·3,67+1000·9,81·1=58,72+9,92=68,64 кДж.
пр
пр
Приведенные расчеты связаны с согласованием времен разжима пружины и оборота кривошипа. Оно выражено в следующих рассуждениях. Если время одного оборота кривошипа Т, а время полного отсоединения обоймы коромысла от кривошипа составляет половину времени оборота (фиг.1), тогда теоретическая частота f=1/Т=1/2·t=√2 А/4е√М
1
f=√2·1716/4·0,1237√500=√3432/0,4948·22,36=58,6/11=5,3 Гц;
2
f=√2·3432/4·0,1237√1000=√6864/0,4948·31,6=82,7/15,63=5,3 Гц.
1
2
1
1
2
2
При теоретической частоте нанесения ударов продолжительность контакта инструмента и с объектом обработки минимальная, так как сразу после удара начинается взвод снаряда. А стартовые условия разгона кривошипа и снаряда в верхней мертвой точке различны. Скорость вращения кривошипа остается, практически, постоянной и не изменяется по величине в этой точке. А снаряд в верхней точке останавливается и начинает движение в противоположном направлении. Появляются инерционные силы, замедляющие его остановку и реверсирование движение. Поэтому в практические расчеты необходимо ввести поправки на эти условия в виде добавления времени на все эти процессы, включая и резерв времени на контакт с объектом обработки и нанесение второго удара внутренней болванкой. Найдем практические значения частот: f′′=2,65 Гц; f′=2,65 Гц и числа оборотов приводного кривошипа, соответствующие этим частотам, n=60·f′=60·2,65=159 об/мин, n=60·f′=60·2,65=159 об/мин. Добавочное время является допуском продолжительности удара и зависит от величины массы снаряда, физико-механических свойств объектов обработки, геометрических параметров молота, соотношения величин энергетических потоков взвода и многих других факторов. Поэтому мы расширяем узкие границы теоретического поля допуска продолжительности времени удара за счет снижения скорости вращения кривошипа. Рекомендуемое формулой снижение вдвое частоты вращения кривошипа дано для условий разрушения прочных горных пород снарядом массой в пределах до одной тонны при одинаковом соотношении энергий потоков ее взвода и разгона. Этот допуск довольно широкий и позволяет рекомендовать его для многих вариантов технологических процессов. В случае резкого изменения вышеперечисленных факторов можно вводить их корректировку также за счет изменения частоты нанесения ударов или скорости вращения кривошипа.
Рассчитаем ударную мощность устройства при КПД=0,95 по следующей формуле:
ед
N=А·f, кВт;
1
2
N=34,22·2,65=91 кВт; N=68,64·2,65=182 кВт.
Сравнив результаты расчетов, можно сказать следующее.
1. При 95% реализации приводной энергии в развиваемую энергию единичного удара (34,22 кДж - для массы 500 кг и 68,64 кДж - для массы 1000 кг) требуется приложить незначительные по величине силы, соответствующие энергиям пружины 1,86 и 3,67 кДж. При этом частота вращения кривошипа остается постоянной - 159 об/мин. Это говорит о том, что при увеличении энергии пружины в два раза до Аед=3,67 кДж увеличивается скорость ее разжима также в два раза. А одновременное увеличение массы в два раза снижает скорость разжима также в два раза. В этом заключается первый вариант наращивания энергии удара при неизменной скорости приводного вала кривошипа.
