КОСТЫЛЕЗАБИВЩИК
SPIKE DRIVER

Изобретение относится к механизированным электропневматическим путевым инструментам с высокочастотным приводом для забивки костылей в деревянные шпалы при ремонте и реконструкции верхнего строения железнодорожного пути.
Известен костылезабивщик ЭПКЗ, включающий мотор-редуктор со встроенным в корпус электродвигателем, две рукояти на корпусе, выполненные с двумя боковинами и поперечиной каждая и с электрическим выключателем на одной рукояти, и зубчатый конический одноступенчатый редуктор с кривошипом кривошипно-ползунного механизма на выходном валу, полый ползун-поршень которого выполнен с возможностью возвратно-поступательного перемещения относительно пристыкованного к корпусу мотор-редуктора цилиндрического ствола с отверстиями и сегментными выточками, боек, с возможностью возвратно-поступательного перемещения размещенный внутри полого ползуна-поршня, один торец которого выполнен связанным с торцом ползуна-поршня объемом воздуха, а другой торец - с возможностью контактного взаимодействия с верхним торцом забойника, размещенного в цилиндрической направляющей втулке, через амортизаторы связанной со стволом, причем забойник подпружинен относительно ствола и выполнен с возможностью взаимодействия своего нижнего торца с головкой костыля (Путевые механизмы и инструменты. / Под ред. Н.А.Карпова. - М.: Транспорт, 1984. - С.260…265).
Это устройство обладает рядом недостатков, среди которых неудобство управления работой электропривода, недопустимо высокий уровень вибрации, передающейся на руки монтера пути, большая масса (у эксплуатирующихся экземпляров она доходит до 29 кг), малая энергия удара (не превышающая в реальности ≈18 Дж) и производительность (продолжительность забивки костыля в сосновую шпалу в реальности не менее ≈8 с) и пр.
Наиболее близким к заявляемому устройству является принятый за прототип костылезабивщик ЭКВК 4М (Путевые механизмы и инструменты. / Под ред. Н.А.Карпова. - М.: Транспорт, 1984. - С.265…267), включающий мотор-редуктор со встроенным в корпус высокочастотным электродвигателем, две рукояти на корпусе, выполненные с двумя боковинами и поперечиной каждая и с электрическим выключателем на одной рукояти, и зубчатый цилиндрический двухступенчатый редуктор с кривошипом кривошипно-ползунного механизма на выходном валу, ползун-поршень которого выполнен с возможностью возвратно-поступательного перемещения относительно пристыкованного к корпусу мотор-редуктора цилиндрического ствола с отверстиями с сегментными выточками, в котором с возможностью возвратно-поступательного перемещения размещен боек, один торец которого выполнен связанным с торцом ползуна-поршня объемом воздуха, а другой торец - с возможностью контактного взаимодействия с верхним торцом забойника, размещенного в цилиндрической направляющей втулке, через амортизаторы связанной со стволом, причем забойник подпружинен относительно ствола и выполнен с возможностью взаимодействия своего нижнего торца с головкой костыля.
За счет выполнения электродвигателя высокочастотным костылезабивщик ЭКВК 4М по сравнению с костылезабивщиком ЭПКЗ имеет большую (1200 по сравнению с 600 Вт) рабочую мощность и энергию удара (22 по сравнению с 18 Дж), лучшую производительность (6 с по сравнению с 8 с). В остальном по недостаткам костылезабивщик ЭКВК 4М не отличается в лучшую сторону от костылезабивщика ЭПКЗ - он тоже неудобен в работе, недопустимо виброактивен и мало производителен.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в повышении удобства и безопасности выполнения работы с помощью устройства и увеличении его производительности за счет уменьшения его массы и виброактивности и увеличения энергии удара путем улучшения компоновки и конструкции и оптимизации его параметров.
