Компрессионно-вакуумная машина ударного действия Советский патент 1990 года по МПК E21C37/22 B25D9/10 

участок 14 массой та несимметричен относительно этой оси. При этом массы участков 13 и 14 связаны соотношением mi.ri т2 Г2 : К, где г и Г2 - расстояния от оси вращения кривошипа до центров масс участков 13 и 14; К 1 - 2. Центр массы несимметричного участка П 11 смещен на угол 45 - 90° относительно оси кривошипа в направлении его вращения. Это позволяет, не увеличивая вибрации в направлении оси ударного механизма, значительно снизить

ее в перпендикулйрнбм к оси ударного механизма направлении. кривошипа б преобразуется в возвратно-поступательное перемещение поршня 3 и через воздушную подушку 8 передается на ударник (в прямом ходе), который наносит удар по инструменту 9. При обратном ходе поршня 3 между ним и ударником 7 создается разрежение и ударник 7 движется за ним вверх. 10 ил.

Изобретение относится к машиностроению, в частности к молоткам и перфораторам, применяемым в строительстве, горнодобывающей промышленности и в геологоразведочных работах. Цель - снижение вибрации. В корпусе 1 машины установлены цилиндр 2 и рабочий инструмент 9. В цилиндре 2 размещены с возможностью возвратно-поступательного движения поршень 3 и ударник 7, связанный с поршнем 3 через воздушную подушку 8. Поршень 3 связан через кривошип 6 с противовесом (П) 11, который имеет два участка 13 и 14. Участок 13 массой "M₁" симметричен относительно оси кривошипа 6, а участок 14 массой "M₂" несимметричен относительно этой оси. При этом массы участков 13 и 14 связаны соотношением M₁^.R₁=M₂R₂:K, где: R₁ и R₂ - расстояние от оси вращения кривошипа до центров масс участков 13 и 14

K=1-2. Центр массы несимметричного участка П 11 смещен на угол 45° - 90° относительно оси кривошипа в направлении его вращения. Это позволяет, не увеличивая вибрации в направлении оси ударного механизма, значительно снизить ее в перпендикулярном к оси ударного механизма направлении. Движение кривошипа 6 преобразуется в возвратно-поступательное перемещение поршня 3 и через воздушную подушку 8 передается на ударник 7 (в прямом ходе), который наносит удар по инструменту 9. При обратном ходе поршня 3 между ним и ударником 7 создается разряжение и ударник 7 движется за ним вверх. 10 ил.

Изобретение относится к машинос:роению, в частности к компрессионно-вакуумным машинам ударного действия, например, молоткам и перфораторам, применяемым в строительстве, горнодобывающей промышленности и геологоразведочных работах, для разрушения строительных материалов и пород.

Цель изобретения - снижение виорации,

На фиг. 1 изображена предлагаемая компрессионно-вакуумная машина, продольный разрез; на с()иг. 2 - графики сил.. действующих в течение рабочего цикла на корпус машины в направлении оси цилиндра со стороны ударного и кривошипно-ша- тунного механизмов: на фиг, 3 - график зависимости сил, действующих в течение рабочего цикла на корпус в направлении оси цилиндра со стороны ударного механизма от угла поворота кривошипа; на фиг. 4 - график изменения амплитуды импульсов силы, создаваемой массой несимметричного участка противовеса от угла его смещения; на фиг. 5 - совмещенный график изменения площади Fa вычитаемой части импульса силы, создаваемой массой несим- метричной части противовеса, при смещении ее центра тяжести от сво-эго оптимального положения и изменения величины суммарного вектора Рпр центробежной силы противовеса при смещении центра тяжести В несимметричной части противовеса от своего

оптимального положения на угол ±45 , ког- . да отношение центробежной сипы несим- метричного и симметричного участков противовеса равно 1.5; на фиг, 6 - пример выполнения противовеса с несимметрич- ным участком, расположенным с углом смещения относительно оси кривошипа, являющимся оптимальным для снижения вибрации корпуса машины в направлении оси ударного, механизма; на фиг. 7 и а пример выполнения противовеса с углом

смещения несимметричного участка противовеса в сторону увеличения угла между двумя участками противовеса; на фиг. 9 диаграмма изменения величины суммарно- го вектора Рпр до значения Pnpi с увеличением угла между составляющими векторами сил PC и Рас до значения 90 + 45 135 ; на фиг, 10 - график изменения величины суммарного вектора Рпр до значений Pnpi, Рпр2, 0 РпрЗ с увеличением угла между состввляю- щи лш векторами сил Рс и Рас npi-s К, равном соответственно 1; 1,5 и 2,0.

