Устройство для пневмоударного механизма
DEVICE FOR A PNEUMATIC IMPACT MECHANISM

Изобретение относится к области строительства и горной промышленности, в частности к пневматическим устройствам ударного действия.
Известно устройство пневматического ударного механизма (а.с. СССР 359382, 1972 г. Е21С 3/24), содержащее цилиндрический корпус с выпускным отверстием, рабочий инструмент с хвостовиком, ступенчатый ударник со штоковой частью со сквозным отверстием и втулкой с канал-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 канал-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.
Недостатками устройства является: кольцевая камера, образованная цилиндрическим корпусом и штоковой частью ударника, которая не участвует в образовании силового импульса давления воздуха с ее стороны, что препятствует повышению энергии удара;
Наиболее близким по технической сущности заявленному устройству, выбранному в качестве прототипа, является устройство пневматического ударного механизма (патент РФ 2547876, 2015 г. Е21В 1/30, Е21С 37/22), содержащее 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 и 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 периодическую камеру холостого хода и кольцевую распределительную камеру, выполнен на поршневой части стержня в виде канал-паза с изменяющимся геометрическим сечением, увеличивающимся от боковой поверхности поршневой части со стороны стержня до окончания его поршневой части со стороны сквозного осевого отверстия ступенчатого ударника.
Недостатком этого устройства является наличие кольцевой камеры пневматического буфера, в котором создаются импульс давления в период холостого хода, обуславливающий преждевременное торможение ударника и уменьшение его перемещения, за счет чего уменьшается участок разгона ступенчатого ударника при рабочем ходе, снижается скорость его соударения с хвостовиком рабочего инструмента и снижается, переданная ему, энергия удара.
Задачей заявляемого изобретения является замена функций кольцевой камеры пневматического буфера на функции кольцевой управляемой камеры рабочего хода с перепуском воздуха из кольцевой распределительной камеры, за счет выполнения на боковой поверхности штоковой части ступенчатого ударника управляемой канал-выточки перепуска воздуха с изменяющейся площадью геометрического сечения периодически, в зависимости от положения ступенчатого ударника, сообщающими кольцевую распределительную камеру и кольцевую управляемую камеру рабочего хода между собой.
Поставленная задача решается тем, что в устройстве для пневмоударного механизма, содержащем цилиндрический корпус с выпускными каналами, кольцевой фланец со сквозным центральным отверстием, рабочий инструмент с хвостовиком, ступенчатый ударник со штоковой и поршневой частями, установленный в центральном отверстии кольцевого фланца стержень с поршневой частью с наклонным канал-пазом, постоянно находящийся в сквозном осевом отверстии ступенчатого ударника, втулку цилиндрического корпуса с отверстием для пропуска штоковой части ступенчатого ударника и образующем во втулке 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-ресивер между стаканом и крышкой, камеру холостого хода в крышке со стороны хвостовика рабочего инструмента, удерживаемого пружиной относительно цилиндрического корпуса, при чем канал-паз на боковой поверхности поршневой части стержня выполнен с изменяющимся геометрическим сечением, увеличивающимся от боковой поверхности поршневой части со стороны стержня до окончания его поршневой части со стороны сквозного осевого отверстия ступенчатого ударника, согласно изобретению, между штоковой частью ступенчатого и цилиндрическим корпусом со стороны кольцевого перешейка втулки образована кольцевая управляемая камера рабочего хода, а на боковой поверхности штоковой части ступенчатого ударника выполнен кольцевой канал-выточка перепуска воздуха в виде сходящихся вершинами усеченных конусов вдоль образующей штоковой части ступенчатого ударника с уменьшающимися площадями геометрических сечений в стороны кольцевой распределительной камеры и кольцевой управляемой камеры рабочего хода и так, что протяженность канал-выточки достаточна для периодического перепуска воздуха при сообщении кольцевой распределительной камеры и кольцевой управляемой камеры рабочего хода между собой.
Такое исполнение технического решения позволяет при холостом ходе ступенчатого ударника кольцевую управляемую камеру рабочего хода наполнять воздухом плавно, до окончания перепуска воздуха из кольцевой распределительной камеры, что не вызывает резкого торможения ступенчатого ударника, удлиняет участок его перемещения и при рабочем ходе на большем участке разгона с возрастающим наполнением кольцевой камеры рабочего хода, обуславливает возрастание импульса кинетической энергии удара, передаваемого хвостовику рабочего инструмента.
Целесообразно выступающие кромки кольцевых канал-выточек выполнить так, чтобы боковые плоскости усеченных конусов, обращенных внутрь штоковой части ступенчатого ударника были представлены в виде сопряженных плоскостей с кривизной окружности радиусом равным наибольшей глубине канал-выточки.
Предложенное техническое решение кольцевых канал-выточек перепуска воздуха с кривизной сопрягаемых плоскостей кольцевых канал-выточек уменьшают местные гидравлические сопротивления канал-выточек усеченных конусов и увеличивает коэффициент расхода воздуха, что позволяет уменьшить геометрические размеры площадей сечений канал-выточки при необходимом и достаточном расходе воздуха. Дополнительно исключаются концентраторы напряжений на участках канал-выточек при планом переходе сопряжений плоскостей, что обеспечивает большую прочность и ресурс ступенчатого ударника.
