КОМПРЕССИОННО-ВАКУУМНАЯ МАШИНА УДАРНОГО ДЕЙСТВИЯ Российский патент 2003 года по МПК B25D11/12 B25D11/04 E21B1/00 

Изобретение относится к машинам ударного действия, в частности к компрессионно-вакуумным машинам, и может быть использовано в строительстве, горном деле и в быту, например, для разрушения и обработки искусственных материалов и горных пород.

Известна компрессионно-вакуумная машина ударного действия, которая содержит полый корпус, цилиндр, установленные в цилиндре с возможностью возвратно-поступательного перемещения ударник и поршень, расположенный в корпусе кривошипно-шатунный привод, который кинематически связан с поршнем, образованную обращенными друг к другу торцами поршня и ударника и стенкой цилиндра рабочую камеру и приспособление для компенсации утечек воздуха из рабочей камеры (см., например, авторское свидетельство СССР 1714113, кл. В 25 D 11/12, опубл. 23.02.92).

В указанном выше известном устройстве приспособление для компенсации утечек воздуха из рабочей камеры выполнено в виде компенсационного отверстия, которое расположено в цилиндре с возможностью перекрытия его поршнем при нахождении последнего в нижней мертвой точке. При работе известной компрессионно-вакуумной машины приспособление для компенсации утечек воздуха из рабочей камеры снижает энергию удара, наносимого ударником по рабочему инструменту, поскольку часть подводимой энергии тратится на преодоление потерь на трение воздухом, проходящим через компенсационное отверстие, которое имеет малый диаметр и, следовательно, оказывает большое сопротивление.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому техническому результату является компрессионно-вакуумная машина ударного действия, включающая полый корпус, цилиндр, установленные в цилиндре с возможностью возвратно-поступательного перемещения ударник и поршень, расположенный в корпусе кривошипно-шатунный привод, который кинематически связан с поршнем, образованную обращенными друг к другу торцами поршня и ударника и стенкой цилиндра рабочую камеру и приспособление для компенсации утечек воздуха из рабочей камеры (см. , например, авторское свидетельство СССР 1175688, кл. В 25 D 11/12, опубл. 30.08.85).

В известном техническом решении, выбранном в качестве ближайшего аналога, приспособление для компенсации утечек воздуха из рабочей камеры выполнено в виде двух разнесенных по длине цилиндра отверстий, расположенных в боковой стенке его соответственно у обращенных друг к другу торцевых поверхностей ударника и поршня при нахождении последнего в нижней мертвой точке. Наличие приспособления для компенсации утечек воздуха из рабочей камеры описанной выше конструкции в общем улучшает режим работы компрессионно-вакуумной машины ударного действия. Однако наличие отверстий в боковой стенке цилиндра, обеспечивающих указанный процесс компенсации утечек воздуха из рабочей камеры, приводит к дополнительному торможению ударника струями воздуха, поступающими через указанные отверстия в рабочую камеру, что естественно приводит к снижению энергии удара. Кроме того, расположение отверстий в боковой стенке цилиндра у торцевых поверхностей соответственно ударника и поршня требует обеспечения высокой точности изготовления устройства. При незначительном отклонении взаиморасположения отверстий и торцевых поверхностей ударника и поршня нарушается правильная работа приспособления для компенсации утечек воздуха из рабочей камеры, что повлечет за собой снижение энергии удара и надежности работы устройства в целом. При этом следует отметить, что вероятность появления описанного выше недостатка увеличивается в процессе эксплуатации устройства из-за естественного износа узлов кривошипно-шатунного привода, поскольку в результате износа поршень при своем перемещении внутри цилиндра изменяет свое положение относительно отверстия в боковой стенке цилиндра. Указанное обстоятельство ведет к снижению эксплуатационной надежности устройства.

Изобретение направлено на решение задачи по созданию такой компрессионно-вакуумной машины ударного действия, которая, обеспечивая достаточно эффективную компенсацию утечек воздуха из рабочей камеры, позволила бы повысить энергоемкость процесса нанесения удара и снизить требования к точности изготовления узлов устройства. Технический результат, который может быть получен в результате использования изобретения, заключается в снижении потерь энергии на компенсацию утечек воздуха из рабочей камеры за счет обеспечении дополнительного воздействия на ударник энергией воздушной струи, поступающей через приспособление для компенсации утечек воздуха из рабочей камеры, при одновременном повышении эксплуатационной надежности работы за счет снижения влияния износа узлов устройства на процесс компенсации утечек воздуха из рабочей камеры.