Технический результат достигается за счет того, что костылезабивщик, включающий мотор-редуктор со встроенным в корпус высокочастотным электродвигателем, две рукояти на корпусе, выполненные с двумя боковинами и поперечиной каждая и с электрическим выключателем на одной рукояти, и зубчатый цилиндрический двухступенчатый редуктор с кривошипом кривошипно-ползунного механизма на выходном валу, ползун-поршень которого выполнен с возможностью возвратно-поступательного перемещения относительно пристыкованного к корпусу мотор-редуктора цилиндрического ствола с отверстиями с сегментными выточками, в котором с возможностью возвратно-поступательного перемещения размещен боек, один торец которого выполнен связанным с торцом ползуна-поршня объемом воздуха, а другой торец - с возможностью контактного взаимодействия с верхним торцом забойника, размещенного в цилиндрической направляющей втулке, через амортизаторы связанной со стволом, причем забойник подпружинен относительно ствола и выполнен с возможностью взаимодействия своего нижнего торца с головкой костыля, отличается тем, что он дополнительно снабжен двумя термовыключателями в блоке питания и управления рукоятей элекродвигателя, размещенными на боковине одной из рукоятей, и дуотановыми вкладышами, размещенными в каждой из поперечин рукоятей; при этом рукояти с двумя боковинами и поперечиной размещены на приливах корпуса мотор-редуктора так, что их среднее поперечное сечение расположено в одной плоскости с осью костылезабивщика, а выключатель электродвигателя размещен на боковине одной из рукоятей в зоне ее поперечины; кроме того, боковины рукоятей в поперечном сечении выполнены в виде эллипса с большей осью, перпендикулярной поперечине, а каждая из рукоятей связана с приливом на корпусе мотор-редуктора быстродействующими крепежными элементами с возможностью смещения в вертикальном направлении по оси корпуса со стволом; при этом величина массы бойка принята из условия равенства 0,016…0,021 (при среднем значении 0,0185) отношения силы его веса к силе атмосферного давления воздуха на него, величина полной длины камеры в стволе костылезабивщика принята из условия равенства 0,015…0,025 (при среднем значении 0,02) отношения наибольшей работы силы веса бойка на полной длине камеры к требуемой энергии его удара, а величина круговой частоты движения ползуна-поршня принята из условия равенства 200…215 (при среднем значении 207) отношения условного его ускорения к ускорению силы тяжести.
Новыми в заявляемом устройстве по сравнению с прототипом являются следующие признаки:
новые конструктивные элементы:
два термовыключателя в блоке питания и управления работой электродвигателя, размещенные на боковине одной из рукоятей;
вкладыши из дуотана, размещенные в каждой из поперечин рукоятей;
новое взаимное расположение элементов:
рукояти с двумя боковинами и поперечиной размещены на приливах корпуса мотор-редуктора так, что их среднее поперечное сечение расположено в одной плоскости с осью ствола костылезабивщика;
выключатель электродвигателя размещен на боковине одной из рукоятей в зоне ее поперечины;
новая геометрическая форма элементов:
боковины рукоятей в поперечном сечении выполнены в виде эллипса с большей осью, перпендикулярной поперечине;
новая форма выполнения связи между элементами:
каждая из рукоятей с двумя боковинами и поперечиной связана с приливом на корпусе мотор-редуктора быстродействующими крепежными элементами с возможностью смещения в вертикальном направлении по оси корпуса со стволом;
новые параметры и другие характеристики элементов:
величина массы бойка принята из условия равенства 0,015 отношения силы его веса к силе атмосферного давления воздуха на него;
величина полной длины камеры в стволе костылезабивщика принята из условия равенства 0,02 отношения наибольшей работы силы веса бойка на полной длине камеры к требуемой энергии его удара;
величина круговой частоты движения ползуна поршня принята из условия равенства 207 отношения условного его ускорения к ускорению силы тяжести.
Перечисленные новые признаки в предложенном сочетании дают сверхсуммарный эффект, обуславливая решение поставленных задач и достижение цели. Эти признаки характеризуют новизну устройства и по сравнению с прототипом обеспечивают:
снижение уровня вибрации, передаваемой на руки монтера пути за счет поглощения большей доли ее энергии дуотановыми вкладышами;
улучшение удобства работы за счет реализации возможности изменения положений рукоятей по высоте для работы монтерам пути в благоприятных позах в интервале от 0,63 (при низком росте) до 1,1 м (при высоком росте), а также расположения выключателя электродвигателя и термовыключателей в оптимальной зоне;
повышение энергии удара и производительности за счет предложенной оптимизации параметров устройства и режимов его работы (массы бойка, наибольшей длины рабочей камеры, круговой частоты движения ползуна-поршня).
Заявляемое устройство соответствует критерию «изобретательский уровень», так как оно, по мнению авторов, явным образом не следует для специалиста из уровня развития техники и не может быть разработано с использованием общеизвестных методов, методик, способов и приемов конструирования машин.
Заявляемый костылезабивщик иллюстрируется чертежами, где на фиг.1, 2 представлена его структурная схема; на фиг.3 - продольный разрез устройства, на фиг.4 - его внешний вид, и на фиг.5 - его электрическая принципиальная схема.
