ПНЕВМАТИЧЕСКИЙ УДАРНЫЙ МЕХАНИЗМ
PNEUMATIC IMPACT MECHANISM

Изобретение относится к строительству, горному делу и машиностроению, в частности к пневматическим устройствам ударного действия.
Известен пневматический ударный механизм (патент РФ 2432442, МПК Е21В 4/14, 2010 г.), включающий 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 находящийся в сквозном осевом отверстии ступенчатого ударника, кольцевую камеру пневматического буфера (она же камера рабочего хода), втулку цилиндрического корпуса с отверстием для пропуска штоковой части ступенчатого ударника и образующую со стороны кольцевой камеры пневматического буфера (рабочего хода) 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 сквозным отверстием 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 периодически камеру холостого хода и кольцевую распределительную камеру, выполнен на поршневой части стержня. Канал выполнен в виде канала-паза с постоянным геометрическим сечением.
Техническое решение по патенту 2432442 обладает недостатками: постоянное геометрическое сечение канала-паза на поршневой части стержня обуславливает одинаковое количество воздуха, подаваемого в камеру холостого хода в начале и конце впуска при рабочем ходе ступенчатого ударника, чем создается значительное противодавление воздуха и торможение ступенчатого ударника со снижением его скорости перед соударением с хвостовиком инструмента, а следовательно, снижение энергии удара и частоты ударов из-за увеличения времени цикла; наличие кольцевой камеры пневматического буфера обуславливает сжатие воздуха в ней и повышение давления при холостом ходе ступенчатого ударника, что ведет к перерасходу импульса холостого хода, преждевременному торможению и уменьшению величины хода ударника, приводящего к уменьшению объема расширения при рабочем ходе и, как следствие, уменьшение импульса давления, приобретаемого ударником, уменьшение скорости соударения и энергии единичного удара.
Оба недостатка технического решения имеют одну причину: преждевременное повышение противодавления воздуха в рабочих камерах пневматического ударного механизма.
Известен также пневматический ударный механизм (патент РФ 2418146, МПК Е21В 1/30, Е21В 1/38, Е21С 37/00 2011 г. - прототип), включающий цилиндрический корпус с выпускными каналами и установленной в нем втулкой, ступенчатый ударник со штоковой и основной частью, сквозным отверстием и втулкой в штокой части с каналом-пазом, разделяющим полость корпуса на камеру холостого хода со стороны хвостовика и кольцевую рабочую камеру, кольцевой фланец с каналом подвода воздуха из сетевой камеры, жестко закрепленный относительно кольцевого фланца стержень, постоянно находящийся в сквозном отверстии ударника и взаимодействующий с каналом-пазом втулки, рабочий инструмент с хвостовиком, кольцевую распределительную камеру, сообщенную с одной стороны с сетевой камерой посредством каналов подвода воздуха кольцевого фланца и с другой стороны постоянно с кольцевой камерой рабочего хода посредством кольцевого дроссельного канала, образованного втулкой корпуса ударного механизма и штоковой частью ударника, при этом стержень установлен с возможностью периодического сообщения, в зависимости от положения ступенчатого ударника, кольцевой распределительной камеры и камеры холостого хода между собой.
Прототип обладает недостатком: кольцевой дроссельный канал, образованный втулкой корпуса ударного механизма и штоковой частью ступенчатого ударника, постоянно сообщающий кольцевую распределительную камеру и камеру рабочего хода, в период сообщения последней с атмосферой посредством выпускных каналов в корпусе сообщает кольцевую распределительную камеру посредством кольцевой камеры рабочего хода с атмосферой в период окончания рабочего хода ступенчатого ударника и начала его холостого хода. Эти периоды характеризуются непроизводительным расходом воздуха из сетевой камеры и сети и снижают экономичность механизма.
Технической задачей заявляемого решения является исключение непроизводственного расхода воздуха из сетевой камеры и сети, за счет того, что кольцевой дроссельный канал в периоды окончания холостого хода и начала рабочего хода перекрывается цилиндрической поверхностью штоковой части ступенчатого ударника.
Для осуществления решения технической задачи на боковой поверхности штоковой части ступенчатого ударника выполняются наклонные к его продольной оси либо канал-пазы, либо канал-лыски с увеличивающимися поперечными сечениями, выходящими на торец штоковой части со стороны кольцевой распределительной камеры и уменьшающимися поперечными сечениями, выходящими на боковую поверхность штоковой части со стороны кольцевой камеры рабочего хода с переходом на цилиндрическую поверхность штоковой части ударника с перекрытием ею кольцевого канала на участке окончания холостого хода и участке начала рабочего хода ступенчатого ударника. При этом с целью увеличения местных сопротивлений и затормаживания потока воздуха, движущегося либо по канал-пазам, либо по канал-лыскам, за счет чего в периоды сообщения кольцевой камеры рабочего хода с атмосферой снижается непроизводительный расход воздуха, канал-пазы и канал-лыски на штоковой части ударника выполнены по отношению к его продольной оси с кривизной не ниже второго порядка. Таким образом, кольцевая распределительная камера разобщается с кольцевой камерой рабочего хода и с атмосферой.
