Классические схемы пневматических машин ударного действия представляют собой корпус с размещенным в нем золотниковым механизмом и поршнем-ударником, совершающим возвратно-поступательные движения относительно корпуса [4, 7].
Основным конструктивным недостатком этих машин является то, что рабочий инструмент крепится к их корпусу, в то время, как движения поршня-ударника и корпуса всегда находятся в противофазе из-за действующих на них сил давления сжатого воздуха. По этой причине многочисленные исследования и расчеты работы пневматических машин не привели к существенному уменьшению проблемы [1, 2, 3, 6].
В результате для обеспечения требуемого технологического режима работы ударного механизма, заключающегося в наличии механического контакта между инструментом и разрушаемым материалом корпус машины вместе с инструментом необходимо прижимать, преодолевая реактивные силы сжатого воздуха, действующего на корпус, физическими усилиями оператора либо подающими устройствами [5].
Для разрешения этого противоречия автором была разработана новая система работы пневматических машин ударного действия, в которой в качестве ударника используется корпус.
Пневматический молоток системы «корпус-ударник» обеспечивает удар по рабочему инструменту, прижимая его к разрушаемой поверхности при прямом ходе корпуса-ударника.
На рис. 1 представлена общая структура пневматического молотка.
Рис. 1. Схема пневматического молотка системы «корпус-ударник».
Как видно из рис. 1, молоток содержит рукоятку 1, корпус 2, поршень 3, направляющие 4, ударник 5, пружину 6, направляющий стержень 7, втулку 8 и рабочий инструмент 9.
Работа молотка содержит две фазы.
1-я фаза. Поршень в крайнем левом положении. Левый канал поршня соединен с отверстием Вп1, по которому в левую полость поступает сжатый воздух. Правый канал соединен с отверстием Вып 2, по которому воздух соединяется с атмосферой. Под действием сжатого воздуха поршень перемещается в правое положение.
2-я фаза. Поршень в крайнем правом положении. Правый канал поршня соединен с отверстием Вп2, по которому в правую полость поступает сжатый воздух. Левый канал соединен с отверстием Вып 1, по которому воздух соединяется с атмосферой. Под действием сжатого воздуха поршень перемещается в левое положение.
Одновременно с движениями поршня, но в противоположном направлении, перемещается корпус-ударник.
Рассмотрим основные зависимости работы пневматической ударной машины при следующих условиях:
- масса поршня mp равна массе цилиндра mc;
- путь поршня в цилиндре xmax
- воздушная подушка с каждой стороны – Δx
- рабочий путь поршня в цилиндре xn = xmax - 2 Δx.
- давление сж. воздуха Pn.
- давление сж. воздуха Pi.
- площадь цилиндра: 
При исходном положении поршня в крайнем положении слева, при подаче сжатого воздуха в левую полость, сила его воздействия на поршень и заднюю стенку цилиндра будет одинакова и равна:
(1)
При этом, цилиндр начинает двигаться влево, а поршень вправо относительно центра масс.
Их суммарный путь составляет:
(2)
При этом, путь каждого из них относительно центра масс составит:
(3)
При постоянном давлении сжатого воздуха в цилиндре ускорение поршня ap и ускорение цилиндра ap будут равны и противоположны по направлению:
(4)
(5)
Отсюда, ускорение поршня относительно цилиндра составит
(6)
Конечная скорость цилиндра vp при равноускоренном движении ap и пройденном пути xp = xmax-2Δx определится из формулы:
(7)
Отсюда, кинетическая энергия удара определится как:
(8)
Рассмотрим случай, когда массы поршня mp и цилиндра mp разные.
Поскольку сила воздействия на цилиндр и поршень F и время воздействия t одни и те же, определим зависимость отношения их кинетических энергий соответственно Wc и Wp.
Под действием силы F ускорение поршня составит:
а ускорение цилиндра:
Ускорение поршня относительно цилиндра составит
(6)
Тогда, относительная максимальная скорость перемещения поршня будет:
(7)
и цилиндра:
(8)
В результате несложных преобразований получим:
- для энергии поршня:
(9)
- для энергии цилиндра:
(10)
Отсюда, отношение энергий поршня и цилиндра в зависимости от их масс определится как:
(11)
В реальных пневматических машинах ударного действия давление сжатого воздуха, поступающего в цилиндр при рабочем ходе поршня, называемое индикаторным, изменяется по мере движения поршня. Однако, в данном случае рассматривается действующее давление сжатого воздуха, определяющее конечную скорость ударника перед ударом.
С учетом потерь при ударе корпуса-ударника по рабочему инструменту фактическая энергия, передаваемая на лезвие рабочего инструмента, составит:
(9)
где ηy – коэффициент, учитывающий потери энергии удара при передаче её на лезвие рабочего инструмента.
Значение ηy определяется как
Здесь η1 учитывает КПД удара и рассчитывается по формуле:
(10)
где тr – масса рабочего инструмента, ε – коэффициент восстановления соударяющихся тел.
Полученные формулы позволяют определить основные параметры пневматических молотков типа «корпус-ударник» в зависимости от требуемой энергии удара и других условий их эксплуатации.
Рецензенты:
Волков С.А., д.т.н., профессор, профессор кафедры наземных транспортно-технологических машин Санкт-Петербургского государственного архитектурно-строительного университета, г.Санкт-Петербург.
Ушаков А.И., д.т.н, профессор, директор ООО «Научно-производственный информационно-консультационный центр-плюс», г.Санкт-Петербург.