МОЛОТОК ДЛЯ СКАЛЫВАНИЯ ЛЬДА С МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ КРОВЛИ

Техническое решение относится к области ручного инструмента, а именно, средства ударного воздействия на твердые среды, и может быть использован в полупромышленном и ручном производстве удаления льда с металлической кровли.
Среди механических устройств для скалывания льда в настоящее время преобладают устройства типа скребков, представляющие собой металлическую пластину, прикрепленную к рукоятке, и имеющую режущую заточенную кромку или несколько лезвий различной формы (волнистые, зубцы и т.п.) (см., в частности, US патент 5542140, US патент 4268927). Эти устройства срезают лед с поверхности материала кровли. Недостатком инструментов этого типа является частое повреждение кровли, приводящее к большим расходам на ее ремонт.
Достаточно часто применяют дробящие инструменты - общеизвестные молотки и кувалды. Их действие отличается от действия скребков. Удар дробит лед, деформирует лед и кровлю. Но лед хрупкий (т.е разрушается при малой относительной деформации), а материал кровли, например, листовое железо, имеет широкий диапазон упругой деформации. Поэтому лед разрушается уже при малой степени деформации, а материал кровли при такой деформации, и даже значительно большей деформируется упруго. Однако, недостатком этой группы устройств является также частое разрушение материала кровли из-за того, что при ударе по нему в местах кромок ударной части инструмента из-за их малого радиуса кривизны возникают локальные разрушающие напряжения и материал кровли рвется.
В частности, известна конструкция ледоруба (SU, авторское свидетельство 1811878). Известная конструкция содержит трубчатую овальную рукоятку с закрепленной на ней головкой с клювом и лопаткой с одной стороны и штычком с другой стороны. Соединение головки с трубчатой рукояткой выполнено в виде клинового узла, содержащего клиновый скос, выполненный на хвостовой части головки, и взаимодействующий с ним обратный клин, установленный в рукоятке.
Хотя известный ледоруб прекрасно скалывает лед, но при этом он значительно разрушает кровлю, находящуюся подо льдом.
Наиболее близким аналогом разработанного технического решения можно признать (US патент 4809787) молоток для скалывания льда, снабженный насадкой для предохранения материала кровли от разрушения. На головку молотка одета втулка, воспринимающая кинетическую энергию головки и приваренная к середине жесткого металлического стержня, который передает энергию удара льду. Ударная кромка стержня выполнена выпуклой с достаточным радиусом кривизны, поэтому при ударе не возникает разрушающих напряжений в материале кровли по границам стержня. Насадка закреплена на головке тросиками или цепями.
Работает известное устройство следующим образом. При ударе воздействие головки молотка передается через втулку на жесткий стержень, а с него - на лед. Если стержень через разрушенный лед достигает поверхности кровли, давление удара распределяется на достаточно большую площадь из-за протяженности стержня и достаточно большого радиуса кривизны его ударной поверхности, благодаря чему не возникает разрушающих напряжений по границам стержня, и материал кровли не повреждается.
Недостатками этого устройства являются сложность конструкции, уменьшенная эффективность разрушения льда из-за распределения
жестким стержнем, вследствие его протяженности, энергии удара на большую площадь льда и невозможность его применения на поверхности кровли со сложным рельефом из-за протяженности стержня.
Техническая задача, на достижение которой направлено разработанное техническое решение, состоит в получении нового устройства для очистки кровель ото льда.
Технический результат, получаемый в результате реализации предлагаемого технического решения, состоит в разработке устройства, не повреждающего материал кровли при одновременном повышении эффективности разрушения льда, упрощении конструкции и обеспечении удаления льда с поверхности кровли со сложным рельефом.
