ШАРНИРНЫЙ ВИБРОУДАРНЫЙ МЕХАНИЗМ
HINGED VIBRO-IMPACT MECHANISM

Изобретение относится к механическим устройствам для создания циклических ударов рабочего органа по обрабатываемому им испытываемому на вибрацию объекту и может найти применение, например, в камнеобрабатывающих станках, перфораторах, трамбовках и вибросмесителях или, например, в стендах для виброиспытаний на удар различной измерительной аппаратуры и установках для чеканки.
Известен виброударный механизм перфоратора, содержащий замкнутую кинематическую цепь с приводным двигателем, сообщающим вращение в разные стороны двум шарнирно-установленным на подвижной раме зубчатым колесам с неуравновешенными дисбалансами и рабочим органом для забивки свай в грунт (Крайнев А.Ф. Словарь-справочник по механизмам. - М.: Машиностроение. 1987. С. 481) - аналог №1.
Недостатками такого механизма являются:
а) сложность конструкции;
б) передача создаваемых неуравновешенными дисбалансами больших динамических ударных усилий через опорные подшипники зубчатых колес, что снижает срок их службы: низкая частота создаваемых ударов ограничивает производительность перфоратора.
Также известен вибрационный механизм, содержащий замкнутую кинематическую цепь с приводным двигателем. включающую кривошипно-ползунный механизм с установленным один внутри другого двойным шарнирно-поворотным цилиндром с поршнем, на котором закреплена трамбовочная площадка с двухсторонне-подпружиненным устройством (Крайнев А.Ф. Механика машин: Фундаментальный словарь. - М.: Машиностроение. 2000. с. 728) - аналог №2.
Недостатками ударного вибрационного механизма являются сложность конструкции многократного цилиндра с подпружиненным поршнем, и возможность заклинивания (под действием создаваемых вибрации) двойных поступательных кинематических пар при движении одного цилиндра внутри другого цилиндра.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому изобретению, является ударный механизм с гидравлическим устройством регулирования прямого и обратного хода, система управления которым включает датчики положения, скорости и ускорения рабочего инструмента и управляющий элемент с распределителем потока жидкости, поступающей из напорного трубопровода и удаляющей через сливной трубопровод в маслобак (Ешуткин Д.Н и др. «Структурный синтез органов управления машин ударного действия» // Материалы V международ. конф. «Проблемы механики современных машин», - Улан-Удэ: Изд-во ВСГТУ. Том 1. 2012. С. 199, рис. 1) - прототип.
Недостатками указанного ударного механизма являются:
1. Сложная конструкция машины ударного действия, включающая:
а) ударный механизм:
б) набор различных датчиков контроля движения рабочего органа:
в) управляющий элемент для устойчивости ударных режимов.
2. Очень низкий к.п.д. (30-40%) из-за преобразования гидравлической энергии источника питания в механическую энергию ударного бойка.
3. Частота ударов ограничена и не может превышать частоту со приводного двигателя.
В основу изобретения положена техническая задача, заключающаяся в:
а) упрощении конструкции (за счет применения простых в изготовлении и надежно работающих цилиндрических шарниров);
б) повышении коэффициента полезного действия - КПД (за счет исключения потерь от преобразования гидравлической энергии источника питания в механическую энергию ударного инструмента);
в) обеспечении устойчивых циклических ударных режимов работы без применения сложной системы обратной связи (как в прототипе гидроотбойника);
г) увеличение частоты ударов при установке низкочастотного приводного двигателя.
Получение технического результата достигается за счет того, что предлагаемый шарнирный виброударный механизм содержит замкнутую кинематическую цепь с приводным вращательным двигателем, выполненную в виде основного кривошипно-коромыслового механизма с подвижно соединенными между собой через цилиндрические шарниры рычажными звеньями в виде ведущего кривошипа, шатуна, коромысла и стойки, в котором длина ведущего кривошипа и шатуна равна сумме длин коромысла и стойки, коромысло и стойка выполнены одинаковой длины, а длина шатуна равна устроенной длине ведущего кривошипа.
Сущность изобретения поясняется чертежами на фиг. 1,фиг. 2,фиг. 3,фиг. 4 и фиг. 5.
