РЫХЛИТЕЛЬ УДАРНОГО ДЕЙСТВИЯ
IMPACT RIPPER

Изобретение относится к строительному и горному делу и может быть использовано при разработке скальных пород, прочных и мерзлых грунтов.
Известен рыхлитель, включающий базовую машину, смонтированный на навесной раме пневмомолот с корпусом, внутренняя полость которого разделена поршнем-бойком на переднюю и заднюю камеры и воздухораспределитель с источником сжатого воздуха (См. книгу Захарчука Б.З. и др. Навесное тракторное оборудование для разработки высокопрочных грунтов. М., «Машиностроение» 1979 г. С. 33-36).
Однако этот рыхлитель имеет низкую эффективность при разработке грунтов, так как рыхление осуществляется без использования сил отдачи.
Наиболее близким техническим решением к изобретению является рыхлитель ударного действия, включающий базовую машину, навесную раму, гидроцилиндр, две балки, соединенные с навесной рамой при помощи осей вращения с установленными на них пневмомолотами и балансировочными грузами с возможностью перемещения последних относительно балки (см. пат. №2380489, МПК E02F 5/32, опубл. 27.01.2010)
Недостатком указанного устройства является отсутствие возможности статического прижатия ударной части пневмомолота, обеспечивающей плотное прилегание зуба к грунтовому или горному массиву в момент удара, что снижает энергию удара, передаваемую в массив.
Техническим результатом изобретения является повышение эффективности рыхления грунта за счет плотного прилегания ударного инструмента к массиву в момент удара.
Результат достигается тем, что рыхлитель ударного действия, включающий базовую машину, навесную раму, гидроцилиндр, две балки, соединенные с навесной рамой при помощи осей вращения с установленными на них балансировочными грузами и пневмомолотами с возможностью перемещения последних относительно балки, отличается тем, что он снабжен рычагами, которые с одной стороны жестко крепятся к балкам со стороны осей вращения под углом 90±5°, а с противоположной взаимодействуют с шарнирно установленными на них чашами, соединенными со свободными концами упругих элементов, противоположные стороны которых закреплены на перегородке, жестко установленной сверху навесной рамы, а расстояние от оси вращения балки до оси симметрии пневмомолота определяется из условия:
c3
o6
o8
o10
r
где:  J - момент инерции пневмомолота относительно центра масс; J, J, J - моменты инерции балки, балансировочного груза и рычага относительно оси вращения; М - суммарная масса вращающихся тел; F - реактивная сила, возникающая при воздействии пневмомолота на разрабатываемую поверхность в момент удара зуба о поверхность массива.
Рыхлитель отличается также тем, что жесткость упругих элементов выбирается из условия:
μ
1
2
где:K - отношение коэффициентов передачи; μ - коэффициент передачи динамических нагрузок на рыхлитель; μ - коэффициент передачи динамических нагрузок на колеблющиеся массы.
Снабжение рыхлителя упругим элементом обеспечивает статическое прижатие ударной части пневмомолота к разрушаемому массиву, что увеличивает объем разрушаемого материала за один удар за счет максимальной передачи энергии удара в грунтовый или горный массив.
Снабжение рыхлителя рычагами, жестко соединенными с балками со стороны осей вращения и установленными под углом 90±5°, позволяет расположить упругие элементы непосредственно на навесной раме рыхлителя в поперечном направлении по ходу движения базовой машины, что упрощает компоновку рыхлительного оборудования, обеспечивает беспрепятственное перемещение пневмомолота и балансировочного груза относительно балки.
Снабжение рыхлителя чашами, шарнирно установленными на рычагах и соединенными со свободными концами упругих элементов, обеспечивает их работу без изгиба в осевом направлении.
Снабжение рыхлителя перегородкой, жестко закрепленной на навесной раме, обеспечивает независимую работу упругих элементов, расположенных с двух сторон рамы.
Выбор жесткости упругого элемента подбирается из условия работы механической системы «ударная часть пневмомолота, корпус пневмомолота, рычаг, балка, балансировочный груз - упругий элемент - навесная рама, базовая машина» в режиме противофазных (антифазных) колебаний, что позволяет максимально перераспределить энергию колебаний в разрушаемый массив.
В совокупности указанные преимущества предлагаемого устройства по сравнению с прототипом позволяют увеличить передачу энергии динамических нагрузок в грунт, снизить их воздействие на базовую машину, уменьшить тяговое усилие.