пр1
2. При неизменной массе можно наращивать энергию удара, увеличивая энергию пружины коромысла. Покажем это на тех же массах. Основополагающим в этом процессе является принцип полного отделения приводного потока энергии от энергетического потока разгона. Он позволяет резко наращивать энергию удара при незначительном увеличении приводной энергии за счет энергии пружины коромысла. Повысим А до 3,67 кДж, не меняя массу М=500 кг. Тогда:
ед1
пр1
пр
пр
1
ед1
п1
2
2
ΣA′=u-A′+2·M·g·u·e=4·3,67+2·500·9,81·4·0,1237=54,91+4,46=60 кДж. Теоретическая частота f=√2А/4e·√М=√2·3,67/4·0,1237√500=7,7 Гц. Согласно требований способа она должна быть снижена вдвое. Практическое значение должно быть f′=7,7/2=3,85 Гц. Число оборотов кривошипа, соответствующее этой частоте, составляет 231 об/мин. Для соблюдения главного требования способа при увеличении энергии пружины коромысла до 3,67 кДж скорость кривошипа должна быть 231 об/мин. Таким образом, для увеличения энергии удара с 34,335 кДж до 68,67 кДж необходимо установить замыкающую пружину коромысла с потенциальной энергией 3,67 кДж и увеличить число оборотов кривошипа со 160 до 231 об/мин. Определим КПД для этого случая η′=ΣА′/ΣЭ=68,67/38,3=1,79. Ни один из существующих молотов таких показателей иметь не может, поэтому мы режимы работы нашего устройства с КПД в пределах до единицы называем «режимом молота». Режим работы с КПД в пределах от единицы до десяти мы называем «режимом пушки», а режим его работы с КПД более десяти мы называем «режимом ракеты». Эти названия впервые вводятся нами в техническую терминологию. Сам факт создания устройства механического принципа действия с КПД, превышающим единицу, является в мировой практике машиностроения открытием.
1
пр1
ед1
ед1
1
б
б
1
б
ед.б
б
б
пор
ед.б
ед.б
пор
пор
ед1
2
Применение инерционного аккумулятора в виде внутренней болванки позволяет значительно увеличить энергию единичного удара за счет второго удара. Рассчитаем ее энергию в момент контакта снаряда с породой для первого случая, когда масса M=500 кг, балансовая энергия пружины А=1,86 кДж, при развиваемой энергии прямого удара, равной А=34,22 кДж, его скорость составит υ=√2А/М.=11,7м/с. При этом скорость, развиваемая болванкой массой m=50 кг, составит υ=M/m·υ=10·11,7=117 м/с. А энергия единичного удара болванки, А=m·υ /2=342,2 кДж. При ударе по инструменту 30% этой энергии теряется и энергия, передаваемая породе, составит А=А-0,3А=342,2-102,66=239,54 кДж. Суммарная энергия, передаваемая породе от двух ударов, составит ΣА=А+А=239,54+34,335=273,875 кДж=274 кДж.
уд
пор
1
уд
Использование второго молота реализует схему двух ударного способа нанесения ударов за один оборот кривошипного вала и позволяет значительно увеличить объем разрушаемой породы за счет скалывания «целичков» при заглублении инструментов. Это наглядно видно при сравнении площади ВГИ на фиг.2 и площади ВГЖИ на фиг.5, формируемой при автоматическом скалывании по плоскостям ДЕ и ГЖ в процессе заглубления инструментов. Суммарная мощность, развиваемая молотом при одном ударе, составляет ΣN=ΣА·f=274·2,65=728,5 кВт. Мощность приводного двигателя экскаватора третьей размерной группы около 40 кВт и η=ΣN/40=18,2, то есть развиваемая мощность одноударного механизма в 18,2 раза больше приводной, а в механизме с двумя ударами - в 36,4 раза. При увеличении энергии аккумулирующей пружины выше балансного значения эти показатели пропорционально увеличиваются. Необходимо заметить, что общая масса одноударного механизма не превышает 1500 кг.
Обобщая, глубже раскроем достоинства предложенного способа и механизма. Поставленные цели: 100% трансформация энергии взвода в энергию единичного удара снаряда; синхронизация взаимодействия независимых потоков взвода, разгона и управления при любых значениях энергии замыкающей пружины и силовых импульсов удара при их расчетной практической определенности; повышение энергии удара, его мощности и надежности конструкции, снижение нагрузки на машиниста, повышение эффективности ударного процесса, в том числе и производительности. Они достигаются за счет следующего: определением и установкой балансного значения силового импульса коромысла, равенством времен движения коромысла при разгоне временем выбега приводного кривошипа; увеличением продолжительности удара; автоматическим заглублением инструмента; использованием реактивной силы внутренней болванки в момент удара; установкой второго, развернутого на 180° по отношению к первому и параллельного ему кривошипа. Это дает возможность: наращивания энергии удара и его мощности, корректного расчета узлов и деталей молота и привода на прочность и их геометрических размеров; повышение производительности; снижение энергоемкости ударного процесса, применение дополнительных аккумуляторов энергии, заглубления инструмента в объект обработки на величину его рабочего хода, предохранения от случайных ударов коромысла по кривошипу. Выводы: 1.Высокая эффективность ударного процесса, позволяющая по - новому пересмотреть технологию многих процессов, например добычу полезных ископаемых, разработку мерзлых грунтов, подземную разработку туннелей в скалистых породах и многих других. 2. Корректность инженерных расчетов рабочих органов и деталей механизма и чрезвычайная простота их изготовления, ремонта и эксплуатации при высокой надежности и долговечности. 3. Низкая себестоимость всех этих процессов 4. Компактность расположения основных узлов и красивое, эстетическое восприятие конструкций. 5. Низкая энергоемкость, не имеющая в мировой практики аналогов по этим показателям. 6. Возможность применения энергетических потоков привода с любой природой происхождения и в любых условиях. Таким образом, эти преимущества приводят к достижению главной поставленной цели - повышению энергии единичного удара и его мощности с одновременным снижением энергии его привода и позволяют сделать вывод, что предложенное техническое решение соответствует критерию «Существенные отличия», которые в совокупности составляют его изобретательский уровень.