1
2
1
2
1
2
1
2
На фиг. 1 изображен общий вид шарнирного виброударного механизма, содержащего замкнутую кинематическую цепь с приводным двигателем, которая выполнена в виде основного кривошипно-коромыслового механизма OABO с подвижно соединенными между собой (через цилиндрические шарниры O, А, В и O) рычажными звеньями 1, 2, 3 и 4 в виде ведущего кривошипа 1 (вращающегося с угловой скоростью ω), шатуна 2, коромысла 3 и стойки 4. В указанной кинематической цепи сумма длины OA ведущею кривошипа 1 и длины АВ шатуна 2 равна сумме длины OB коромысла 3 и длины OO стойки 4, т.е.
1
2
1
2
(ОА+АВ)=(OB+OO);
2
1
2
1
1
1
2
2
1
1
1
коромысло 3 и стойка 4 выполнены одинаковой длины (OB=OO), а длина АВ шатуна 2 равна утроенной длине ОА ведущего кривошипа 1 (АВ=3⋅ОА) для образования при сборке механизма компактного равностороннего треугольника со сторонами ОО=ОВ=В'O, где B'O=AB-OA.
1
2
Коромысло 3 выполнено с возможностью закрепления на нем рабочею органа 5 (например, в виде ударного бойка), создающего ударное воздействие на выходе в крайнем положении кривошипно-коромыслового механизма, возникающем при расположении на одной прямой линии OO всех его рычажных звеньев 1, 2, 3, 4 и установленного на стойке 4 ограничителя 6 углового внутрициклового поворота коромысла 3 (на рис. 1.а) это крайнее положение данного механизма показано пунктиром). Кроме того, коромысло 3 выполнено с возможностью его соединения со стойкой 4 через упругий элемент 7, который может быть выполнен, например, в виде упругого торсионного вала или в виде винтовой пружины кручения или растяжения или сжатия, выполненной цилиндрической или конической формы.
1
1
1
2
Ведущий кривошип 1 выполнен в виде одноплечего двухшарнирного рычага длиной OA, у которого один конец через шарнир O соединен со стойкой 4, другой конец через шарнир А соединен с шатуном 2, а стойка 4 выполнена в виде двухшарнирного звена OO.
1
2
1
Цилиндрические шарниры О, А, В и O замкнутой кинематической цепи выполнены с параллельными между собой осями вращения соединяемых рычажных звеньев 1, 2. 3 и 4, а замкнутая кинематическая цепь может быть выполнена со входной кинематической парой привода от вращательного двигателя, совмещенной с цилиндрическим шарниром О(расположенным между ведущим кривошипом 1 и стойкой 4), или совмещенной с цилиндрическим шарниром А (расположенным между ведущим кривошипом 1 и шатуном 2), а привод с вращательным двигателем выполнен с возможностью регулирования угловой скорости ω ведущего кривошипа 1.
3
1
2
3
1
2
3
2
3
1
2
На фиг. 2 представлен вариант выполнения шарнирного виброударного механизма, в котором стойка OOO выполнена в виде трехшарнирного звена с расположением всех его трех шарниров O, О, O на одной прямой линии OO, а ведущий кривошип 1 выполнен в виде одноплечего рычага с расположенным на его конце двойным цилиндрическим шарниром С для соединения между собой и с ведущим кривошипом 1 шатуна 2 основного кривошипно-коромыслового механизма и дополнительного шатуна 8, образующего через шарнир D и дополнительное коромысло 9 вместе со стойкой OOO дополнительный кривошипно-коромысловый механизм с установленным на дополнительном коромысле 9. дополнительным рабочим органом 10, для образования двухпозиционной виброударной установки для ударного нагружения двух разных объектов 11 и 12 рабочими органами 5 и 10,установленными на коромыслах 3 и 9.
1
2
3
4
1
1
На фиг. 3 представлен вариант выполнения шарнирного виброударного механизма, в котором стойка выполнена в виде четырехшарнирного звена OOOO, а ведущий кривошип 1 основного кривошипно-коромыслового механизма и ведущий кривошип ON дополнительного кривошипно-коромыслового механизма кинематически связаны между собой через приводное зацепление двух зубчатых колес 13 и 14 с одинаковым числом зубьев, сблокированных с упомянутыми кривошипами 1 и ON, для образования установки чеканки тонкостенных изделий за счет встречного ударного взаимодействия двух рабочих органов 15 и 16 через обрабатываемый листовой материал 17.