Переход наклонных канал-пазов на цилиндрическую поверхность штоковой части ударника позволяет осуществить плавный переход на режим сжатия воздуха в кольцевой камере рабочего хода в конце холостого хода ступенчатого ударника и плавный переход на режим расширения воздуха в начале рабочего хода и после сообщения обеих кольцевых камер между собой.
Сущность предлагаемого технического решения пневматического ударного механизма заключается в следующем: пневматический ударный механизм, включающий цилиндрический корпус с выпускными клапанами и установленной в нем втулкой, ступенчатый ударник со штоковой и основной частью, сквозным отверстием и втулкой в штоковой части с канал-пазом, разделяющим полость корпуса на камеру холостого хода со стороны хвостовика и кольцевую рабочую камеру, кольцевой фланец с каналами подвода воздуха из сетевой камеры, жестко закрепленный относительно кольцевого фланца стержень, постоянно находящийся в сквозном отверстии ударника и взаимодействующий с канал-пазом втулки, рабочий инструмент с хвостовиком, кольцевую распределительную камеру, сообщенную с одной стороны с сетевой камерой посредством каналов подвода воздуха кольцевого фланца и с другой стороны с кольцевой рабочей камерой посредством кольцевого канала, образованного втулкой корпуса и штоковой частью ударника, при этом стержень установлен в возможностью периодического сообщения, в зависимости от положения ступенчатого ударника, кольцевой распределительной камеры и камеры холостого хода между собой, причем кольцевой канал выполнен в виде либо канал-пазов, либо канал-лысок наклонных к продольной оси ступенчатого ударника, наклонные плоскости которых выполнены с кривизной второго порядка, с увеличивающимися поперечными сечениями, выходящими на торец штоковой части со стороны кольцевой распределительной камеры и уменьшающимися поперечными сечениями, выходящими на боковую поверхность штоковой части со стороны кольцевой камеры рабочего хода с переходом на цилиндрическую поверхность штоковой части ударника с возможностью перекрытия его кольцевого канала в конце холостого хода и начале рабочего хода ударника.
Исполнение пневматического ударного механизма поясняется чертежами частичного разреза: на фиг. 1 представлен разрез пневматического ударного механизма с наклонными канал-пазами на штоковой части ступенчатого ударника; на фиг. 2 - поперечное сечение в разрезе А-А штоковой части с канал-пазами; на фиг. 3 - продольный разрез механизма с наклонными канал-лысками на штоковой части; на фиг. 4 - поперечное сечение в разрезе Б-Б штоковой части с канал-лысками.
Пневматический ударный механизм содержит цилиндрический корпус 1, установленный в нем с возможностью перемещения ступенчатый ударник 2 со штоковой частью 3 и основной частью 4, имеющий сквозное отверстие 5 с его продолжением в виде радиальных каналов 6, частично входящий в него стержень 7 своей поршневой частью 8, жестко закрепленным болтовым соединением 9 в кольцевом фланце 10 камеры 11 сетевого воздуха. Втулка 12 штоковой части 3 ступенчатого ударника 2 выполнена с канал-пазом 13, что обеспечивает плавный впуск сетевого воздуха в сквозное отверстие 5 ступенчатого ударника 2. Стакан 14 замыкает сетевую камеру 11 относительно кольцевого фланца 10 и корпуса 1. Втулка 15 корпуса 1 и штоковая часть 3 ступенчатого ударника 2 образуют кольцевой канал 16, соединяющий кольцевую распределительную камеру 17 с кольцевой камерой 18 рабочего хода посредством либо канал-пазов 19 (фиг. 1, 2), либо канал-лысок 20 (фиг. 3, 4), выполненных наклонно к оси ступенчатого ударника 2 с образованием увеличивающегося сечения с выходом на торец его штоковой части и уменьшающегося сечения с выходом на цилиндрическую поверхность 21 штоковой части 3 со стороны основной части 4 ступенчатого ударника 2 с возможностью перекрытия кольцевого канала либо канал-пазов 19, либо канал-лысок 20, образованных на штоковой части 3 ударника 2, наклонных к продольной оси ударника и увеличивающимися поперечными сечениями по глубине канал-пазов 19, либо канал-лысок 20, выходящими на торец штоковой части 3 со стороны кольцевой распределительной камеры 17 и уменьшающимися поперечными сечениями по глубине, выходящими на боковую поверхность штоковой части 3 со стороны кольцевой камеры 18 рабочего хода с переходом на цилиндрическую поверхность штоковой части 3 ударника 2 с возможностью перекрытия им кольцевого канала 16 на участке в конце холостого хода и участке начала рабочего хода ударника.
Кольцевая камера 18 рабочего хода сообщается выпускным каналом 22 в корпусе 1 с атмосферой. Камера 23 холостого хода периодически, в зависимости от положения ступенчатого ударника 2 относительно стержня 7 сообщается с атмосферой посредством выпускного канала 24 в корпусе 1. Кольцевой фланец 10 и стакан 14 образуют камеру 11 сетевого воздуха, куда поступает воздух через канал 25 в стакане 14 и каналы 26 в кольцевом фланце 10, посредством которых воздух поступает в кольцевую распределительную камеру 17, являющуюся также частично камерой рабочего хода. Рабочий инструмент 27 установлен своим хвостовиком 28 в камере 23 холостого хода и удерживается относительно корпуса 1, например, пружиной 29.