ЛИТЕРАТУРА
1. Колчин А.И., Демидов В.П. «Расчет автомобильных и тракторных двигателей», издание 3, переработанное и дополненное, Москва, «Высшая школа», 2002 г., стр.13, 14.
2. Мельников А.В. «Способ взвода, разгона и нанесения удара снарядом и устройство для его осуществления при разрушении различных материалов», патент на изобретение RU №2291298 по заявке №2005101174/03, приоритет изобретения 19 января 2005 г.
3. Большая Советская Энциклопедия, Т.22, стр.456, третье издание, Москва, Издательство «Советская энциклопедия», 1973 г.
4. Александров М.П., «Грузоподъемные машины», Высшая школа, Москва, 2002 г., стр.185-1864.
5.Мельников А.В. «Способ многоступенчатого взвода, разгона, удара и установка ударного действия для его реализации при разрушении горных пород.», патент на изобретение RU №2325527. Заявлен 10.01 2006 г. Опубликован 27.05.2008 г., БИ №15.
6. Мельников А.В. «Ударный механизм», положительное решение, полученное 11.02 2008 г. по заявке №2006139991/03(043606), поданной 13.11.2006 г, прототип.
пр.
пр.
пр
пр.
пр
пр
пр
Аед.
1
2
пр.
к
1
2
ш
пр
пр
ед
пр.
пр.
пр
пр
2
2
2
2
1.Способ создания силовых ударных импульсов, заложенные о конструкции прототипа «Ударного механизма», в котором основным вращающимся энергетический поток ДВС создают вращающийся гидравлический поток насоса и разделяют его на два потока: первый вращающийся - для привода ползуна с помощью приводного кривошипа и второй линейный - для системы управления поступательными движениями поршней гидравлических двигателей (цилиндров), связанных с различными узлами базовой машины, в том числе и с корпусом молота, при этом с помощью первого потока осуществляют качательное движение коромысла в момент перехода от взвода к разгону снаряда и выбег приводного кривошипа при постоянной скорости его вращение, а с помощью второго потока создается неизменный силовой поток поджима опорных шипов рукояти с молотом при взводе и увеличивающийся поток при разгоне для создания перемещения корпуса со снарядом на величину заглубления последнего при ударе, отличающийся тем, что (закрыть отличие положением NOY-HAW) первым потоком при взводе коромысла со снарядом приводную энергию Э=M·g·X·(1+u) в верхней мертвой точке коромысла полностью переходят в потенциальную энергию, и сжимают пружину энергией А=С·ΔХ/2, которую в верхней мертвой точке приводного кривошипа переводят в потенциальную энергию пружины, а при разгоне коромысла со снарядом потенциальную энергию пружины переводят в кинетическую А=С·ΔХ/2=M·ν /2 для толкания коромысла в той же точке, при этом скорость ее разжима ν=√2·А./√M, а потенциальную энергию коромысла со снарядом переводят в кинетическую, величина реализации которой в энергию единичного удара снаряда зависит от величины энергии пружины и определяется по формуле: Σ=А+А=u·А+M·g·X, где:  - динамическая составляющая энергии удара, и - кратность ведущего звена - коромысла снаряда, равная отношению общей длины его 1 к длине опорного плеча 1, М - масса снаряда, ΔХ - максимальная деформация пружины, С=Р/ΔХ - жесткость пружины, Н/м, Р - сила сжатия пружины, Н, A=M·g·X - гравитационная составляющая энергии при угле качания коромысла ф0 от 90° до 0°, Х=1=2·u·е=0,9896=1м - линейное перемещение снаряда, при этом необходимое значение кинетической энергии пружины определяют из условия баланса энергии взвода и разгона А=(Э.-2M·g·X)ΣA, а теоретическую частоту определяют по формуле: f=1/T=1/2·t=√2·А/4·e·√M Гц., где t=2·e/ν - время разжима пружины, Т - время одного оборота кривошипа, е -эксцентриситет кривошипа.