2
2
2
2
2
о
о
о
Согласно предложению на фиг.1-5 костылезабивщик включает в себя мотор-редуктор со встроенным в корпус 1 высокочастотным электродвигателем M1 2 и редуктором 3. На корпусе установлены две рукояти, выполненные с двумя боковинами 4 и поперечиной 5 каждая. На одной из рукоятей (на фиг.2 левой) установлен электрический выключатель SB1 6 (в частности, ВК 36 «Резекне», ВА, 220 В). Редуктор выполнен зубчатым цилиндрическим двухступенчатым с кривошипом 7 на выходном валу. Ползун-поршень 8 кривошипно-ползунного механизма (с шатуном 9) выполнен с возможностью возвратно-поступательного перемещения относительно пристыкованного к корпусу мотор-редуктора цилиндрического сборного ствола 10 с отверстиями с сегментными выточками. В сборном стволе с возможностью возвратно-поступательного перемещения размещен боек 11. Один (верхний) его торец выполнен связанным с торцом ползуна-поршня объемом воздуха. Другой (нижний) его торец выполнен с возможностью контактного взаимодействия с верхним торцом забойника 13. Последний размещен в цилиндрической направляющей втулке 14, через амортизаторы 15 связанной со стволом. Забойник подпружинен пружиной 16 относительно ствола и выполнен с возможностью взаимодействия своего нижнего торца с головкой костыля. Костылезабивщик дополнительно снабжен двумя термовыключателями SK1 и SK2 17 (в частности, серии 77 «Ioemex», 5A, 250 В) в блоке питания и управления работой электродвигателя (см. фиг.3), размещенными на боковине одной (на фиг.2 - левой) из рукоятей. Термовыключатели предохраняют электродвигатель от перегрузок по току, повышая безопасность выполнения работ. Он также дополнительно снабжен дуотановыми (в частности, марки QA 950) вкладышами 18, размещенными в каждой из поперечин рукоятей. Дуотан хорошо гасит вибрации, имеет прочность и удлинение при разрыве 6500 Н/см и 300 Н/см, модуль упругости 140 Н/см, ударную вязкость 60% и твердость по Шору 50. Вкладыш имеет форму тора с окончанием в виде усеченных конусов с металлической пластиной на торцах с крепежным отверстием. Эти вкладыши существенно снижают уровень вибрации, передаваемый на руки монтера пути при работе. Указанные рукояти с двумя боковинами и поперечиной размещены на приливах корпуса мотор-редуктора так, что их среднее поперечное сечение расположено в одной плоскости с осью 0-0 ствола костылезабивщика. Это разгружает руки монтера пути от действия моментов поперечных сил. Выключатель 6 электродвигателя размещен на боковине одной из рукоятей (на фиг.2 - левой) в зоне ее поперечины, над термовыключателями, что упрощает управление работой костылезабивщика. Боковины 4 рукоятей в поперечном сечении выполнены в виде эллипса с большей осью, перпендикулярной поперечине, что является оптимальным вариантом по жесткости и прочности боковин при наименьших их размере и весе. Каждая из рукоятей связана с приливом на корпусе мотор-редуктора быстродействующими крепежными элементами (одной из известных конструкций, например винтами с «барашками» на головках) с возможностью смещения в вертикальном направлении по оси корпуса со стволом. Такое выполнение связи рукоятей с корпусом обеспечивает реализацию возможности изменения «высоты рукоятей» (расстояние от нижнего торца забойника до середины поперечины рукоятей), в частности, от 0,63 до 1,1 м, что позволяет монтерам пути работать в благоприятной позе как при низком, так и при высоком росте. Величина массы бойка m принята из условия равенства 0,016…0,021 (при среднем значении 0,0185) отношения силы его веса (mg) к силе (р 3,14 d/4) атмосферного давления воздуха на него (здесь р, Па - нормальное атмосферное давление на верхний торец бойка с диаметром d м). В частности, при р≈101325 Па, d≈0,058 м масса бойка составляет 0,35…0,45 кг при среднем значении 0,4 кг. Величина полной длины Н, м, камеры в стволе костылезабивщика (от торца ползуна-поршня в верхнем его положении до торца бойка в нижнем его положении) принята из условия равенства 0,015…0,025 (при среднем значении 0,02) отношения наибольшей работы силы веса бойка на полной длине камеры к требуемой энергии Е удара. В частности, при силе веса бойка ≈4 Н и требуемой энергии удара ≈26 Дж величина полной длины камеры равна 0,098…0,16 м при среднем значении 0,13 м. Величина круговой частоты ω, 1/с, движения ползуна-поршня принята из условия равенства 200…215 (при среднем значении 207) отношения условного его ускорения Н ω, м/с, к ускорению силы тяжести 9,81 м/с. В частности, при принятых параметрах костылезабивщика круговая частота ползуна-поршня составляет
1
1
(122,5…127,5) /с при среднем значении ≈125 /с. При назначенных из указанных соотношений параметрах показатели работы костылезабивщика (импульс силы удара, энергия удара и др.) при принятых геометрических (отношение длины шатуна к длине кривошипа равно ≈0,2344 и др.), мощностных (мощность двигателя не более 1200 Вт и др.) и пр. ограничениях имеют наилучшее значение, ухудшаясь при уменьшении относительно наименьшего значения соотношений и при увеличении относительно наибольшего значения соотношений. Электропривод костылезабивщика, блок его включения в работу и ее управление включает в себя также (см. фиг.3) штекеры X 1, Х 5 (в частности, по ОСТ 37.003.032-82, в количестве пяти штук), вилку кабельную ХР 1 прямую (в частности, СС 11-27-011310-00.УХЛЗ по ТУ 16-88 ИГРФ.434423.007 ТУ „40А) и винт XT 1 заземления четвертой жилы кабеля.
