ПНЕВМАТИЧЕСКИЙ МОЛОТОК Российский патент 2005 года по МПК E21C37/24 B25D9/16 

Предлагаемое изобретение относится к пневматическим молоткам, например отбойным, представляющим собой ручную поршневую пневматическую машину ударного действия, работающую под действием сжатого воздуха.

Основным недостатком, в частности ручных пневматических молотков, является так называемая отдача или вибрация, определяемая самим принципом работы молотка, которая воспринимается руками работающего, вредно сказывается на его здоровье и приводит к виброзаболеванию.

Естественной реакцией человека, работающего пневматическим молотком, является стремление подавить вибрацию путем более сильного нажатия на молоток, что приводит к еще более быстрой утомляемости.

Известны различные способы борьбы с вибрацией или защиты от нее. В числе последних, например, пружинные и резиновые амортизаторы, которые относятся к пассивным средствам, так как не вмешиваются в сам процесс, генерирующий вибрацию.

В числе активных методов борьбы с вибрацией практическое применение получил метод уменьшения диаметра ударника. Так, Томским электромеханическим заводом им. В.В.Вахрушева в настоящее время выпускаются отбойные молотки МО-1А, МО-2А, МО-3А и МО-4А, у которых диаметр ударника уменьшен с 38 мм до 32 мм по сравнению с молотками МО-8, МО-9, МО-10 и МО-12, выпускавшимися ранее тем же заводом и Ленинградским (тогда) заводом “Пневматика”. При этом в два раза уменьшена и масса ударника. Так, у однотипных по основным параметрам молотков МО-10 и МО-3А масса ударника соответственно равна 0,98 и 0,48 кг.

Известно, что с уменьшением диаметра ударника уменьшается не только отдача (или вибрация), но снижается в равной степени и энергия удара, что неприемлемо, так как ухудшаются эксплуатационные качества молотка. Для сохранения энергии удара увеличивают скорость ударника, для чего удлиняют величину хода ударника и уменьшают его массу. Увеличение хода ударника в свою очередь ведет к потере частоты ударов и увеличению длины и массы молотка, а уменьшение массы ударника сказывается на снижении передаваемой энергии удара от ударника к рабочему инструменту. Поэтому уменьшение диаметра ударника при условии компенсации потерь по указанной схеме не позволяет существенно уменьшить диаметр ударника и, соответственно, существенно снизить отдачу (вибрацию) без снижения эксплуатационных качеств молотка.

Предполагаемое изобретение также использует метод снижения диаметра ударника. Однако потери от снижения диаметра ударника, касающиеся энергии и частоты ударов, а также массы ударника, компенсируются и реализуются иными техническими решениями, которые будут описаны ниже.

Известен погружной пневматический перфоратор ПШ-20 (“Бурение взрывных скважин”, авторы Б.И. Воздвиженский, А.А. Скорняков. Государственное научно-техническое издательство литературы по горному делу, М., 1960, с. 143), предназначенный для бурения взрывных скважин в крепких породах, в котором с целью увеличения ударной и вращательной мощности при сохранении диаметра поршня и, соответственно, диаметра самого бурового снаряда и скважины применен поршень-ударник с двумя поршнями. Цилиндр перфоратора разделен перегородкой из двух полумуфт на две камеры, в каждой из которых перемещается поршень. Каждый поршень совершает полный рабочий цикл, то есть сжатый воздух по каналам от воздухораспределительного устройства подается на поршни при рабочем ходе и под поршни при обратном (холостом) ходе. В приведенном прототипе вопрос снижения вибрации не ставится, напротив, за счет применения двухкамерной системы энергия поршня-ударника при рабочем и холостом ходах увеличена, стало быть, увеличена и вибрация, что для данного перфоратора не является актуальным, так как он имеет значительную массу, не является ручным инструментом и не имеет контакта с человеком во время работы.

В предлагаемом изобретении заимствован принцип получения дополнительной энергии удара за счет второго поршня.

Предлагаемый пневматический молоток, как и прототип, является двухкамерным. В корпусе молотка выполнены две последовательно расположенные рабочие камеры - верхняя и нижняя, разделенные перемычкой с отверстием, в которых перемещается ударник, выполненный в виде штока с двумя поршнями на концах - верхним и нижним. контактирующим с хвостовиком рабочего инструмента при ударе.