пр.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что теоретическое время разжима замыкающей пружины (t) должно быть (закрыть отличие положением NOY-HAW) равно времени «выбега приводного кривошипа» (то есть времени его полного отсоединения от обоймы коромысла).
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что практическая частота ударов должна быть (закрыть отличие положением NOY-HAW) снижена как минимум в два раза или практическое время одного оборота кривошипа при разрушении горных пород должно быть меньше теоретического, как минимум, в два раза, с обязательной установкой угла заглубления снаряда в нижней точке не менее чем на 1/6 угла раскрытия коромысла φ(π) при каждом ударе при помощи второго энергетического потока управления, включаемого в верхней мертвой точке.
4. Ударный инверсионный дезоксиальный механизм двигателя внутреннего сгорания для его реализации, содержащий корпус выполнен подвижным относительно опорного шипа при помощи лафета, изготовленного в виде стальной поковки с проушинами и резьбовым отверстием, в котором установлена направляющая с опорным шипом, жестко связанным пальцами с рукоятью экскаватора, и подвижно - с корпусом, подвешенным на проушине гидроцилиндра экскаватора, размещенный в корпусе приводной вал с закрепленным на нем кривошипом, имеющим косой срез под углом 15° и кинематически связанным со снарядом, состоящим из инструмента, ползуна с внутренней подпружиненной болванкой, шатуна, коромысла, обоймы, гидроцилиндра со штоком и пружиной, установленной в цилиндрическом корпусе, имеющем упоры для пружины, на цилиндрическом корпусе приварены две цапфы, с помощью которых он шарнирно соединен с корпусом, при этом верхний конец коромысла шарнирно соединен с шатуном, связанным шарнирно с ползуном, а геометрические размеры кривошипа и коромысла определены по единому алгоритму, в котором геометрические размеры кривошипа и коромысла определены через эксцентриситет кривошипа (е), а для увеличения среднеквадратичной скорости инструмента снаряда, механизм снабжен внутренной подпружиненной болванкой с массой, установленной при изготовлении и величиной ее зазора внутри снаряда, который должен быть равным половине хода снаряда, а система управления дополнительно содержит два двухпозиционных электрогидравлических распределителя для двигателя корпуса, раздельно соединенных с его поршневой и штоковой полостями, при этом катушка распределителя штоковой полости двигателя корпуса, соединена с датчиком, установленным в верхнем положении и соединенным через блок управления с таймером, отличающийся тем, что на консольном конце приводного кривошипа параллельно кривошипу установлено и закреплено кольцо с выступом, передний срез которого находится на линии, параллельной линии между центром кривошипа и его верхней мертвой точкой, а над ним выставлено наружное кольцо, установленное в опоре и закрепленное фиксатором, внутри которого сверху вставлен электрический датчик, связанный проводами с катушкой электрогидравлического распределителя через блок управления с таймером.
5. Ударный инверсионный дезоксиальный механизм по п.4, отличающийся тем, что внутренняя болванка расположена в ползуне, снабженным переходником, в котором установлен подпружиненный инструмент, имеющий возможность перемещения относительно ползуна при заглублении в горную породу, и зафисированный колпаком снизу.
6. Ударный инверсионный дезоксиальный механизм по п.4, отличающийся тем, приводной кривошипный вал снабжен вторым кривошипом, развернутым на 180° и установленным на расстоянии не менее ширины корпуса молота относительно первого, а над ним расположен второй снаряд, установленный внутри корпуса второго молота.