Компрессионно-вакуумная машина ударного действия содержит корпус 1, раз- 5 мещенные в корпусе 1 цилиндр 2, поршень 3, связанный с кривошипно-шатунным механизмом 4, состоящим мз шатуна 5 и кри- вош.ипа 6 и передающим движение от привода (не показан),

0В цилиндре 2 установлен ударник л соединенный с поршнем 3 воздушной подушкой 8 и периодически взаимодействующий с рабочим инструментом 9. Стрелкой ш показано направление вращения кривошипа 6. 25 Угол «1-это угол поворота кривошипа 6 из положения нижней мертвой точки поршня 3 до положения, при котором сила Pi давления (фиг. 2) в воздушной подушке 8 (фиг. 1) принимает максимальное значение. На кри- 30 вошипе 6 установлен противовес 11, разделенный штриховой линией 12 на два участка 13 и 14. Участок 13 противовеса 11 имеет симметричную форму относительно оси до кривошипз 6 и ее центр тяжести а располо35 жек на оси 10.

Участок 14 противовеса 11, ограниченный штриховой линией 12, имеет центр тяжести Ь, смещенный относительно оси кривошипа 6 на угол /3 в направлении uJ

40 его вращения. Предел изменения значении угла в в интервале 45-90 .

При таком выполнении противовеса П кривошипа 6 компресси.онно-векуумной машины на ее корпус 1 в направлении оси

движения поршня 3 или, что аналогично, в направлении оси ударного механизма, в течение рабочего цикла, совершаемого за время полного оборота кривошипа 6, равного 360°, действуют следующие переменные во времени силы (фиг. 2): PI - сила давления, возникающая при сжатии воздушной подушки 8; РП - центробежная сила, возникающая от поступательно движущейся массы поршня 3; Рпр - центробежная сила, возни- кающая от массы противовеса 11 и изменяющаяся по закону синуса; PC - центробежная сила от действия массы участка 13 противовеса 11, изменяющаяся по закону синуса и уравновешивающая силу РП; Рас - центро- бежная сила от действия массы участка 14 противовеса 11, изменяющаяся по закону синуса и уравновешивающая силу Pi.

Последние две силы PC и Рас - это составляющие одной силы Рпр, являющейся центробежной силой от массы противовеса 11, Площадь, ограниченная кривой силы давления PI и осью абсцисс, по которой откладывают в градусах угол поворота кривошипа (фиг. 3), образует импульс li,

Площадь, ограниченная кривой от переменной силь Рас и осью абсцисс, образует импульс 1зс, действующий противофазно импульсу И.

При сложении силы PI и Рас суммарная составляющая сила 2 Р образует импульс I меньшей площади, чем импульс И. Снижение площади суммарного импульса I максимально при строго противофазном действии сил PI и Рас, соответствующих смещению цен- тра тяжести b несимметричной части 14 противовеса 11 на УГОЛ/, равный 90° (фиг. 4 а). Несколько меньшее снижение вибрации может быть достигнуто, при отклонении центра тяжести b части 14 противовеса 11 от своего оптимального положения, что обусловлено уменьшением площади вычитаемой част,и 12 (фиг, 46, в, г, д) импульса lac за счет появления положительного импульса 1з, являющегося частью .импульса Uc. Максимальное отклонение угла ft от своего оптимального значения при 30%-ном

уменьшении площади F (фиг. 5) вычитаемого импульса 12 равно углу у - ± 45°.

