ПНЕВМАТИЧЕСКИЙ УДАРНЫЙ МЕХАНИЗМ
AIR-DRIVEN PERCUSSION MECHANISM

Изобретение относится к строительству и горной промышленности, в частности к пневматическим устройствам ударного действия.
Известен пневматический ударный механизм (см., например, а.с. СССР 359382, М.кл. E21C 3/24 1972 г.), включающий 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 ступенчатого 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.
Указанный механизм обладает недостатками: 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 стрежнем и возрастание сил сопротивления движению поршневой части стержня во втулке, торможение ударника и снижение надежности стержня, жесткое болтовое крепление которого усиливает снижение его надежности.
Также известен пневматический ударный механизм (см., например, патент РФ 2432442, М. кл. E21B 4/14 2010 г. - прототип), 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 находящейся в сквозном осевом отверстии ступенчатого ударника, кольцевую камеру пневматического буфера, втулку цилиндрического корпуса с отверстием для пропуска штоковой части, 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 периодически камеру холостого хода и кольцевую распределительную камеру, выполнен на поршневой части стержня. Канал выполнен в виде канала-паза с постоянным геометрическим сечением. Пневматический ударный механизм как содержащий наибольшее количество существенных признаков, включенных в предлагаемое техническое решение, принят в качестве прототипа.
Прототип 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.
Техническая задача заявляемого решения заключается в том, что отмеченные недостатки устраняются полностью или частично, если канал-паз выполнить в виде канала-лыски в материале поршневой части, чем существенно уменьшить количество концентраторов напряжений в материале поршневой части и повысить ее прочность и стержня в целом. При этом канал-лыска выполняется с изменяющимся геометрическим сечением, уменьшающимся от боковой поверхности поршневой части, со стороны стержня, до окончания его поршневой части, со стороны сквозного осевого отверстия ступенчатого ударника. Отмеченное позволит в начале впуска воздуха в камеру холостого хода плавно впустить меньшее количество воздуха, чем уменьшить его количество в камере, снизить противодавление и торможение, обеспечив увеличение скорости ступенчатого ударника перед ударом, а следовательно, увеличение энергии удара и частоты ударов за счет сокращения времени цикла. После удара ступенчатый ударник приобретает импульс отскока, который используется им при холостом ходе, что позволяет уменьшить количество впускаемого воздуха в камеру холостого хода за счет изменяющегося геометрического сечения канала-лыски, которое при рабочем ходе ступенчатого ударника уменьшается и обуславливает меньшее его количество при впуске в начале рабочего хода. Как следствие, предлагаемое техническое решение может снизить расход воздуха пневматическим ударным механизмом.
При увеличении количества каналов-лысок с изменяющимся геометрическим сечением можно существенно повысить энергетические параметры пневматического ударного механизма.
Сущность предлагаемого технического решения пневматического ударного механизма заключается в следующем: пневматический ударный механизм, 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 часть, постоянно находящейся в сквозном осевом отверстии ступенчатого ударника, кольцевую камеру пневматического буфера, втулку цилиндрического корпуса с отверстием для пропуска штоковой части, образующую со стороны кольцевой камеры пневматического буфера 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 со стороны кольцевого фланца, камеру холостого хода со стороны хвостовика рабочего инструмента, удерживаемого пружиной относительно цилиндрического корпуса, причем на боковой поверхности поршневой части стержня выполнен канал-лыска с изменяющимся геометрическим сечением, уменьшающимся от боковой поверхности поршневой части со стороны стержня до окончания его поршневой части со стороны сквозного осевого отверстия ступенчатого ударника.
Исполнение пневматического ударного механизма поясняется чертежом.
Пневматический ударный механизм содержит цилиндрический корпус 1, установленный в нем с возможностью перемещаться ступенчатый ударник 2 со штоковой частью 3 и основной частью 4, имеющий сквозное осевое отверстие 5 с радиальными каналами 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 каналом-лыской 11 с изменяющимся геометрическим сечением, уменьшающимся от боковой поверхности со стороны стрежня до окончания его поршневой части со стороны сквозного осевого отверстия 5, что обеспечивает плавный впуск сетевого воздуха в сквозное осевое отверстие 5 ступенчатого ударника 2. Осевое перемещение стержня 7 ограничивает кольцевой фланец 12 с опиранием на него крышки 13 и стопора 14. Стакан 15 закрепляет крышку 13 относительно кольцевого фланца 12 и корпуса 1. В кольцевом фланце 12 центральное отверстие для стержня выполнено так, что в любом положении стержня 7 калиброванный кольцевой зазор 16 между стержнем 7 и центральным отверстием фланца 12 сохраняет площадь сечения калиброванного зазора и обеспечивает впуск сетевого воздуха из камеры 10 сетевого воздуха в кольцевую распределительную камеру 17. Канал-лыска 11 на поршневой части 8 стержня 7 обеспечивает периодический впуск воздуха в камеру холостого хода 18, а следовательно, запуск механизма в любом положении.