2
Указанный технический результат достигается тем, что молоток для скалывания льда с металлической кровли, содержащий головку с бойком, закрепленную на рукоятке, причем боек головки выполнен с выпуклой ударной поверхностью, причем масса головки, длина рукоятки, площадь и радиус кривизны выпуклой ударной поверхности бойка выполнены такими, что обеспечивают силу удара и распределение давления удара на обрабатываемую поверхность, достаточные для разрушающей деформации льда, но не достаточные для пластической деформации материала кровли. Головка может быть выполнена в форме шара. Масса головки составляет от 0,8 до 3,5 кг, длина рукоятки составляет от 0,25 до 1,8 м, площадь выпуклой ударной части бойка составляет от 600 до 5000 мм, радиус кривизны выпуклой ударной поверхности бойка составляет от 0,015 до 0,15 м. В случае использования головки в форме шара ее радиус предпочтительно составляет от 0,015 до 0,06 м. Соотношении указанных параметров зависит от плотности и жесткости льда, а также от толщины ледового покрова. Головка может содержать более одного бойка (предпочтительно, два), каждый из которых может иметь разные величины площади ударной поверхности и радиуса кривизны.
Это облегчает при необходимости замену инструмента - вместо использования второго молотка просто переворачивают первый вторым бойком в сторону льда. Боек головки может быть выполнен сменным (в частности, закрепленным на резьбовом штифте в головке). Рукоятка может быть закреплена в головке с возможностью замены. В этом случае желательно, что в комплекте с головками были использованы рукоятки различных размеров.
Масса головки и длина рукоятки определяют кинетическую энергию при ударе: она тем больше, чем больше масса и длиннее рукоятка. В процессе удара по поверхности возникает сила удара, которая, распределяясь по поверхности контакта между ударной частью инструмента и обрабатываемой поверхностью, создает распределение давления удара на эту поверхность. Давление удара вызывает деформацию и разрушение материала. Так кинетическая энергия головки молотка переходит в работу по деформации и разрушению материала, которые происходят под воздействием давления удара. Выпуклая поверхность бойка головки распределяет давление удара на обрабатываемой поверхности: чем больше ее радиус кривизны и площадь соприкосновения с поверхностью, тем меньше развивается давление удара при одной и той же кинетической энергии головки молотка. Особенностью выпуклого бойка является зависимость распределения давления удара по обрабатываемой поверхности от степени деформации этой поверхности: чем больше деформируется поверхность, тем больше возникает площадь соприкосновения, тем меньше давление удара. Кроме того, отсутствие на бойке острых (имеющих малый радиус кривизны) кромок предотвращает возникновение на них больших давлений, вызывающих остаточную деформацию материала кровли (повреждения). Вышеупомянутые зависимости позволяют выбирать такие величины массы головки, длины рукоятки, площади и радиуса кривизны ударной поверхности бойка, чтобы обеспечить
силу удара и распределение давления удара на обрабатываемой поверхности, достаточные для разрушающей деформации льда, но не достаточные для пластической деформации материала кровли.
Упрощение конструкции достигается тем, что вместо вышеуказанного специального предохранительного приспособления к головке молотка, состоящего из жесткого стержня с приваренной к его середине втулкой для крепления к головке молотка, головка молотка выполнена с бойком, имеющим выпуклую ударную поверхность.
Повышение эффективности разрушения льда достигается благодаря тому, что вместо жесткого стержня, имеющего большую протяженность ударной кромки и, поэтому, распределяющего силу удара на большую площадь и тем уменьшающего давление удара, головка молотка выполнена с выпуклым бойком, имеющим не протяженную ударную кромку, а только ударную точку, в которой концентрируется в первый момент кинетическая энергия удара и развивается высокое давление.
Применимость для поверхности кровли со сложным рельефом достигается благодаря тому, что замена жесткого стержня на выпуклый боек уменьшает протяженность ударной части инструмента и делает доступными для обработки соответственно меньшие площади поверхности.
Материал кровли не разрушается благодаря тому, что радиус кривизны ударной поверхности бойка, масса головки и длина рукоятки молотка выполнены таким образом, что сила удара и распределение давления удара на обрабатываемую поверхность вызывают разрушающую деформацию льда, но не достигают значений, вызывающих пластическую деформацию материала кровли.