Конструктивное выполнение противо- веса 11, когда происходит максимальное снижение вибрации в направлении оси ударного механизма, показано на фиг. 6. Здесь для обеспечения строгой противо- фазности действия импульса максимума си- 5 лы Р и центробежной силы Рас, центр тяжести b участка 14 противовеса 11 смещен относительно оси кривошипа 6 в направлении его вращения а) на угол Д

равный 90. Уменьшение угла /3 вплоть до значения 45° может быть достигнуто различным конструктивным исполнением противовеса 11 (фиг. 7 и 8). При этом различие в массах участков 13 и 14 может быть достигнуто как за счет их площади, так и за ечет различной толщины. Уменьшение угла /3 ведет к увеличению угла между векторами PC и Рас с 90° вплоть до 135 и вместе с этим куменьшениюсуммарного вектора Рпр(фиг. 9), Степень снижения величины суммарного вектора Рпр при уменьшении угла до 45°

зависит от соотношения К Чем

mi Г1

оно меньше, тем значительней снижение величины суммарного вектора Рпр (фиг. 10). Компрессионно-вакуумная машина ударного действия работает следующим образом.

В рабочем ударном режиме вращательное под действием привода движение кривошипа 6 преобразуется в

возвратно-поступательные движения поршня 3.

Ударник 7, связанный воздушной подушкой 8 с поршнем 3, повторяет движения последнего, взаимодействуя периодически с рабочим инструментом 9.

Поршень 3 при своем движении из положения нижней мертвой точки в верхнюю мертвую точку (обратный ход поршня 3) образует в воздушной подушке 8 разрежение между поршнем 3 и ударником 7, заставляя двигаться последний за собой. При движении поршня 3 из положения верхней мертвой точки 8 нижнюю мертвую точку (прямой ход прршня) между поршнем 3 и ударником 7 расстояние сокращается и в воздушной подушке 8 образуется избыточное давление, которое заставляет ударник 7 изменить направление движения и двигаться в сторону рабочего инструмента 9 до соприкосновения с ним. Полный оборот кривошипа 6 образует ударный цикл, повторяющийся с частотой ударов.

В процессе работь машины на ее корпус 1 в направлении оси ударного механизма, что аналогично направлению оси движения поршня 3, действуют следующие переменные во времени силы (фиг. 2)- PI

Рас, РП. PC. Рпр,

Используя принцип суперпозиции, позволяющий рассматривать колебания и их воздействие на тело раздельно по всем со- тавляющи, силам, силы PC и Рас и их возействие на корпус 1 машины можно ассматривать отдельно.

Одна из составляющих сил - это центобежная сила PC от массы симметричного

участка 13 противовеса 11. проходящая через центр 8 тяжести участка 13 протизовееа 11, смещенного относительно оси 10 Kpfdso- шипа 6 на угол 180°, Центробежная сила Рс от массы этого участка 13 действует в про- тивофазе с инерционной силой Рп от пос-ту- пательио движущейся массы поршня 3.

Вторая составляющая сила противовеса 11 - это центробежная сила Рас от массы несимметричного относительно оси кривошипа 6 участка 14 противовеса 11, проходящая через центр тяжести b этого участка 14, смещенного относительно оси 10 кр-лшоши- па б на угол 90-45°, при котором сила Рас действует противофа зно смле давления PI, Изменение силы Pi во времен . в течение рабочего цикла имеет импульсный характер, но на отрезке времени, когда происходит сжатие воздушной родушки 8 при прямом ходе поршня 3, изменение силы Pi аппроксимируется положительной полуволной синусоиды. Площадь, ограниченная этой полуволной и осью абсцисс (фиг. 3), образует импульс силы давления или ударный импульс И. Указанный ударный импульс li является наиболее значительным источником вибрации по отношению к импульсам всех сил, действующих на корпус 1 машины со стороны воздушной подушки и кривошипно-шатунного механизма 4,

Ьнижение площади ударного импульса 11 приводит к пропорциональному снижению вибрации корпуса 1 компрессмонно-вакуум- ной машины в направлении оси ударного

механизма.

Снижение площади ударного импульсо I достигается путем создания iac, образованного центробежной силой Рас и действующего в противофазе с ударным импульсом i.