На Фиг. 1 представлен общий вид устройства для пневмоударного механизма в продольном разрезе с кольцевой канал-выточкой перепуска на боковой поверхности штоковой части ступенчатого ударника в виде сходящихся вершинами усеченных конусов с уменьшающимися площадями поперечных кольцевых выточек в сторону кольцевой распределительной камеры и кольцевой управляемой камеры рабочего хода.
Устройство пневмоударного механизма содержит цилиндрический корпус 1 с втулкой 2, установленный в нем с возможностью перемещаться ступенчатый ударник 3 со штоковой частью 4 и поршневой частью 5, имеющий сквозное осевое отверстие 6, частично входящая в него поршневая часть 7 стержня 8. Штоковая часть 9 стержня 8 снабжена фланцем 10 штоковой части 9 стержня 9 с каналами 11 перепуска и кольцевой обечайкой 12. Поршневая часть 7 стержня выполнена с наклонным канал-пазом 13 с увеличивающимся проходным сечением от боковой поверхности со стороны штоковой части 9 до окончания поршневой части 7 со стороны сквозного осевого отверстия 6 с радиальными каналами 14 выпуска в ступенчатом ударнике 3. Перемещение стержня 8 в продольном направлении ограничивает выступ 15 крышки 16 с каналами 17 перепуска со стороны фланца 10 штоковой части 9 стержня 8, сохраняя проходные сечения каналов 11 перепуска воздуха во фланце 10 и каналов 17 перепуска в крышке 16. Стакан 18 разъемно соединен с цилиндрическим корпусом 1, в котором установлен кольцевой фланец 19 с центральным отверстием 20 для установки в нем зазором штоковой части 9 стержня 8. Стакан 18 уплотненно опирается последовательно на крышку 16, с кольцевой обечайкой 12 опирается на кольцевой фланец 19 и цилиндрический корпус 1. Диаметральный зазор, образованный центральным отверстием 20 кольцевого фланца 19 и штоковой частью 9 стержня 8 гарантирует сохранение кольцевой площади проходного сечения при любых поперечных перемещениях стержня 8. Ступенчатый ударник 3 разделяет полость цилиндрического корпуса 1 на кольцевую распределенную камеру 22 во втулке 2, кольцевую управляемую камеру 23 рабочего хода и камеру 24 холостого хода, в которой установлен хвостовик 25 рабочего инструмента 26, удерживаемого относительно цилиндрического корпуса 1, например, пружиной 27.
Между стаканом 18 и крышкой 15 образована камера 28 сетевого воздуха, который поступает через канал 29 впуска в стакане 18. Между крышкой 16 и кольцевым фланцем 18 образована предкамера 30, в которой размещен фланец 10 с каналами 11 перепуска. Каналы 17 перепуска воздуха сообщают между собой камеру 28 сетевого воздуха с предкамерой 30, а перепускаемый канал 11 во фланце 10 сообщают предкамеру 30 с промежуточной камерой 21, которая через центральное отверстие 20 в кольцевом фланце 19 сообщается с кольцевой распределительной камерой 22 во втулке 2. В зависимости от положения ступенчатого ударника 3 камера 24 холостого хода периодически через канал 32 выпуска, а кольцевая управляемая камера 23 рабочего хода периодически через выпускной канал 33 в стенке цилиндрического корпуса 1 сообщается с атмосферой.
На штоковой части 4 ступенчатого ударника 3 боковые поверхности выполнены в виде двух сходящихся вершинами усеченных конусов с изменяющейся геометрической площадью сечения канал-выточка 34, перепуска воздуха между сквозной распределительной камерой 22 и кольцевой управляемой камерой 23 рабочего хода.
Устройство для пневмоударного механизма работает следующим образом. После включения пускового устройства (на чертеже не показано, может быть любым) воздух из сети поступает по каналу 29 в стакане 18 в камеру 28 сетевого воздуха. Далее через канал 17 в крышке 16 в предкамеру 30, откуда по каналу 11 перепуска во фланце 10 с кольцевой обечайкой 12 в промежуточную камеру 31, и по отверстию 20 в кольцевом фланце 19 в кольцевую распределительную камеру 22, из которой по канал-пазу 13 на поршневой части 7 стержня 8 с увеличивающейся площадью геометрического сечения от боковой поверхности поршневой части 7 стержня 8 до окончания его поршневой части со стороны сквозного осевого отверстия 6 воздух поступает по сквозному осевому отверстию 6 и его радиальным каналам 14 ступенчатого ударника 3 в камеру 24 холостого хода.