Поставленная задача решена за счет того, что в компрессионно-вакуумной машине ударного действия, включающей полый корпус, цилиндр, установленные в цилиндре с возможностью возвратно-поступательного перемещения ударник и поршень, расположенный в корпусе кривошипно-шатунный привод, который кинематически связан с поршнем, образованную обращенными друг к другу торцами поршня и ударника и стенкой цилиндра рабочую камеру и приспособление для компенсации утечек воздуха из рабочей камеры с каналом, посредством которого рабочая камера сообщена с полостью корпуса, площадь проходного сечения осевого канала в дне поршня составляет не менее 0,0005 и не более 0,001 от площади поперечного сечения поршня. При таком варианте выполнения устройства геометрическое соотношение параметров указанных элементов устройства позволяет получить оптимальное соотношение между энергоемкостью машины и инерционностью ударника при прохождении поршня через положение верхней мертвой точки.

Кроме того, поставленная задача решена за счет того, что приспособление для компенсации утечек воздуха из рабочей камеры выполнено с, по меньшей мере, одним дополнительным каналом в дне поршня, при этом ранее упомянутые каналы расположены симметрично по окружности, центр которой расположен на продольной оси симметрии цилиндра. При таком варианте конструктивного выполнения машины более равномерно по площади ударника распределяются усилия, воздействующие на него от энергии воздушных струй, поступающих через основной и дополнительные каналы, что позволяет снизить перекос ударника при перемещении его по цилиндру и, следовательно, снизить износ взаимодействующих поверхностей ударника и цилиндра.

Кроме того, поставленная задача решена за счет того, что суммарная площадь проходных сечений основного и дополнительного каналов в дне поршня составляет не менее 0,0005 и не более 0,001 от площади поперечного сечения поршня. При таком соотношении геометрических параметров указанных элементов устройства появляется возможность получить оптимальное соотношение между энергоемкостью машины и инерционностью ударника при прохождении поршня через положение верхней мертвой точки при одновременном более равномерном распределении по площади ударника усилий, воздействующих на него от энергии воздушных струй, которые поступают через основной и дополнительные каналы.

Кроме того, поставленная задача решена за счет того, что основной и/или дополнительный канал в дне поршня имеет в продольном сечении ступенчатую форму, что позволяет упростить технологию изготовления машины.

Кроме того, поставленная задача решена за счет того, что толщина стенки поршня в месте расположения ступени, которая образует проходное сечение каждого основного и/или дополнительного канала, равна диаметру проходного сечения этого канала, что позволяет снизить затраты энергии на обеспечение компенсации утечек воздуха из рабочей камеры при работе устройства.

Кроме того, поставленная задача решена за счет того, что каждый основной и/или дополнительный канал в дне поршня выполнен с приспособлением для регулирования площади его проходного сечения. При таком варианте конструктивного выполнения машины появляется возможность регулирования энергии удара.

Кроме того, поставленная задача решена за счет того, что приспособление для компенсации утечек воздуха из рабочей камеры выполнено с расположенным в цилиндре радиальным каналом, который расположен у обращенной к поршню торцевой поверхности ударника, при этом рабочая камера сообщена через радиальный канал с полостью корпуса. Вариант выполнения устройства с радиальным каналом позволяет повысить стабильность энергетических параметров за счет стабилизации величины разгона ударника.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена компрессорно-вакуумная машина ударного действия, продольный разрез, на фиг.2 - разрез по А-А на фиг.1 при выполнении машины с несколькими дополнительными каналами, на фиг.3 - канал в дне поршня, продольный разрез, на фиг.4 - один из вариантов конструктивного выполнения приспособления для регулирования площади проходного сечения осевого канала в поршне.

Компрессионно-вакуумная машина ударного действия содержит полый корпус 1. В полости 2 корпуса 1 установлен кривошипно-шатунный привод 3, шатун 4 которого кинематически связан с поршнем 5 и предназначен для его перемещения. В полости 2 корпуса 1 закреплен цилиндр 6. В цилиндре 6 установлены с возможностью возвратно-поступательного перемещения поршень 5 и ударник 7. Внутренняя поверхность стенок цилиндра 6 и поверхности обращенных друг к другу торцов соответственно поршня 5 и ударника 7 образуют рабочую камеру 8. В стенке цилиндра 6 выполнены окна 9 для впуска воздуха. Ударник 7 установлен с возможностью взаимодействия своим рабочим торцом 10 с закрепленным в корпусе 1 рабочим инструментом 11. Устройство содержит приспособление для компенсации утечек воздуха из рабочей камеры 8, которое выполнено в виде расположенного в дне поршня 5 канала 12. Канал 12 может иметь в поперечном сечении любую форму, например, форму круга, квадрата, треугольника и т. д. Рабочая камера 8 сообщена через канал 12 с полостью 2 корпуса 1.

