Сетевое издание
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,940

ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ РАБОТЫ УДАРНОГО МЕХАНИЗМА ПНЕВМАТИЧЕСКОГО МОЛОТКА СИСТЕМЫ «КОРПУС-УДАРНИК»

Доброборский Б.С. 1
1 ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет»
Классические схемы пневматических машин ударного действия представляют собой корпус с размещенным в нем золотниковым механизмом и поршнем-ударником, совершающим возвратно-поступательные движения относительно корпуса. Основным конструктивным недостатком этих машин является то, что рабочий инструмент крепится к их корпусу. При этом, 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. Однако, проведенный автором анализ работы таких машин показал, что нет никакой необходимости крепить рабочий инструмент в корпусу машин, так как он непосредственно не участвует в работе ударного механизма. Предложенная автором новая система работы пневматических машин ударного действия «корпус-ударник» предусматривает применение в качестве источника удара корпус машины. Это позволяет обеспечить полную передачу энергии удара по рабочему инструменту, когда он прижат к разрушаемому материалу. В представленных материалах показаны основные теоретические зависимости работы ударного механизма пневматического молотка системы «корпус-ударник».
пневматическая
машина
молоток
ударное действие
1. Александров Е.В. Снижение вибрации ручных горных машин / Е.В. Александров, Ю.В. Флавицкий // Машиностроитель. – 1967. –№7. – С. 13.
2. Александров Е.В. Прикладная теория и расчеты ударных систем / Е.В. Александров, В.Б. Соколинский. – М.: Наука, 1969. –199 с.
3. Александров Е.В. Основы расчета виброзащитных средств с упругой связью / Е.В. Александров, Е.Л. Студниц. – М.: Из-во ИГД им. А.А. Скочинского, 1966. – 64 с.
4. Бабуров В.И., Горбунов В.Ф. Исследование внутренних процессов и параметров рубильных и клепальных молотков. Известия ТПИ им. Кирова, т. 123. 1963. с. 52 – 61.
5. Глазов А.Н. Рабочие процессы пневмоударного механизма перфоратора // Известия Томского политехнического университета. – 2005. – Т. 308. – № 6. – С. 132–136.
6. Кусницын Г.И. Пневматические ручные машины. Справочник / Г.И. Кусницын, С.Б. Зеленецкий, С.И. Доброборский, С.А. Гринцер, А.М. Кивман, И.С. Кассациер. – Л.: Машиностроение, 1968. – 376 с
7. Лыхин П.А. Тоннелестроение и бурение шпуров (скважин) в XIX и XX веках. [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://www.mi-perm.ru/authors/lyhin/b2_t_1.htm#s1 (дата обращения 07.04.2014).

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.


Библиографическая ссылка

Доброборский Б.С. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ РАБОТЫ УДАРНОГО МЕХАНИЗМА ПНЕВМАТИЧЕСКОГО МОЛОТКА СИСТЕМЫ «КОРПУС-УДАРНИК» // Современные проблемы науки и образования. – 2014. – № 4. ;
URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=13930 (дата обращения: 21.09.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074