На фиг. 1 изображен рыхлитель ударного действия, общий вид. На фиг. 2, 3 - вид сверху на рабочий орган (верхняя часть рабочего органа условно не показана). На фиг. 4 показан угол наклона пневмомолота к поверхности разрабатываемого массива (балка, балансировочный груз, рычаг условно не показаны). На фиг. 5 представлена расчетная схема рыхлительного оборудования. На фиг. 6 представлена модель двухмассной механической системы рыхлителя. На фиг. 7 представлен график зависимости коэффициента передачи от частоты кинематического возбуждения.
Рыхлитель содержит базовую машину с навесной рамой 1, гидроцилиндр 2, пневмомолоты 3, содержащие зубья 4 и поршни-бойки 5, балки 6, соединенные осями 7 с навесной рамой 1, балансировочные грузы 8. На балке 6 расположены направляющие 9. К балкам 6 со стороны осей вращения 7 жестко присоединены рычаги 10, которые через чаши 11 взаимодействуют с пружинами 12, закрепленными на перегородке 13, установленной на раме 1.
Рыхлитель работает следующим образом.
При опускании навесной рамы 1 гидроцилиндром 2 происходит касание зубьями 4 дневной поверхности массива. Благодаря воздействию пружины 12 и силы тяжести навесного оборудования, происходит плотное прижатие зуба 4 к разрабатываемой поверхности. В этот момент происходит подача сжатого воздуха в полости корпуса пневмомолота 3, приводя к ускоренному движению поршня-бойка 5. Динамические силы в этом случае попеременно передаются от поршня-бойка 5 на зуб 4 и корпус пневмомолота 3. С одной стороны, эти силы через зуб 4 воздействуют на массив, разрушая его, с другой - через корпус пневмомолота 3 и навесное оборудование передаются на базовую машину и оператора.
Для исключения передачи динамических нагрузок на базовую машину и оператора, кинематическая цепь рабочего оборудования снабжена осями 7 и балками 6, на которых расположены пневмомолоты 3, балансировочные грузы 8, рычаги 10, взаимодействующие через чаши 11 с пружинами 12. Пружины 12 присоединены к перегородке 13, установленной на раме 1.
oy
Положение пневмомолота 3, при наличии балансировочного груза 8 относительно оси вращения, определяется из условия динамического равновесия (см., например, книгу Яблонского А.А. Курс теоретической механики. Ч. 2. Динамика. Учебник для втузов. Изд. 5-е, испр. - М.: Высш. школа, 1977-430 с. С. 279-292). Полагая, что реакция в точке крепления балки 6 в проекции на ось Y (R) равна нулю, условие равновесия сил и моментов сил, включая силы инерции, может быть представлено следующей зависимостью:
o
o3
o6
o8
o10
3
6
8
10
cx
cy
o
i
np
ox
y
где J - момент инерции тел относительно оси вращения (пневмомолота - J, балки 6 - J, балансировочного груза 8 - J и рычага 10 - J); ε - угловое ускорение балки 6; М - масса вращающихся тел (пневмомолота 3 - m, балки 6 - m, балансировочного груза 8 - m и рычага 10 - m); a, a - ускорение центра масс вращающихся тел в проекциях на оси декартовой системы координат; ΣM(F) - момент внешних сил относительно центра вращения; F - усилие пружины; R - реакция шарнира О в проекции на ось OX; Σ F - суммарное значение действующих сил в проекции на ось OY.
Вычислим момент инерции механической системы:
В соответствии с теоремой о моментах инерции относительно параллельных осей (см., например, книгу Яблонского А.А. Курс теоретической механики. Ч. 2. Динамика. Учебник для втузов. Изд. 5-е, испр.-М.: Высш. школа, 1977. - 430 с. С. 93-94), момент инерции пневмомолота 3 представим в следующем виде:
c3
где J - момент инерции пневмомолота 3 относительно центра масс.
cy
c
c
Ускорение центра масс вращающихся тел в проекции на ось OY представим в следующем виде a=εx, где x - расстояние от центра масс вращающихся тел до оси вращения. В соответствии с теоремой о движении центра масс механической системы [см., например, книгу Яблонского А.А. Курс теоретической механики. Ч. 2. Динамика. Учебник для втузов. Изд. 5-е, испр.-М.: Высш. школа, 1977. - 430 с. С. 121-124],
где  - расстояние от оси вращения до центра масс, соответственно, пневмомолота 3, балки 6 и балансировочного груза 8. Расстояние от центра масс рычага 10 до оси вращения в проекции на ось ОХ принято равным нулю. Момент внешних сил относительно центра вращения равен:
где h - расстояние от точки приложения усилия пружины до оси вращения;
α - угол наклона плоскости движения пневмомолота к горизонтальной плоскости.