По одному из вариантов конструктивного выполнения устройства предпочтительно, чтобы площадь (S₁) проходного сечения канала 12 в дне поршня 5 составляла бы не менее 0, 0005 и не более 0,001 от площади (S₂) поперечного сечения поршня 5, то есть выполнялось следующее условие: 0,0005 S₂≤S₁≤ 0,001 S₂. Указанное геометрическое соотношение между конструктивными элементами устройства получено эмпирическим путем в результате проведенных исследований. Следует отметить, что полученное соотношение является оптимальным, поскольку при выходе геометрических параметров за нижний предел указанного соотношения, то есть когда площадь (S₁) проходного сечения канала 12 меньше площади (S₂) поперечного сечения поршня 5 в 0,0005 раз, не обеспечивается необходимая компенсация утечек воздуха из рабочей камеры 8. При выходе геометрических параметров за верхний предел указанного соотношения, то есть когда площадь (S₁) проходного сечения канала 12 больше площади (S₂) поперечного сечения поршня 5 в 0,001 раз, происходит снижение энергоемкости удара.

Один из вариантов конструктивного выполнения компрессионно-вакуумной машины ударного действия предусматривает выполнение приспособления для компенсации утечек воздуха из рабочей камеры 8 с, по меньшей мере, одним дополнительным каналом 13 в дне поршня 5 (фиг.2). Дополнительный канал 13 в дне поршня 5 может иметь в поперечном сечении любую форму. В частности на фиг. 2 приспособление для компенсации утечек воздуха из рабочей камеры 8 выполнено с тремя дополнительными каналами 13 в дне поршня 5. В этом случае основной 12 и дополнительные 13 каналы симметричны по окружности, центр которой расположен на продольной оси симметрии 14 цилиндра 6.

При указанном выше варианте конструктивного выполнения устройства предпочтительно, чтобы суммарная площадь (S₃) проходного сечения основного 12 и дополнительных 13 каналов в дне поршня 5 составляла бы не менее 0, 0005 и не более 0,001 от площади (S₂) поперечного сечения поршня 5, то есть выполнялось следующее условие: 0,0005 S₂≤S₃≤0,001 S₂. Указанное геометрическое соотношение между конструктивными элементами устройства также получено эмпирическим путем в результате проведенных исследований. Следует отметить, что полученное соотношение является оптимальным, поскольку при выходе геометрических параметров за нижний предел указанного соотношения, то есть когда суммарная площадь (S₃) проходного сечения основного 12 и дополнительных 13 каналов меньше площади (S₂) поперечного сечения поршня 5 в 0,0005 раз, не обеспечивается необходимая компенсация утечек воздуха из рабочей камеры 8. При выходе геометрических параметров за верхний предел указанного соотношения, то есть когда суммарная площадь (S₃) проходного сечения основного 12 и дополнительных 13 каналов больше площади (S₂) поперечного сечения поршня 5 в 0,001 раз, происходит снижение энергоемкости удара.

Каждый основной 12 и/или дополнительный 13 канал в дне поршня 5 может быть выполнен одинакового поперечного сечения по его длине. Наиболее предпочтительным является такой вариант конструктивного выполнения указанного канала 12 и/или 13, при котором он имеет ступенчато изменяющееся по длине поперечное сечение, то есть в продольном сечении канал 12 и/или 13 имеет ступенчатую форму (фиг.3). Так, например, на фиг. 3 изображен канал 12 в дне поршня 5 цилиндрической формы, который выполнен с двумя ступенями 14 и 15. При этом следует отметить, что при ступенчатой форме канала 12 и/или 13 его проходное сечение определяет ступень, имеющая в поперечном сечении меньшую площадь, то есть в изображенном примере - ступень 15.

При описанном выше варианте конструктивного выполнения устройства наиболее предпочтительным является такой, при котором толщина (h) стенки поршня 5 в месте расположения ступени 15, которая образует проходное сечение канала 12, равна диаметру (d) проходного сечения канала 12 (фиг.3), то есть соблюдается условие: h=d. Указанное геометрическое соотношение между толщиной (h) стенки поршня 5 и диаметром (d) проходного сечения нанала 12 получено эмпирическим путем.