Учитывая синусоидальный характер изменения силы Рас (фмг. 3), близкий к синусоидальному характеру силы Рг, противофазное ь их действия будет наблюдаться при одновременном достижении этими с /;ламй своего мак- симального по модулю-значения и при их противоположной направленности. Пр /, этом на корпус 1 машины действует .суммарный импульс i, равный алгебрамческсй сумме двух импульсов lac и i от действия соответственно сил Рас и Pi. В этом случае плшиядь импульса lac вычитается из площади им- пульсэ li, а площадь суммарного импульса I становится меньше плош,8ди импульса li, что в конечном итоге приводит к. снижению вибрации корпуса 1.

Такое расположение центра тяжести b несимметричной части 14 противовеса 11 максимально уменьшает площадь суммарного импульса I и является оптимальным с

точки зрения снижения вибрации от силы Pi а направлений оси ударного механизма.

Эффект уменьшения площади суммарного импульса I достигается не только строго

5 противофазным действием центробежной силы Рас, но м при сдвиге максимума этой силы, а следовательно, и центра тяжести b от своего оптимального положения, на некоторый угол. При смещении центра тяжести b от

10 своего оптимального положения площадь импульса (незаштрихованная часть на фиг. 4), .таемая из площади ударного импульса 11, уменьшается,

При противофазном действии импуль1S, сов И и lac из площади импульса h вычитается вся площадь импульса lac. При этом 12

ас.

При смещении максимума силы Рас от своего центрального положения часть з от- 0 рицательного импульса ас {фиг. 46), находя- щаяся под импульсом li, становится положительной, и площадь вычитаемого импульса 12 уменьшается, что определяет рост площади суммарного импульса i и, как след- 5 ствибг уменьшение эффекта снижения вибрации.

Снижение площади вычитаемого импульса 12 при отклонении максимума силы Рас от своего оптимального положения на 0 угол у имеет квадратичный характер в В1;де одногорбной кривой, показанной на фиг. 5. где видно, что в начале при максимума силы Рас, от своего центрального положения довольно большие углы у дают 35 весьма несущественное уменьшение площади вычитаемого импульса h.

Дальнейшее даже малое увеличение угла у приводит К значительному уменьшению площади вычитаемого импульса 12. 40 Явления, связанные с таким характером изменения параметра, встречаются во многих отраслях техники, например, в радиотехнике, где прохождение радиосигнала через резонансный контур характеризуется некоторой -(5 полосой пропускания. При этом на краях полосы пропускания сигнал ммеет пониженное напряжение, равное 0,7 от напряжения на резонансной частоте, находящейся в центре горба рйзонансной кривой. Уровень.0.7 50 является своеобразной границей между по- лсгоизменяющимся участком резонансной кривой и ее крутопадающим учрстком.

Таким образом, в данном случае трид- цзтиппоцентному снижению площади вычитаемого импульса 12 соответствует отклонение . максимума .илы Рас от своего оптимального положения на угол у ., разный 45, чтО СООТ- ветствует отклонению центра тяжести b несимметричного участка 14 противовеса 11 от своего оптимального положения на тот же угол 45°.

Максимальное значение силы Pi в компрессионно-вакуумных машинах ударного действия находится в области угла ai поворота кривошипа 6, равного 270° Противо- фазность действия силы Рас по отношению к силе PI осуществляется при смещении центра тяжести b несимметричной части 14 противовеса 11 на угол /3, равный 360° - a что составляет 360 - 270 90° относительно оси 10 кривошипа 6 в направлении ш его вращения. При этом возможное смещение центра тяжести b относительно оси 10 кривошипа 6 в направлении его вращения О) равняется ±45°. что составляет интервал значений угла S 45-135°.

Противовес 11, компенсируя силы инерции РП поступательно движущегося поршня 3 и давления PI, возникающего при сжатии воздушной подушки 8, является источником колебаний корпуса машины в направлении, перпендикулярном оси ударного механизма. Чем больше суммарный вектор центре- бежнойсилы Рпр противовеса 11, тем выше эта вибрация. В предлагаемой машине-сиижеиие вибрации в направлении, перпендикулярном оси ударного механизма, происходит за счет уменьшения величины суммарного вектора центробежной силы Рпр противовеса 11, являющегося векторной суммой двух центробежных сил PC и Рас, определяемой диагональю параллелограмма со сторонами, равными векторам сил PC и Рас. Чем больше угол между составляющими параллелограмма векторами PC и Рас, тем меньше суммарный вектор Рпр. Следовательно, чем большеугол между участками 13 и 14 противовеса 11, тем меньше по величи- не составляющий вектор Рпр (фиг. 9} и тем меньше в .1брация корпуса 1 в направлении, перпендикулярном оси ударного механизма.