Суммарное значение действующих сил в проекции на ось OY равно:
r
где F - реактивная сила, возникающая при воздействии пневмомолота 3 на разрабатываемую поверхность в момент удара зуба 4 о поверхность массива. С учетом полученных преобразований, формулы (1) и (3) примут вид
Решая совместно уравнения (4) и (5), получим
где
ox
Реакции опор, направленные вдоль оси X (R, уравнение 2) взаимно компенсируются за счет использования дополнительной балки с пневмомолотом 3, установленной на навесной раме 1.
Пример: Определить положение пневмомолота 3 относительно оси вращения 7, при котором реакция опоры в направлении движения базовой машины равнялась нулю.
3
6
8
10
r
np
r
3
Примем допущение: масса пневмомолота 3-m=2m; масса балки 6-m=m; масса балансировочного груза 8-m=0,5m; масса рычага 10-m=0,1m; сила тяжести mg=0,01F; усилие сжатия пружины 12 в момент прижатия зуба 4 к дневной поверхности массива F=0,1F; l - длина балки 6; высота рычага 10-h=0,2l; высота пневмомолота 3-h=0,5l; угол наклона плоскости движения пневмомолота к горизонтальной плоскости α=30°.
Вычислим момент инерции механической системы:
Вычислим момент внешних сил относительно центра вращения:
Вычислим координату центра масс механической системы в проекции на ось X:
Вычислим суммарное значение действующих сил в проекции на ось OY:
Вычислим расстояние от места крепления пневмомолота до оси вращения:
Изменяя длину балки 6 и расположение балансировочного груза 8, можно управлять расстоянием между зубьями 4, обеспечивающим максимальный объем разрушаемого массива, заключенного между ударными инструментами. При этом реакция на ось вращения в направлении движения рыхлителя будет равна нулю.
Выбор жесткости упругого элемента 12 подбирается из условия максимальной передачи энергии динамических нагрузок в зону разрушения массива. А это возможно, когда работа механической системы «зуб 4 пневмомолота 3, корпус пневмомолота 3, рычаг 10, балка 6, балансировочный груз 10 - упругий элемент 12 - рыхлитель с навесной рамой 1» происходит в режиме противофазных (антифазных) колебаний (см., например, книгу Вибрации в технике. Справочник в 6 т. Т. 6. Защита от вибраций и ударов / под ред. К.В. Фролова. - Москва: Машиностроение, 1981. - 456 с. С. 171-188; С. 249-281).
Для анализа динамического состояния механической системы «зуб 4 пневмомолота, корпус пневмомолота 3, рычаг 10, балка 6, балансировочный груз 10 - упругий элемент 12 - рыхлитель с навесной рамой 1», рассмотрим поведение рыхлителя и рыхлительного оборудования в области первого резонанса (фиг. 6).
1
2
Уравнения вынужденных колебаний масс m и m, если пренебречь демпфированием в элементах трансмиссии и гусеничного движителя, при кинематическом возбуждении системы имеют вид:
1
2
2
1
2
3
где m, - масса рыхлителя с навесной рамой 1; m - приведенная масса рыхлительного оборудования (зуба 4, пневмомолота 3, рычага 10, балки 6, балансировочного груза 10);  - соответственно, линейные перемещения, скорости и ускорения рыхлителя с навесной рамой 1 и рыхлительного оборудования; α - коэффициент диссипативных потерь в упругом элементе 12 в зоне контакта с чашей 11; с,c, c - соответственно, жесткость упругой связи в трансмиссии рыхлителя, упругого элемента 12 и грунтового или горного массива в зоне контакта с зубом 4; ξ - закон кинематического возбуждения.
Предположим, кинематическое возбуждение системы описывается гармонической функцией
1
2
тогда колебания масс m и m также можно записать, используя гармонические законы
Подставляя выражения (8) и (9) в (7) приведем последние к алгебраическому виду
Из уравнения (10) получим
1
2
Проводя преобразования выражений (10) и (11), используя (12), вычислим x и x
Используя полученные выражения, вычислим передаточные функции
Коэффициенты передачи равны
1
2
Используя уравнения (17) и (18), построим графические зависимости μ и μ.
1
2
μ
2
c
2
μ
2
c
1
2
Сопоставляя графические зависимости коэффициентов передачи основного объекта μ и колеблющейся массы μ (фиг. 7), можно сказать, что для различных частот кинематического возбуждения на графике существуют зоны соответствующие оптимальному значению . В этих зонах коэффициент K стремится к своему минимальному значению. Например, при значении коэффициента механических потерь η=0.82, K=0,5 среднее значение  С увеличением η значение коэффициента K увеличивается. Например, в случае, когда η=0,182, K=c/c=0.1
Применение предлагаемого рыхлителя позволяет повысить эффективность рыхления грунта за счет плотного прилегания ударного инструмента к массиву в момент удара и максимального перераспределения энергии колебаний в разрушаемый массив.