Пневматический ударный механизм работает следующим образом.
После включения пускового устройства (на чертеже не показано и может быть любым известным) воздух из сети поступает по каналу 25 в стакане 14 в камеру 11 сетевого воздуха.
Далее через каналы 26 в кольцевом фланце 10 воздух поступает в кольцевую распределительную камеру 17, из которой по канал-пазу 13 втулки 12 штоковой части 3 воздух поступает по сквозному отверстию 5 и его продолжению в виде радиальных каналов 6 в ступенчатом ударнике 2 в камеру 23 холостого хода.
Одновременно по кольцевому каналу 16, канал-пазам 19, либо канал-лыскам 20, воздух из кольцевой распределительной камеры 17 поступает в кольцевую камеру 18 рабочего хода. Увеличенные проходные сечения канал-пазов 19, либо канал-лысок 20 позволяют в период окончания рабочего хода и начала холостого хода ступенчатого ударника 2 придерживать его в контакте с хвостовиком 28 рабочего инструмента 27. Это позволяет улучшить наполнение воздухом камеры 23 холостого хода, повысить импульс силы давления воздуха со стороны камеры 23 холостого хода и передать большую часть кинетической энергии ударника 2 рабочему инструменту 27. При этом снижается сила отдачи корпуса 1 механизма, что обуславливает уменьшение требуемого усилия нажатия на корпус и улучшает его вибрационные характеристики.
После разобщение кольцевой камеры 18 рабочего хода с атмосферой в ней начнется сжатие отсеченного и поступающего через уменьшающееся проходное сечение канал-пазов 19, либо канал-лысок 20, которые при достижении цилиндрической поверхности штоковой части 3 ступенчатого ударника 2 втулки 15 корпуса 1 перекрываются и поступление воздуха из кольцевой распределительной камеры 17 в кольцевую камеру 18 рабочего хода прекращается. Сжатие воздуха в кольцевой камере 18 рабочего хода продолжается до расчетной величины давления воздуха в ней, после чего, исчерпав импульс силы холостого хода, ступенчатый ударник 2 остановится в расчетном положении и сразу же под действием сил давления воздуха со стороны кольцевой распределительной камеры 17 и кольцевой камеры 18 рабочего хода начнется движение в сторону камеры 23 холостого хода, совершая рабочий ход.
Под действием сил давления воздуха со стороны камеры 23 холостого хода ступенчатый ударник 2 продолжает движение в сторону кольцевой распределительной камеры 17, совершая холостой ход. При последующем движении ступенчатый ударник 2 перекрывает выпускной канал 22 в корпусе 1, а канал-пазы 19, либо канал-лыски 20 перекрывают кольцевой канал, образованный штоковой частью 3 и втулкой корпуса 15 (фиг. 2) с последовательным уменьшением проходного сечения канал-пазов 19, либо канал-лыски 20.
Одновременно с перекрытием выпускного канала 22 со стороны камеры 18 рабочего хода осуществляется перекрытие канал-паза 13 втулки 12 штоковой части 3 ударника 2 поршневой частью 8 стержня 7. В конце перекрытия канал-паза 13 основной частью 4 ударника 2 открывается выпускной канал 24 со стороны камеры 23 холостого хода и давления воздуха в ней понижается до величины атмосферного.
При движении ступенчатого ударника 2 цилиндрическая поверхность штоковой части 3 выдвинется из втулки 15 корпуса 1, а затем увеличивающиеся проходные сечения канал-пазов 19, либо канал-лысок 20, образованных штоковой частью 3 ступенчатого ударника 2 и втулкой 15 корпуса 1 подают увеличивающееся количество воздуха из кольцевой распределительной камеры 17 в кольцевую камеру 18 рабочего хода, чем обеспечивают расчетное значение импульса силы давления воздуха рабочего хода ступенчатого ударника 2 и увеличение его кинетической энергии.
При последующем движении ступенчатый ударник 2 откроет выпускной канал 22 и кольцевая камера 18 рабочего хода сообщится с атмосферой. Далее ступенчатый ударник 2 перекроет своей боковой поверхностью основной части 4 выпускной канал 24, откроет канал-паз 13 втулки 12 штоковой части 3, вследствие чего в камере 23 холостого хода начнется сжатие отсеченного в ней воздуха и воздуха, поступающего из кольцевой распределительной камеры 17.
Под действием разности силовых импульсов ступенчатого ударника 2 и давления воздуха со стороны кольцевой распределительной камеры 17, ударник, преодолевая противодавление со стороны камеры 23 холостого хода, наносит удар по хвостовику 28 инструмента 27. После соударения ступенчатый ударник 2 под действием импульсов отскока и давления воздуха со стороны камеры 23 холостого хода начнет движение в сторону кольцевой распределительной камеры 17, совершая холостой ход. Далее рабочий цикл пневматического ударного механизма повторяется.