По одному из вариантов конструктивного выполнения устройства каждый основной 12 и/или дополнительный 13 канал в дне поршня 5 может быть выполнен с приспособлением для регулирования площади его проходного сечения. Приспособление для регулирования площади проходного сечения канала 12 и/или 13 может быть выполнено, например, в виде набора сменных втулок 16 (фиг.4), каждая из которых имеет одинаковые геометрические параметры наружной поверхности и различные (в сторону уменьшения диаметра) геометрические параметры внутренней поверхности, которые определяют ее проходное сечение. Приспособление для регулирования площади проходного сечения канала 12 и/или 13 может быть выполнено, например, в виде сменных закладных элементов (на чертежах не изображены), которые уменьшают проходное сечение соответствующего канала 12 и/или 13 на заданную величину. Указанные закладные элементы могут крепиться на внутренней поверхности соответствующего канала 12 и/или 13 с помощью любого известного разъемного соединения, например с помощью байонетного соединения.

По одному из вариантов конструктивного выполнения устройства приспособление для компенсации утечек воздуха из рабочей камеры 8 может быть выполнено с расположенным в цилиндре 6 радиальным каналом 17 (фиг.1), который расположен у обращенной к поршню 5 торцевой поверхности 18 ударника 7. В этом случае рабочая камера 8 сообщена через радиальный канал 17 с полостью 2 корпуса 1.

Компрессионно-вакуумная машина ударного действия работает следующим образом.

При включении двигателя (не изображен) начинает совершать перемещения кривошипно-шатунный привод 3. При этом шатун его 4 перемещает кинематически связанный с ним поршень 5 в цилиндре 6 из положения нижней мертвой точки (крайнее нижнее положение) вверх. При принудительном перемещении поршня 5 вверх в рабочей камере 8 образуется разрежение, за счет которого вслед за поршнем 5 в цилиндре 6 начинает перемещаться ударник 7. Перемещению вверх ударника 7 ничто не препятствует, поскольку в полость под его рабочим торцом 10 через окна 9 в стенке цилиндра 6 поступает необходимый объем воздуха. При этом совместном перемещении поршня 5 и ударника 7 в рабочую камеру 8 через выполненный в дне поршня 5 канал 12 засасывается из полости 2 корпуса 1 порция воздуха, необходимая для поддержания рабочего ударного режима. При подходе поршня 5 к положению верхней мертвой точки (крайнее верхнее положение) скорость его перемещения уменьшается, в то время как ударник 7 за счет сил инерции продолжает свое перемещение вверх. Выходящая из отверстия 12 в дне поршня 5 струя воздуха воздействует на перемещающийся навстречу ей ударник 7, гасит его инерцию и сообщает ударнику 7 некоторый дополнительный импульс энергии для его рабочего хода. При проходе поршнем верхней мертвой точки поршень 5 начинает перемещение вниз и начинает сжимать воздух, находящийся в рабочей камере 8. Образующееся в рабочей камере 8 избыточное давление воздуха заставляет ударник 7 перемещаться вниз.

Воздух, находящийся под рабочим торцом 10 ударника 7, выходит через окна 9 в стенке цилиндра 6. При перемещении поршня 5 вниз часть воздуха из рабочей камеры 8 удаляется через канал 12 в полость 2 корпуса 1, компенсируя тем самым объем воздуха, поступивший в рабочую камеру 8 через канал 12 из полости 2 корпуса 1 при совместном движении поршня 5 и ударника 7 вверх. В конце своего перемещения вниз ударник 7 наносит своим рабочим торцом 10 удар по рабочему инструменту 11. Затем цикл повторяется. Следует отметить, что канал 12 в дне поршня 5 помимо компенсации утечек воздуха из рабочей камеры 8 дополнительно выполняет функции приспособления для сообщения ударнику 7 дополнительной энергии при его рабочем перемещении вниз.

Определенный эмпирическим путем оптимальный диапазон соотношения между площадью (S₁) проходного сечения канала 12 в дне поршня 5 и площадью (S₂) поперечного сечения поршня 5 обеспечивает условие, при котором количество воздуха, поступающего в рабочую камеру 8 из полости 2 корпуса 1 при перемещении ударника 7 вверх, было сбалансирована с количеством воздуха, выходящего из рабочей камеры 8 в полость 2 корпуса 1 при перемещении ударника вниз. Так, например, если диаметр поршня 5 составляет 100,0 мм и, следовательно, площадь (S₂) его поперечного сечения составляет соответственно 7854,0 мм², то площадь (S₁) проходного сечения канала 12 в дне поршня 5 должна составлять не менее 3,8 мм² и не более 7,9 мм², откуда несложно определить, что диаметр осевого канала 12 в его проходном сечении должен составлять приблизительно не менее 2,0 мм и не более 3,0 мм.