Исполнение канал-паза 13 с изменяющимся геометрическим сечением позволяет снизить противодавление воздуха в камере 24 холостого воздуха за счет малого количества воздуха в начальный период впуска через меньшее проходное сечение канала-паза 13, что снижает сопротивление движению ступенчатого ударника 3, сохраняет его предударную скорость к моменту удара по хвостовику 25 рабочего инструмента 26. В положении, показанном на чертеже, кольцевая управляемая камера 23 рабочего хода сообщена с атмосферой посредством выпускного канала 33. Вначале движения ступенчатого ударника 3, когда канал-паз 13 на поршневой части 7 стержня 8 открыт, продолжается наполнение воздухом камеры 24 холостого хода, обеспечивая расчетную величину импульса холостого хода. Давление воздуха в камере 24 холостого хода повышается и под действием импульса давления с ее стороны ступенчатый ударник 3 начинает движение в сторону кольцевой распределительной камеры 22, совершая холостой ход. При последующем движении ступенчатый ударник 3 начинает движение в сторону кольцевой распределительной камеры 22, совершая холостой ход. При последующем движении ступенчатый ударник 3 открывает канал 30 в цилиндрическом корпусе 1, перекрывает канал-паз 13 поршневой части 7 стержня 8, а затем давление воздуха в камере 24 холостого хода выравнивается до атмосферного. Перемещаясь, ступенчатый ударник 3 перекроет выпускной канал 33 и в кольцевой управляемой камере 23 рабочего хода после разобщения ее с атмосферой начинает сжатие отсеченного в ней воздуха и воздуха, начинающего поступать через канал-выточку 34 перепуска, из кольцевой распределительной камеры 22 в кольцевую управляемую камеру 23 рабочего хода. В результате этого происходит выравнивание давления воздуха в обеих камерах. Выравнивание давления воздуха будет осуществляться несмотря на поступление воздуха в кольцевую распределительную камеру 22 посредством центрального отверстия 20 и канала 11 в фланце 10 стержня 8 из предкамеры 30 и через каналы 17 перепуска и камеры 28 сетевого воздуха, которая будет заполняться воздухом посредством канала 29 впуска в стакане 18. При изменяющейся площади сечения канал-выточки 34 перепуска в кольцевой распределительной камере 22 и кольцевой управляемой камере 23 рабочего хода давление воздуха, несмотря на его измерение, будет поддерживаться практически одинаковым.
Увеличивающееся давление воздуха в кольцевой распределительной камере 22 и кольцевой камере 23 рабочего хода будет затормаживать перемещение ступенчатого ударника 3. При отсутствии давления воздуха со стороны камеры 24 холостого хода ступенчатый ударник 3, исчерпав энергию импульса холостого хода, остановится в расчетной положении, завершив холостой ход.
Сразу же, после остановки, под действием импульса давления воздуха со стороны кольцевой распределительной камеры 22 и кольцевой управляемой камеры 23 рабочего хода, ступенчатый ударник начинает свое перемещение в сторону хвостовика 25 рабочего инструмента 26, совершая рабочий ход.
Перемещаясь в сторону хвостовика 25 канал-выточка 34 перепуска на боковой поверхности штоковой части 4 ступенчатого ударника 3, перекроется перешейком втулки 2 корпуса 1 и воздух из кольцевой распределительной камеры 22 прекратит поступление в кольцевую управляемую камеру 23 рабочего хода, что обусловит расширение в ней воздуха, а в кольцевой распределительной камере 22 его повышение до величины давления воздуха в камере 28 сетевого воздуха.
При последующем перемещении ступенчатый ударник 3 своей поршневой частью 5 перекроет выпускной канал 32 в корпусе 1 и в камере 24 холостого хода начинается процесс сжатия, отсеченного в ней воздуха и воздуха, начинающего поступать после открытия канал-паза 13 на поршневой части 7 стержня 8, в основной канал 6 и посредством радиальных каналов 14 в поршневой части 5 ступенчатого ударника 3, непосредственно в камеру 24 холостого хода. Перемещаясь в сторону хвостовика 25, ступенчатый ударник 3 поршневой частью 5 откроет выпускной канал 33 и из кольцевой управляемой камеры 23 рабочего хода начинается выпуск отработавшего воздуха с понижением его давления до величины атмосферного. Далее ступенчатый ударник 3, преодолевая сопротивление противодавления воздуха со стороны камеры 24 холостого хода, наносит удар по хвостовику 25 рабочего инструмента 26. В результате соударения с хвостовиком 26 ступенчатый ударник 3 передает кинетическую энергию рабочему инструменту 26 и после отскока от хвостовика 25, ступенчатый ударник 3 начинает свое движение под действием импульса отскока и импульса давления воздуха со стороны камеры 24 холостого хода, совершая холостой ход следующего рабочего цикла, который будет повторяться.
Использование заявляемого изобретения позволяет: увеличить КПД использования внутренней энергии воздуха кольцевой управляемой камеры рабочего хода; увеличить участок разгона ступенчатого ударника на большем участке его перемещения; увеличить импульс кинетической энергии, передаваемый хвостовику рабочего инструмента при расширении воздуха при подаче его в период разгона ступенчатого ударника; увеличить участок разгона ступенчатого ударника при увеличении участка расширения воздуха с уменьшением его подачи из кольцевой распределительной камеры, чем повысит экономичность рабочего процесса пневматического ударного механизма; применение плавно сопрягаемых переходов канал-выточки снижает отрицательное влияние концентраторов напряжений в материале конструкции ступенчатого ударника и повышает его ресурс.