В конкретных формах выполнения головка молотка может иметь от одного до четырех бойков, располагаемых на головке крестообразно,
с разной кривизной и площадью ударной поверхности, причем, указанные бойки могут выполняться сменными, например, с креплением к головке на резьбе. Также в конкретной форме выполнения молоток может быть укомплектован набором сменных рукояток разной длины, присоединяемых к головке разъемно, например, на винтовой резьбе. Дополнительный технический результат в этих случаях состоит в возможности оптимизации технического результата для различных условий применения, например, разной толщины и прочности льда, разной толщины материала кровли. В конкретной форме выполнения головка молотка для скалывания льда с металлической кровли может быть выполнена в виде шара (булава). Дополнительный технический результат в этом варианте заключается в удобстве работы, состоящем в том, что не требуется ориентировать во время удара головку бойком к обрабатываемой поверхности.
На чертеже показан молоток для скалывания льда с металлической кровли.
Молоток для скалывания льда с металлической кровли (см. чертеж) состоит из головки 1, прикрепленной любым известным способом к рукоятке 2, длиной L. Головка 1 имеет боек 3, выполненный выпуклым, например, его ударная поверхность 4 может быть сферической, параболоидной, эллипсоидной и т.д. с радиусом кривизны R и площадью S.
Масса головки, длина рукоятки L, определяющие силу удара, площадь S и радиус кривизны R выпуклой ударной поверхности 4 бойка 3, определяющие распределение давления удара на обрабатываемую поверхность, выполнены такими, что обеспечивают силу удара и распределение давления удара на обрабатываемую поверхность, достаточные для разрушающей деформации льда, но не достаточные для пластической деформации материала кровли.
Работает молоток для скалывания льда с металлической кровли следующим образом. При ударе бойка 3 о поверхность льда, покрывающего материал кровли, в первый момент вся сила удара сосредоточена практически в точке касания и вызывает разрушающие напряжения во льду. Этим достигается заявляемый технический результат, состоящий в повышении эффективности разрушения льда.
В процессе последующего развития деформации (прогибания льда и материала кровли), из-за того, что лед хрупкий - он разрушается при малой степени деформации, а материал кровли гибкий - его пластическая (остаточная) деформация не достигается, и материал кровли не повреждается. Материал кровли также не повреждается при ударе рассматриваемым молотком по материалу кровли, не покрытому льдом. Последнее обеспечивается тем обстоятельством, что при ударе, в процессе развития деформации, площадь контакта выпуклой ударной поверхности бойка 4 и материала кровли увеличивается по мере деформации (прогибания) последнего и, соответственно, сила удара распределяется на большую площадь и давление удара уменьшается, что предотвращает возникновение разрушающих напряжений в материале кровли.
Именно эти характеристики - масса головки, длина рукоятки L, определяющие силу удара, площадь S и радиус кривизны R выпуклой ударной поверхности 4 бойка 3 обеспечивают получение указанного технического результата на основе известных физических закономерностей следующим путем.
При ударе головка молотка массой m вращается вокруг другого конца рукоятки по окружности с радиусом L. Тогда момент инерции головки равен
2
J=Lm (Х.Кухлинг, Справочник по физике, Москва, "Мир", 1982, стр.96). Кинетическая энергия головки молотка составляет
2
2
2
W=0.5J.###U118=0.5Lm.###U118 (там же, стр.103), где ###U118 - угловая скорость, задаваемая оператором.
В процессе удара эта энергия расходуется на совместную деформацию (прогибание) льда и материала кровли
W=F.D (там же, стр.76), где F - сила удара, a D - деформация.