Кольцевая камера 19 пневматического буфера сообщается выпускным каналом 20 в цилиндрическом корпусе 1 с атмосферой. Камера 18 холостого хода периодически в зависимости от положения ступенчатого ударника 2 сообщается с атмосферой посредством выпускного канала 21 в цилиндрическом корпусе 1. Кольцевой фланец 12 и крышка 13 образуют камеру 10 сетевого воздуха, куда поступает сетевой воздух через канал 22 в стакане 15 и каналы 23 в крышке 13 и далее в камеру 10 сетевого воздуха и посредством каналов 24 в буртике 9 стержня 7 и калиброванный кольцевой зазор 16 в кольцевом фланце 12 в кольцевую распределительную камеру 17, являющуюся камерой рабочего хода. Рабочий инструмент 25 установлен своим хвостовиком 26 в камере 18 холостого хода и удерживается относительно корпуса 1, например, пружиной 27.
Пневматический ударный механизм работает следующим образом. После включения пускового устройства (на чертеже не показано и может быть любым) воздух из сети поступает по каналу 22 в стакане 15 и каналу 23 крышки 13 в камеру 10 сетевого воздуха. Далее через каналы 24 буртика 9 стержня 7 и по кольцевому калиброванному зазору 16 в кольцевом фланце 12 в кольцевую распределительную камеру 17. Из кольцевой распределительной камеры 17 по каналу-лыске 11 на поршневой части 8 стрежня 7 воздух поступает по сквозному осевому отверстию 5 с радиальными каналами 6 ступенчатого ударника 2 в камеру 18 холостого хода. В положении, показанном на чертеже, камера 19 пневматического буфера сообщена с атмосферой посредством выпускного канала 20. В начале движения ударника 2, когда канал-лыска 11 на поршневой части 8 стержня 7 открыт, продолжается наполнение воздухом камеры 18 холостого хода, обеспечивая расчетную величину импульса холостого хода. Давление воздуха в камере 18 холостого хода плавно повышается, и под действием импульса давления с ее стороны ударник 2 начнет движение в сторону кольцевой распределительной камеры 17, совершая холостой ход. При последующем движении ступенчатый ударник 2 открывает канал 21 в корпусе 1, перекрывает канал-лыску 11 поршневой части 8 стержня 7, а затем и давление воздуха в камере 18 холостого хода выравнивается до атмосферного. Перемещаясь, ступенчатый ударник 2 перекроет выпускной канал 20, и в камере 19 после разобщения ее с атмосферой начнется сжатие отсеченного в ней воздуха до некоторой расчетной величины. Давление воздуха в кольцевой распределительной камере 17 увеличивается, и под действием разности импульсов давлений, действующих на ступенчатый ударник 2 со стороны кольцевой распределительной камеры 17, камеры 19 пневматического буфера и камеры 18 холостого хода, ступенчатый ударник 2 затормаживается и остановится в расчетной точке. Сразу же под действием импульса давления воздуха со стороны кольцевой распределительной камеры 17, камеры 19 пневматического буфера ступенчатый ударник 2 начинает движение в сторону хвостовика 26 рабочего инструмента 25, совершая рабочий ход. При этом ступенчатый ударник 2 откроет выпускной канал 20 и камера 19 пневматического буфера сообщается с атмосферой. Далее ступенчатый ударник 2 перекроет своей боковой поверхностью выпускной канал 21, откроет канал-лыску 11 на поршневой части 8 стержня 7, вследствие чего в камере 18 холостого хода начнется сжатие отсеченного в ней воздуха и воздуха, поступающего в малом количестве из кольцевой распределительной камеры 17. Так как рабочая диаметральная площадь основной части 4 ступенчатого ударника 2 со стороны камеры 18 холостого хода больше диаметральной площади штоковой части 3 ступенчатого ударника 2, то под действием разности импульсов давлений воздуха ступенчатый ударник, преодолевая противодавление со стороны камеры 18 холостого хода, наносит удар по хвостовику 26 инструмента 25. Под действием импульса отскока и давления воздуха, поступающего из распределительной камеры 17, в камеру 18 холостого хода ступенчатый ударник 2 начинает холостой ход. Далее рабочий цикл пневматического ударного механизма повторяется.