1
1
2
На фиг. 4 представлен вариант выполнения шарнирного виброударного механизма, в котором ведущий кривошип 1 выполнен в виде одноплечего трехшарнирного рычага OAK треугольной формы, который через шарнир О соединен со стойкой 4, а через два других шарнира А и K соответственно соединен с шатуном 2 основного кривошипно-коромыслового механизма и с шатуном KL дополнительного кривошипно-коромыслового механизма для образования установки виброударного бучардирования камня 18 (например, в виде гранитных бордюров) с рабочими органами в виде бучард 19 и 20, ось углового поворота O которых расположена параллельно обрабатываемой поверхности.
1
2
На фиг. 5 представлен вариант выполнения шарнирного виброударного механизма, в котором цилиндрические шарниры О, А, В и О выполнены с пересекающими между собой в одной точке М осями вращения соединяемых рычажных звеньев 1, 2, 3 и 4, для образования пространственного виброударного смесителя, в котором шатун 2 выполнен с возможностью закрепления на нем месильной емкости 21, стойка 4 снабжена упругим упором 22, который при угловом повороте коромысла 3 взаимодействует с установленным на коромысле 3 ударным бойком 5 в крайнем положении упомянутого шарнирного виброударного механизма, а все звенья шарнирного виброударного механизма для перемещения по сферической поверхности с радиусом R из упомянутой точки М выполнены со следующим суммарным соотношением:
1
2
3
4
γ+γ=γ+γ.
1
2
4
углов между пересекающимися осями шарниров соответственно ведущего кривошипа (угол γ), шатуна (угол γ), коромысла (γ3) и стойка (угол γ).
Работа представленного шарнирного виброударного механизма заключается в следующем.
Задаваемое приводным вращательным двигателем вращение ведущего кривошипа 1 через рычажные звенья 1, 2 и 3 со скоростью ω преобразуется в угловые колебания коромысла 3 с ударами в крайнем положении рабочего органа 5 по внешнему объекту (обрабатываемой поверхности, испытуемым объектам 11 и 12 или по ограничителю 6). Для механизмов на фиг. 1, фиг. 3. и фиг. 5 частота возникающих ударов равна угловой скорости ω ведущего кривошипа 1 (т.е. за один оборот ведущего кривошипа 1 происходит один удар рабочего органа 5).
В механизме на фиг. 2, содержащем два рабочих органа 5 и 10, а также на механизме на фиг. 4, содержащем тоже два рабочих органа 19 и 20 - за полный оборот ведущего кривошипа 1 эти два рабочих органа будут создавать два (сдвинутых по фазе) удара и поэтому в механизмах на фиг. 2 и фиг. 4 частота ударного воздействия будет в два раза больше угловой скорости ω ведущего кривошипа 1.
За полный цикл колебательного движения коромысла 3, соединенного со стойкой 4 посредством упругого элемента 7 - сначала при угловом повороте коромысла 3 в одну сторону (т.е. против часовой стрелки на фиг. 1,б) происходит упругая деформация элемента 7 и накопление в нем потенциальной энергии), затем (во второй части цикла) при угловом повороте кривошипа 3 в другую сторону происходит отдача этой энергии и ее суммирование с подводимой энергией от приводного двигателя - что увеличивает силу создаваемых ударов.
Достигаемый в предлагаемом шарнирном виброударном механизме положительный эффект заключается в следующем:
1. Упрощение конструкции (за счет применения простых и надежных в работе цилиндрических шарниров).
2. Повышение КПД (за счет исключения преобразований одного вида энергии, например, в другой вид энергии, как в гидроотбойниках).
3. Создание виброударных режимов работы с простым регулированием частоты и силы ударов за счет изменения угловой скорости ведущего кривошипа 1 в его приводе от вращательного двигателя (при отсутствии сложной системы обратной связи для управления потоком жидкости - как в указанном прототипе с гидроотбойником).
4. Возможность (за счет применения в виброударных механизмах многошарнирного ведущего кривошипа, например, как на фиг. 4) увеличения частоты создаваемых ударов при установке низкооборотного приводного двигателя.