2
F=k.D/2, тогда W=kD/2, где k - коэффициент. Тогда
2
2
2
W=0.5Lm.###U118=kD/2,
откуда видно, что деформация определяется массой головки m и длиной рукоятки L. Эффект скалывания льда состоит в том, что лед хрупкий, т.е. разрушается при малых деформациях, а материал кровли упругий, т.е. необратимо деформируется при больших деформациях. Поэтому в процессе развития деформации при ударе лед разрушается при малых деформациях, не достигающих необратимой деформации материала кровли:
Dразрушения льда<D<Dнеобратимая материала кровли.
Этого условия, достигаемого выбором массы головки и длины рукоятки, достаточно для скалывания льда. Осложнения возникают при столкновении головки с материалом кровли.
Давление удара
P=F/Sk (Х.Кухлинг, Справочник по физике, Москва, "Мир", 1982, стр.113), где Sk - площадь контакта ударной поверхности бойка 4 и материала кровли, является функцией радиуса кривизны ударной поверхности бойка и деформации Sk=Sk (R, D). Нe трудно видеть, что поскольку площадь контакта увеличивается при развитии деформации, давление удара соответственно уменьшается. Чтобы не повредить материал кровли, радиус кривизны ударной поверхности R должен быть достаточным, чтобы при силе F обеспечить достигаемое давление меньше, чем давление пластической деформации материала кровли: Р<Рпласт, где Рпласт
- давление пластической деформации материала кровли. Но одного только радиуса кривизны недостаточно для обеспечения этого условия - ведь и острие иголки можно выполнить с большим радиусом кривизны, а площадь будет маленькая и боек будет просто протыкать материал кровли. Поэтому необходимо для предотвращения повреждения материала кровли, чтобы общая площадь S выпуклой ударной поверхности 4 бойка 3 была больше площади контакта при ударе:
Sk<S.
Таким образом, масса головки m, длина рукоятки L, определяющие силу удара, площадь S и радиус кривизны R (выделенные выше в формулах) выпуклой ударной поверхности 4 бойка 3 определяют воздействие молотка на обрабатываемую поверхность и тем обеспечивают получение технического результата.
Средством, позволяющими определить необходимые массу головки, длину рукоятки, площадь и радиус кривизны поверхности бойка, является механический расчет известными из общей физики и упомянутыми выше способами расчета силы удара, давления удара, деформации материала (см. также Физический энциклопедический словарь, издание "Советская энциклопедия", 1966: теория удара (т.5, стр.226), теория упругости (т.5, стр.260) и теория деформации (т.1, стр.552)).
Также возможно подобрать необходимые массу головки, длину рукоятки, площадь и радиус кривизны поверхности бойка экспериментальным путем по достигаемому техническому результату (средство часто используемое в практике с древнейших времен).
В таблице 1 приведены примеры реализации молотка для скалывания льда с металлической кровли для различных условий применения.
Табл.1
Толщина
Длина
Масса
Радиус
Площадь
Радиус
льда, мм Н
рукоятки, м L
головки, кг
кривизны ударной поверхности бойка, мм
ударной поверхности бойка, мм<sup>2</sup>,
шаровой головки (в варианте "булава")
R<sub>1</sub>
R<sub>2</sub>
m
S<sub>1</sub>
S2
R
0.35
3.071
40
100
5105
3973
46
50
0.90
1.088
-"-
100
1.50
0.533
-"-
30-60
0.35
1.845
30
70
2554
2029
40
0.90
0.680
30
1.50
0.333
-"-
10-30
0.35
0.923
20
50
851
723
32
0.90
0.340
24
1.50
0.166
20
Примечания к таблице:
1. R<sub>1</sub>, S<sub>1</sub> - для твердого льда, R<sub>2</sub>, S<sub>2</sub> - для мягкого льда
1
2
2. Выбор конкретного молотка для работы определяется условиями его применения. Так, длина рукоятки (L) определяется, главным образом, пространственными условиями (конструкция, рельеф крыши), доступностью обледенелой поверхности для обработки. Масса головки (m), при выбранной уже длине рукоятки (L), выбирается в соответствие с толщиной льда (Н). Радиус кривизны ударной поверхности бойка выбирается из 2-х, указанных в таблице, исходя из твердости льда: для твердого (обычно при низкой температуре) предпочтителен меньший радиус - R, для мягкого (тающего льда) предпочтителен больший радиус кривизны - R. Разная эффективность радиусов обусловлена особенностями механики разрушения льда разной твердости. Целесообразность размещения бойков с меньшим и большим радиусами кривизны ударной поверхности на одной головке - очевидна. Далее оператор для выбора силы удара начинает наносить удары молотком по льду все возрастающей силы, пока не наступит разрушение льда. С выбранной таким образом силой оператор далее разрушает лед.