При выполнении приспособления для компенсации утечек воздуха из рабочей камеры 8 с дополнительными каналами 13 в дне поршня 5 работа устройства будет осуществляться описанным выше образом.

Регулирование площади (S₂) проходного сечения канала 12 в дне поршня 5 осуществляют путем установки в осевом канале 12 соответствующей сменной втулки 16, которую фиксируют в нем любым известным способом.

При выполнении приспособления для компенсации утечек воздуха из рабочей камеры 8 с расположенным в цилиндре 6 радиальным каналом 17 устройство будет работать описанным выше образом. Единственное отличие будет заключаться в том, что в начальный момент совместного перемещения вверх поршня 5 и ударника 7 часть воздуха в рабочую камеру 8 будет дополнительно поступать через радиальный канал 17. Этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока ударник 7 не перекроет своей боковой стенкой радиальный канал 17. Затем поступление воздуха в рабочую камеру 8 будет происходить только через канал 12 в дне поршня 5. Аналогично и при совместном перемещении поршня 5 и ударника 7 вниз после открытия ударником 7 радиального канала 17 часть воздуха будет дополнительно выходить из рабочей камеры 8 через радиальный канал 17 в стенке цилиндра 6.

Изобретение относится к машинам ударного действия и может использоваться в строительстве, горном деле, быту. Компрессионно-вакуумная машина ударного действия включает полый корпус, цилиндр, установленные в цилиндре с возможностью возвратно-поступательного перемещения ударник и поршень, расположенный в корпусе кривошипно-шатунный привод, который кинематически связан с поршнем, образованную обращенными друг к другу торцами поршня и ударника и стенкой цилиндра рабочую камеру и приспособление для компенсации утечек воздуха из рабочей камеры с каналом, посредством которого рабочая камера сообщена с полостью корпуса. Канал выполнен в дне поршня, при этом площадь проходного сечения канала составляет не менее 0,0005 и не более 0,001 от площади поперечного сечения поршня. В результате снижаются потери энергии на компенсацию утечек воздуха из рабочей камеры, повышается эксплуатационная надежность работы устройства. 6 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Компрессионно-вакуумная машина ударного действия, включающая полый корпус, цилиндр, установленные в цилиндре с возможностью возвратно-поступательного перемещения ударник и поршень, расположенный в корпусе кривошипно-шатунный привод, который кинематически связан с поршнем, образованную обращенными друг к другу торцами поршня и ударника и стенкой цилиндра рабочую камеру и приспособление для компенсации утечек воздуха из рабочей камеры с каналом, посредством которого рабочая камера сообщена с полостью корпуса, отличающаяся тем, что канал выполнен в дне поршня, при этом площадь проходного сечения канала составляет не менее 0,0005 и не более 0,001 от площади поперечного сечения поршня. 2. Компенсационно-вакуумная машина ударного действия по п. 1, отличающаяся тем, что приспособление для компенсации утечек воздуха из рабочей камеры выполнено с, по меньшей мере, одним дополнительным каналом, при этом ранее упомянутые каналы расположены симметрично по окружности, центр которой расположен на продольной оси симметрии цилиндра. 3. Компрессионно-вакуумная машина ударного действия по п. 2, отличающаяся тем, что суммарная площадь проходных сечений основного и дополнительного каналов составляет не менее 0,0005 и не более 0,001 от площади поперечного сечения поршня. 4. Компрессионно-вакуумная машина ударного действия по одному из пп. 1-3, отличающаяся тем, что каждый основной и/или дополнительный канал имеет в продольном сечении ступенчатую форму. 5. Компрессионно-вакуумная машина ударного действия по п. 4, отличающаяся тем, что толщина стенки поршня в месте расположения ступени, которая образует проходное сечение каждого основного и/или дополнительного канала, равна диаметру проходного сечения этого канала. 6. Компрессионно-вакуумная машина ударного действия по одному из пп. 1-5, отличающаяся тем, что каждый основной и/или дополнительный канал выполнен с приспособлением для регулирования площади его проходного сечения. 7. Компрессионно-вакуумная машина ударного действия по одному из пп. 1-6, отличающаяся тем, что приспособление для компенсации утечек воздуха из рабочей камеры выполнено с расположенным в цилиндре радиальным каналом, который расположен у обращенной к поршню торцевой поверхности ударника, при этом рабочая камера сообщена через радиальный канал с полостью корпуса.