Отличие состоит в том, что, если у прототипа сжатый воздух поочередно подается на оба поршня то с одной, то с другой стороны, то у предлагаемого молотка сжатый воздух по каналам от воздухораспределительного устройства подается на оба поршня только при рабочем ходе, чем обеспечивается быстрый по времени и сильный удар, а при холостом ходе сжатый воздух по каналам от воздухораспределительного устройства, подведенным к нижней части верхней камеры, подается только под верхний поршень, рабочая площадь которого в несколько раз меньше суммарной рабочей площади двух поршней и составляет разность площадей сечений поршня и штока ударника.

Таким образом, обратный, холостой ход, ударник совершает с меньшей скоростью, так как сила, воздействующая на него, в несколько раз меньше, благодаря чему достигается меньшая отдача на руки работающего.

Для перфоратора, взятого в качестве прототипа, являющегося машиной ударно-вращательного действия, подача воздуха при обратном ходе только под один поршень, имеющий к тому же малую рабочую площадь, является неприемлемым вариантом, так как при обратном ходе поршень-ударник должен обладать не меньшей, чем при рабочем ходе, энергией для приведения в действие поворотного механизма и создания значительного крутящего момента, необходимого для поворота штанги с буровой коронкой.

Возвращаясь к описанию отличительных признаков предлагаемого молотка, следует отметить, что, так как под нижний поршень при холостом ходе сжатый воздух не подается, то с целью уменьшения сопротивления движению ударника при рабочем ходе, возникающего от сжатия воздуха в замкнутом объеме, камера под нижним поршнем постоянно сообщена с атмосферой отверстиями в корпусе молотка в зоне контакта ударника с хвостовиком рабочего инструмента.

Последнее обстоятельство создает дополнительный эффект - уменьшение усилия нажатия на молоток во время работы им. Это объясняется тем, что в зоне контакта ударника с хвостовиком рабочего инструмента давление воздуха отсутствует, рабочий инструмент не выдавливается из корпуса молотка, что, напротив, имеет место в обычных однокамерных молотках, когда воздух, подающийся под ударник для совершения холостого хода и сжимаемый ударником перед ударом и в момент удара, одновременно действует на торец хвостовика рабочего инструмента и выдавливает его из корпуса молотка. Указанный эффект позволяет существенно уменьшить усилие, необходимое для прижатия молотка к буртику рабочего инструмента, так как только при прижатии молотка к буртику инструмента любой молоток работает эффективно.

Величина снижения усилия нажатия на молоток (Δ F) может быть легко подсчитана, например, для отбойного молотка, у которого диаметр хвостовика пики имеет стандартный размер - 24 мм.

Δ F=p· S=4 кгс/см²·^{4,5 см2=18 кгс,}

где S - площадь сечения хвостовика пики равна

;

P - давление воздуха, воздействующего на хвостовик пики = 4-5 кгс/см².

Практически Δ F может составлять 15-20 кгс.

Для получения большего эффекта снижения отдачи диаметр верхнего поршня выбирается как можно меньшим и рассчитывается из условия обеспечения минимальной отдачи (вибрации), а диаметр нижнего поршня рассчитывается с учетом диаметра штока и условия обеспечения необходимой энергии удара в дополнение к той, которую обеспечивает верхний поршень. При этом также учитывается необходимая частота ударов и величина хода ударника. При расчете частоты удара следует учитывать более продолжительный по времени холостой ход ударника.

С учетом вышеизложенного характерной особенностью молотка является то, что диаметр верхнего поршня всегда меньше и существенно меньше диаметра нижнего поршня.

Наибольший эффект снижения отдачи (вибрации) и обеспечения необходимых энергетических параметров - энергии удара и частоты ударов при минимальной величине хода ударника, а следовательно, минимальной длине и массе молотка, достигается при использовании в воздухораспределительном устройстве трубчатого или гильзового золотника, позволяющих осуществить дополнительный выпуск воздуха в атмосферу из камер перед движущимися поршнями ударника при рабочем и холостом ходах после перекрытия поршнями выхлопных отверстий в корпусе. Это позволяет снизить сопротивление движению ударника на большей части рабочего и холостого ходов и существенно повысить эффективность рабочего хода ударника и более эффективно использовать холостой ход ударника для снижения отдачи за счет минимальной подачи сжатого воздуха под верхний поршень.

Последнее обстоятельство позволяет также существенно снизить расход сжатого воздуха, так как при холостом ходе сжатый воздух почти не расходуется.

Двухпоршневой ударник имеет большую массу, близкую массе рабочего инструмента, что позволяет наиболее полно передавать энергию при ударе рабочему инструменту.