3
2. Шаровые головки для варианта "булава" выполнены из стали с плотностью 7800 кг/м. В позициях, где вместо радиуса головки проставлен прочерк, реализация в виде булавы представляется возможной, но нецелесообразной, ввиду необходимости подгонки массы шаровой головки к допустимому ее радиусу выемкой из шара лишней массы. По этой же причине нецелесообразно изготовление шаровых головок для мягкого и твердого льда.
Ниже приведены конкретные примеры реализации разработанной конструкции, обосновывающие достижение указанного технического результата.
2
1. Молоток для скалывания льда с металлической кровли содержит головку с бойком, закрепленную на рукоятке, причем боек головки выполнен с выпуклой ударной поверхностью, при этом масса головки составляет 0,8 кг, длина рукоятки - 1,8 м, площадь выпуклой ударной части бойка - 800 мм, радиус кривизны выпуклой ударной поверхности бойка - 0,016 м. При скалывании слоя льда толщиной 8 мм с металлической кровли лед был удален без повреждения кровли.
2
2. Молоток для скалывания льда с металлической кровли содержит головку с бойком, закрепленную на рукоятке, причем боек головки выполнен с выпуклой ударной поверхностью, при этом масса головки составляет 3,5 кг, длина рукоятки - 0,25 м, площадь выпуклой ударной части бойка - 5000 мм, радиус кривизны выпуклой ударной поверхности бойка - 0,1 м. При скалывании слоя льда толщиной 10 мм с металлической кровли лед был удален без повреждения кровли.
2
3. Молоток для скалывания льда с металлической кровли содержит головку с бойком, закрепленную на рукоятке, причем боек головки выполнен с выпуклой ударной поверхностью, при этом масса головки составляет 1,8 до 3,5 кг, длина рукоятки - от 0,25 до 1,8 м, площадь выпуклой ударной части бойка - от 600 до 5000 мм, радиус кривизны выпуклой ударной поверхности бойка - от 0,015 до 0,15 м. При скалывании слоя льда толщиной 8 мм с металлической кровли лед был удален без повреждения кровли.
2
4. Молоток для скалывания льда с металлической кровли содержит головку с бойком, закрепленную на рукоятке, причем боек головки выполнен с выпуклой ударной поверхностью, при этом масса головки составляет 3,0 кг, длина рукоятки - 1,8 м, площадь выпуклой ударной части бойка - 3000 мм, радиус кривизны выпуклой ударной поверхности бойка - 0,15 м. При скалывании слоя льда толщиной 10,0 мм с металлической кровли лед был удален без повреждения кровли.
2
5. Молоток для скалывания льда с металлической кровли содержит головку с бойком, закрепленную на рукоятке, причем боек головки выполнен с выпуклой ударной поверхностью, при этом масса головки составляет 0,8 кг, длина рукоятки - 1,8 м, площадь выпуклой ударной части бойка - 5000 мм, радиус кривизны выпуклой ударной поверхности бойка - 0,15 м. При скалывании слоя льда толщиной 12 мм с металлической кровли лед был удален без повреждения кровли.
2
6. Молоток для скалывания льда с металлической кровли содержит головку с бойком, закрепленную на рукоятке, причем боек головки выполнен с выпуклой ударной поверхностью, при этом масса головки составляет от 0,7 кг, длина рукоятки - 0,25 м, площадь выпуклой ударной части бойка - 600 мм, радиус кривизны выпуклой ударной поверхности бойка - 0, 015 м. При скалывании слоя льда толщиной 7 мм с металлической кровли лед был удален после длительного воздействия с повреждением кровли.