Предлагаемый костылезабивщик работает следующим образом. Вначале (фиг.1-5) рукояти 4, 5 с помощью быстродействующих креплений устанавливают по высоте на приливах корпуса мотор-редуктора в положении, соответствующем благоприятной рабочей позе монтера пути в зависимости от его роста; «высота рукоятей» при этом располагается в интервале 0,63…1,1 м. После этого костылезабивщик кабелем с кабельной вилкой ХР 1 подключают к источнику питания. После этого за рукояти 4, 5 поднимают костылезабивщик, устанавливают его торцом забойника 13 на торец костыля и нажатием на кнопку выключателя 6 приводят его в действие; при этом клавиша выключателя при ее отпускании остается в нажатом положении, обеспечивающем непрерывный режим работы. Электродвигателем 2 через редуктор 3 и кривошипно-ползунный механизм 7, 8, 9 сообщают ползуну-поршню 8 возвратно-поступательное движение. При его ходе вверх обеспечивают возникновение разрежения в камере ствола 10, заставляющего боек 11 подниматься кверху. При ходе ползуна-поршня вниз осуществляют встречное его движение с бойком, воздух 72 в камере сжимают и заставляют боек остановиться, а затем ускоренно перемещаться вниз. В конце хода бойком наносят удар по торцу забойника; при этом бойком вскрывают отверстия в сегментных пазах снизу ствола, производя компенсацию утечек воздуха из камеры. Далее цикл работы повторяют. При переходе от костыля к костылю и пр. режим холостого хода осуществляют автоматически при подъеме костылезабивщика. При этом собственным весом и силой пружины 16 забойник отводят в крайнее нижнее положение, боек опускают на его торец, вскрывая отверстия холостого хода в нижней части ствола. Поршень продолжают приводить в возвратно-поступательное движение без бойка. Удар последнего о втулку 14 смягчают резиновыми кольцами амортизатора 15. Для перевода костылезабивщика снова с холостого режима работы на рабочий нажимают нижним торцом забойника на костыль. При этом боек поднимают забойником вверх, «подхватывают» его ползуном-поршнем и осуществляют рабочий режим так, как описано выше. При перегреве обмотки электродвигателя с помощью термовыключателей 17 его автоматически отключают от питания. Через время, достаточное для охлаждения обмотки, нажатием на кнопки термовыключателей двигатель снова приводят в действие. Для остановки работы повторно нажимают на кнопку выключателя. Работу при этом осуществляют в наиболее благоприятной для монтера пути позе, с небольшим уровнем вибрации и моментом поперечных сил, передаваемыми на руки монтера пути, с небольшой силой веса, действующего на них при манипуляциях костылезабивщиком, при наиболее эффективном преобразовании энергии электродвигателя в энергию удара, обеспечивающую быстрое погружение костыля в шпалу. Все это обусловливает достижение оговоренного выше технического результата.
Предлагаемый костылезабивщик спроектирован в ЦКБпутьмаш, его Калужском филиале и на Калужском заводе транспортного машиностроения. Последний изготовил опытный образец и установочную серию устройства и испытал его. Костылезабивщик ЭПКВ имеет массу до 18 кг, высокочастотный электродвигатель мощностью 1200 Вт и частотой вращения 11700 об/мин; его габариты составляют 0,235×0,38×0,84 м. При испытаниях его энергия удара составила до 26 Дж, время забивки костыля в сосновую шпалу - 3,5±0,5 с. Уровень вибрации, передаваемый на руки монтера пути, у ЭПКВ на частотах до 70 Гц в 2…4 раза ниже, чем у прототипа, а на частотах более 70 Гц ниже в 10…15 раз. Планируется запуск костылезабивщика в серийное производство. Заявляемое устройство, по мнению авторов, отвечает критерию «промышленная применимость».