Для достижения указанного зффекта в предлагаемой машине центр тяжести b несимметричной части 14 противовеса 11 смещен в сторону уменьшения / на 45°. Лри этом интервал возможных значений угла составляет 90 - 45. Уменьшение величины суммарного векюра с уменьшением угла / в указанном интервале имеет линейную зависимость (фиг. 10), угол наклона к оси абсцисс которой зависит от соотношения между моментами инерции симметричного 13 и не- симметричного 14 участков противовеса 11, т.е. от значения К. Практика создания компрессионно-вакуумных машин ударного действия показывает, что в зависимости от

конструкции ударного механизма максимум силы давления Pi в воздушной подушке 8 в один - два раза больше силы инерции РП поступательно движущегося поршня 3. Для компенсации указанных сил в таком же соотношении должны находиться центробежные силы участков 14 и 13 противовеса 11. При этом уменьшение величины суммарного вектора при смещении центра тяжести b несимметричной части 14 противовеса 11 от своего оптимального положения на угол 45° составляет в зависимости от значения К 46- 35% (фиг. 10). Учитывая различный характер изменения площади вычитаемой части импульса силы, создаваемой несимметричным участком 14 противовеса 11 и суммарного вектора Рпр центробежной силы противовеса 11 при смещении центра тяжести b его несимметричного участка 14,.можно всегда огь.скать такое сочетание указанных факторов, которое позволяет, не увеличивая вибрацию в направлении оси ударного механизма, значительно снизить ее в направлении, перпендикулярном к этой оси и, таким образом, снизить общую виброактивность машины. Указанный эффект в наибольшей степени проявляется при значениях угла у отклонения центра тяжести b несимметричного участка 14, располо.женных в середине диапазона возможных значений угла ft . В этом случае уменьшение вычитаемой части имгд льса составляет единицы процентов, то1 дз как уменьшение суммарного вектора Рпр составляет в среднем, в зависимости от величины К, 20%.

Таким образом, наличие в компрессион- но-вакуумной машине противовеса с двумя участками: одним симметричным, а другим несимметричным относительно оси кривошипа, когда массы этих участков связаны

т-2 Г2

соотношением m-i ri

К

при К 1 2, и при этом центр массы несимметричного участка противовеса смещен на угол 45- 90° относительно оси кривошипа в направлении его враидения, позволяет, не увелич1/ вая вибрацию в направлении оси ударного механизма, значительно снизить ее S перпендикулярном к оси ударного механизма направлении и, таким образом, снизить общую Еиброактивность машины. Формула изобретения Ком пресс ион НС-вакуум мая машина ударного действия, содержащая Kopriyc, размещенный в корпусе цилиндр, привод, ггк.лючающий кривошип с расположенным на нем противовесом и связанный с кривошипом nopujehb, установленный с возможностью возвратно-поступательного

перемещения в цилиндре, ударник, разме щенный в цилиндре и отделенный от поршня воздушной подушкой, и рабочий инструмент, отличающаяся тем. что, с целью снижения вибрации, противовес имеет два участка, один из которых массой mi симметричен относительно оси кривошипа, а другой массой т2 несимметричен этой оси, при этом центр массы несимметричного участка противовеса смещен на

...1 Рас-Гй г

0ЯГЗ

I

-W о is 90 г

;wj . , . .

угол 45 90° относительно оси кривошипа в направлении его вращения, а массы этих участков связаны соотношением

mi Г1

т2 Г2

К

где п, Г2 - расположения от оси вращения кривошипа до центров масс участков кривошипа с массами mi, ma, К 1 - 2.

т.

30

Фиг. 6

/ // /

фиг. 7

п.