2
7. Молоток для скалывания льда с металлической кровли содержит головку с бойком, закрепленную на рукоятке, причем боек головки выполнен с выпуклой ударной поверхностью, при этом масса головки составляет 3,6 кг, длина рукоятки - 1,9 м, площадь выпуклой ударной части бойка - 900 мм, радиус кривизны выпуклой ударной поверхности бойка - 0,015 м. При скалывании слоя льда толщиной 8 мм с металлической кровли лед был удален со значительным повреждением кровли.
2
8. Молоток для скалывания льда с металлической кровли содержит головку с бойком, закрепленную на рукоятке, причем боек головки выполнен с выпуклой ударной поверхностью, при этом масса головки составляет 0,8 кг, длина рукоятки - от 0,2 м, площадь выпуклой ударной части бойка - 600 мм, радиус кривизны выпуклой ударной поверхности бойка - 0,015 м. При скалывании слоя льда толщиной 6 мм с металлической кровли лед был удален с повреждением кровли.
2
9. Молоток для скалывания льда с металлической кровли содержит головку с бойком, закрепленную на рукоятке, причем боек головки выполнен с выпуклой ударной поверхностью, при этом масса головки составляет 3,5 кг, длина рукоятки - 1,9 м, площадь выпуклой ударной части бойка - 5000 мм, радиус кривизны выпуклой ударной поверхности бойка - 0,15 м. При скалывании слоя льда толщиной 10 мм с металлической кровли лед был удален со значительным повреждением кровли.
10. Молоток для скалывания льда с металлической кровли содержит головку с бойком, закрепленную на рукоятке, причем боек головки выполнен с выпуклой ударной поверхностью, при этом масса головки составляет 0,8 кг, длина рукоятки - 0,25 м, площадь выпуклой ударной части бойка - 500 мм, радиус кривизны выпуклой ударной поверхности бойка - 0,015 м. При скалывании слоя льда толщиной 8 мм с металлической кровли лед был удален с повреждением кровли.
2
11. Молоток для скалывания льда с металлической кровли содержит головку с бойком, закрепленную на рукоятке, причем боек головки выполнен с выпуклой ударной поверхностью, при этом масса головки составляет 3,5 кг, длина рукоятки - 1,8 м, площадь выпуклой ударной части бойка - 5100 мм, радиус кривизны выпуклой ударной поверхности бойка - 0,15 м. При скалывании слоя льда толщиной 11 мм с металлической кровли лед был удален с повреждением кровли.
2
12. Молоток для скалывания льда с металлической кровли содержит головку с бойком, закрепленную на рукоятке, причем боек головки выполнен с выпуклой ударной поверхностью, при этом масса головки составляет 0,8 кг, длина рукоятки - 0,25 м, площадь выпуклой ударной части бойка - 600 мм, радиус кривизны выпуклой ударной поверхности бойка - 0,013 м. При скалывании слоя льда толщиной 8 мм с металлической кровли лед был удален с повреждением кровли.
2
13. Молоток для скалывания льда с металлической кровли содержит головку с бойком, закрепленную на рукоятке, причем боек головки выполнен с выпуклой ударной поверхностью, при этом масса головки составляет 3,5 кг, длина рукоятки - 1,8 м, площадь выпуклой ударной части бойка - 5000 мм, радиус кривизны выпуклой ударной поверхности бойка - до 0,16 м. При скалывании слоя льда толщиной 12 мм с металлической кровли лед был удален с повреждением кровли.
При всех вариантах реализации разработанного устройства, соответствующих условиям, введенным в независимый пункт формулы изобретения, обеспечено отсутствие повреждения материал кровли при одновременном повышении эффективности разрушения льда, упрощении конструкции и обеспечении удаления льда с поверхности кровли со сложным рельефом.