На фиг.1 и 2 схематически изображен продольный разрез пневматического молотка в исходных состояниях - перед началом рабочего хода и перед началом холостого хода соответственно.

Молоток имеет корпус 1, который выполнен из двух частей - верхнего корпуса 2 и нижнего корпуса 3, соединенных между собой, в которых выполнены две последовательно расположенные камеры - верхняя 4 и нижняя 5, разделенные между собой перемычкой 6, имеющей в центре отверстие, сквозь которое перемещается шток 7 ударника 8, имеющего на своих концах поршни - верхний 9 и нижний 10, контактирующий при ударе с хвостовиком 11 рабочего инструмента. Верхний поршень 9 перемещается вдоль камеры 4, нижний поршень 10 - вдоль камеры 5. Перемычка 6 выполнена разъемной, состоящей из двух полувтулок.

В нижнем корпусе 3 в зоне контакта ударника 8 с хвостовиком 11 рабочего инструмента выполнены отверстия 12, постоянно соединяющие нижнюю камеру 5 с атмосферой.

Воздухораспределительное устройство, управляющее перемещением ударника вверх и вниз, состоит из золотниковой коробки 13, золотника 14, крышки 15 и системы продольных и радиальных каналов и отверстий в стенках золотниковой коробки и корпусов 2 и 3.

Золотниковая коробка 13 с крышкой 15 прижаты к торцу верхнего корпуса 2 рукояткой 16.

Некоторые детали и устройства, например пусковое устройство, на чертежах не показаны как не имеющие принципиального значения.

Отверстия 17 предназначены для подачи сжатого воздуха в камеру 4 над верхним поршнем 9 при рабочем ходе. Отверстия 18, нижняя канавка 19 на золотнике 14 и каналы 20 предназначены для подачи сжатого воздуха в камеру 5 над нижним поршнем 10 при рабочем ходе.

Отверстия 21 в золотниковой коробке, пазы 22 и торцевая канавка 23 в крышке и канал 24 в золотниковой коробке и верхнем корпусе служат для подачи сжатого воздуха под верхний поршень 9 при холостом ходе, для чего канал 24 подведен к нижней части верхней камеры 4.

Отверстия 25 и 26 являются выхлопными и служат в начальной фазе рабочего и холостого ходов для вытеснения через них воздуха в атмосферу из камер 4 и 5 перед движущимися поршнями до момента их перекрытия передними кромками поршней, а в заключительной фазе рабочего и холостого ходов - для выхлопа через них сжатого воздуха в атмосферу из рабочих камер 4 и 5 после открытия их задними кромками поршней, за исключением нижнего поршня 10 при холостом ходе, под который сжатый воздух при холостом ходе не подается..

Каналы 27 совместно с отверстиями 25 служат для вытеснения воздуха поршнями в атмосферу из камер 4 и 5 через канавки 19 и 29 на золотнике и каналы 20, 28 и 30 после перекрытия поршнями выхлопных отверстий 25 и 26 при рабочем и холостом ходах.

При рабочем ходе воздух вытесняется из камеры 4 под верхним поршнем 9 по каналам 28, канавке 29, каналам 27 и отверстиям 25.

При холостом ходе воздух вытесняется из камеры 4 над верхним поршнем 9 по каналам 30, канавкам 19 и 29, каналам 27 и отверстиям 25.

Так же при холостом ходе воздух вытесняется из камеры 5 над нижним поршнем 10 по каналам 20, канавке 19, каналам 27 и отверстиям 25.

Отверстие 31 в рукоятке 16 служит для поступления сжатого воздуха от пускового устройства молотка (не показано) в кольцевое пространство 32 между рукояткой и золотниковой коробкой 13.

Работа молотка осуществляется следующим образом:

1. РАБОЧИЙ ХОД. Перед началом рабочего хода ударник 8 и золотник 14 занимают крайнее верхнее положение (фиг.1).

Сжатый воздух из сети через отверстие 31 поступает в кольцевое пространство 32 между рукояткой 16 и золотниковой коробкой 13 и через отверстия 17 в золотниковой коробке в камеру 4 и по кольцевому зазору между золотником 14 и поршнем 9 поступает на рабочий торец верхнего поршня 9, и одновременно через отверстия 18 в золотниковой коробке, канавке 19 на золотнике и каналы 20 подается в камеру 5 на рабочий торец нижнего поршня 10 и посылает ударник вниз.

Двигаясь вниз, ударник поршнями 9 и 10 вытесняет воздух из камер перед ними в атмосферу сначала непосредственно через отверстия 25 и 26 соответственно, а после их перекрытия поршнями - через каналы 28, канавку 29 на золотнике, каналы 27 и отверстия 25 - верхним поршнем, и через отверстия 12 - нижним поршнем.

Продолжая двигаться вниз, ударник передней кромкой верхнего поршня 9 перекрывает каналы 28 и, сжимая воздух в нижней камере, сообщенной каналом 24 с полостью над золотником 14, открывает своей задней кромкой выхлопные отверстия 25. Одновременно нижний поршень 10, не встречая сопротивления воздуха перед собой благодаря наличию отверстий 12, открывает своей задней кромкой выхлопные отверстия 2-5 (см. фиг.2).

Давление в камерах над поршнями резко падает до нуля, и вследствие наличия давления воздуха над золотником и отсутствия давления под ним происходит перекидка золотника вниз. В этот же момент ударник наносит удар по хвостовику 11 рабочего инструмента и после отскока от хвостовика начинает обратный ход - холостой ход.

2. ХОЛОСТОЙ ХОД. Перед началом холостого хода ударник 8 и золотник 14 занимают крайнее нижнее положение. После перекидки золотника вниз сжатый воздух через открытые золотником отверстия 21, полость над золотником, пазы 22 и канавку 23 в крышке 15 и канал 24, подведенный к нижней части камеры 4, поступает под верхний поршень 9 и посылает ударник вверх.

Двигаясь вверх, ударник вытесняет воздух поршнями 9 и 10 из камер перед ними в атмосферу сначала непосредственно через отверстия 25 и 26 соответственно, а после их перекрытия поршнями - через каналы 30, канавки 19 и 29 на золотнике, каналы 27 и отверстия 25 - верхним поршнем 9, и через каналы 20, канавку 19 на золотнике и каналы 27 и отверстия 25 - нижним поршнем 10.

Продолжая двигаться вверх, ударник передней кромкой верхнего поршня 9 перекрывает каналы 30 и сжимает воздух в верхней камере - под золотником. Одновременно воздух из верхней камеры под нижним поршнем 10 продолжает выпускаться в атмосферу до конца холостого хода - до перекидки золотника вниз.

После открытия выхлопных отверстий 25 задней кромкой верхнего поршня 9 давление в камере под верхним поршнем, сообщенной с полостью над золотником каналом 24, падает до нуля, и, вследствие наличия давления под золотником и отсутствия давления над золотником, происходит перекидка золотника вниз, после чего вновь начинается рабочий ход.

Изобретение относится к области пневматических молотков, например отбойных. Молоток содержит корпус, в котором выполнены две последовательно расположенные рабочие камеры - верхняя и нижняя, разделенные перемычкой с отверстием, в которых с возможностью перемещения установлен ударник, выполненный в виде штока с двумя поршнями на концах - верхним и нижним, контактирующим с хвостовиком рабочего инструмента, воздухораспределительное устройство и каналы в корпусе. Каналы, по которым сжатый воздух подается для осуществления ударником холостого хода, подведены только к нижней части верхней камеры под верхним поршнем. Камера под нижним поршнем постоянно сообщена с атмосферой отверстиями в стенках корпуса в зоне контакта ударника с хвостовиком рабочего инструмента. Изобретение обеспечивает снижение отдачи (вибрации), а также снижение усилия нажатия на молоток при работе. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Пневматический молоток, содержащий корпус, в котором выполнены две последовательно расположенные рабочие камеры - верхняя и нижняя, разделенные перемычкой с отверстием, в которых с возможностью перемещения установлен ударник, выполненный в виде штока с двумя поршнями на концах - верхним и нижним, контактирующим с хвостовиком рабочего инструмента, и воздухораспределительное устройство, осуществляющее подачу сжатого воздуха в рабочие камеры при рабочем и холостом ходах ударника по каналам в корпусе, отличающееся тем, что каналы, по которым сжатый воздух подается для осуществления ударником холостого хода, подведены только к нижней части верхней камеры под верхним поршнем, а камера под нижним поршнем постоянно сообщена с атмосферой отверстиями в стенках корпуса в зоне контакта ударника с хвостовиком рабочего инструмента.2. Пневматический молоток по п.1, отличающийся тем, что диаметр верхнего поршня меньше диаметра нижнего поршня.