Результат интеллектуальной деятельности: ПНЕВМАТИЧЕСКИЙ УДАРНЫЙ МЕХАНИЗМ

Изобретение относится к строительству, горному делу и машиностроению, в частности к пневматическим устройствам ударного действия.

Известно устройство пневматический ударный механизм (патент РФ №2432442, 2010 г., Е21В 4/14), содержащий цилиндрический корпус с выпускными каналами, кольцевой фланец со сквозным центральным отверстием, рабочий инструмент с хвостовиком, ступенчатый ударник со штоковой частью, установленный в центральном отверстии кольцевого фланца стержень с поршневой частью, постоянно находящийся в сквозном осевом отверстии ступенчатого ударника, кольцевую камеру пневматического буфера (она же камера рабочего хода), втулку цилиндрического корпуса с отверстием для пропуска штоковой части ступенчатого ударника и образующую со стороны кольцевой камеры пневматического буфера (рабочего хода) кольцевой перешеек, ограничивающий величину перемещения ступенчатого ударника, закрепленный относительно цилиндрического корпуса стакан с каналом для подвода воздуха, кольцевую распределительную камеру во втулке цилиндрического корпуса, камеру сетевого воздуха со стороны кольцевого фланца, камеру холостого хода со стороны хвостовика рабочего инструмента, удерживаемого пружиной относительно цилиндрического корпуса. Стержень установлен в центральном отверстии кольцевого фланца с расчетным калиброванным зазором относительно поверхности штоковой части стержня, снабженного со стороны камеры сетевого воздуха буртиком со сквозным отверстием с проходным сечением не менее проходного сечения калиброванного зазора и проходного сечения сквозных отверстий впуска в камеру сетевого воздуха, образованную кольцевым фланцем и установленной крышкой со стопором, ограничивающим величину осевого перемещения стержня, опертой и закрепленной стаканом относительно кольцевого фланца и цилиндрического корпуса, а канал, соединяющий периодически камеру холостого хода и кольцевую распределительную камеру, выполнен на поршневой части стержня. Канал выполнен в виде канала-паза с постоянным геометрическим сечением.

Техническое решение по патенту РФ №2432442 обладает недостатками: постоянное геометрическое сечение канала-паза на поршневой части стержня обуславливает одинаковое количество воздуха подаваемого в камеру холостого хода в начале и конце впуска при рабочем ходе ступенчатого ударника, чем создается значительное противодавление воздуха и торможение ступенчатого ударника со снижением его скорости перед соударением с хвостовиком инструмента, а следовательно, снижение энергии удара и частоты ударов из-за увеличения времени цикла; наличие кольцевой камеры пневматического буфера обуславливает сжатие воздуха в ней и повышение давления при холостом ходе ступенчатого ударника, перерасход импульса холостого хода, преждевременное торможение и уменьшение величины хода ударника, приводящего к уменьшению объема расширения при рабочем ходе, и, как следствие, уменьшение импульса давления, приобретаемого ударником, уменьшение скорости соударения и энергии единичного удара.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению, выбранному в качестве прототипа, является пневматический ударный механизм (патент РФ №2547194, 2015 г.. Е21В 1/30, Е21С 37/22), содержащий цилиндрический корпус с выпускными каналами, кольцевой фланец со сквозным центральным отверстием, рабочий инструмент с хвостовиком, ступенчатый ударник со штоковой частью, установленный в центральном отверстии кольцевого фланца стержень с поршневой частью с каналами-пазами на боковой поверхности поршневой части стержня, взаимодействующей со сквозным осевым отверстием ступенчатого ударника. Кольцевую камеру пневматического буфера рабочего хода, втулку цилиндрического корпуса с отверстием для пропуска штоковой части и образующую со стороны кольцевой камеры пневматического буфера рабочего хода кольцевой перешеек, ограничивающий величину перемещения ступенчатого ударника. Закрепленный относительно цилиндрического корпуса стакан с каналом для подвода воздуха, кольцевую распределительную камеру во втулке цилиндрического корпуса, камеру сетевого воздуха со стороны кольцевого фланца, камеру холостого хода со стороны хвостовика рабочего инструмента, удерживаемого пружиной относительно цилиндрического корпуса. Каналы-пазы на поршневой части стержня выполнены с изменяющимися длинами с суммарной площадью поперечных сечений, увеличивающейся на участке от полного диаметрального сечения торцевой части стержня до окончания торцевой части, установленной в сквозном осевом канале ступенчатого ударника.

Прототип обладает недостатком: наличие кольцевой камеры пневматического буфера обуславливает противодавление воздуха в ней, недостаточность импульса холостого хода на его преодоление приводит к уменьшению участка перемещения ступенчатого ударника как при холостом, так и при рабочем ходе. Потери импульса холостого хода при сжатии воздуха в камере пневматического буфера не компенсируются импульсом рабочего хода при его расширении из-за уменьшения хода ударника при холостом ходе, что обуславливает снижение внутренней энергии воздуха в кольцевой камере пневматического буфера. Отмеченное приводит к снижению общего импульса рабочего хода, уменьшение скорости соударения и энергии единичного удара. При этом некоторое увеличение частоты ударов из-за уменьшившегося участка хода ударника, как правило, приводит к снижению ударной мощности и снижает экономичность пневматического ударного механизма.

Техническая задача заявляемого изобретения заключается в том, что функции кольцевой камеры пневматического буфера заменяются функциями управляемой кольцевой камеры рабочего хода, в которой создается импульс рабочего хода ударника за счет подачи в кольцевую камеру расчетного количества сжатого воздуха из кольцевой распределительной камеры, чем увеличивается общее количество сжатого воздуха, а следовательно, повышается его внутренняя энергия, которая будет использована для увеличения силового импульса ударника при рабочем ходе, что повысит его кинетическую энергию и частоту ударов.

Поставленная задача решается тем, что в устройстве пневматического ударного механизма, содержащем цилиндрический корпус с выпускными каналами, кольцевой фланец со сквозным центральным отверстием, рабочий инструмент с хвостовиком, ступенчатый ударник со штоковой частью, установленный в центральном отверстии кольцевого фланца стержень с поршневой частью с каналами-пазами, постоянно находящимися в сквозном осевом отверстии ступенчатого ударника, управляемую кольцевую камеру рабочего хода между внутренней поверхностью цилиндрического корпуса и штоковой частью ударника, закрепленный относительно цилиндрического корпуса стакан с каналом для подвода воздуха из сети в камеру сетевого воздуха, расположенную со стороны кольцевого фланца, и кольцевую распределительную камеру во втулке цилиндрического корпуса, образующую со стороны управляемой кольцевой камеры рабочего хода кольцевой перешеек, ограничивающий величину перемещения ступенчатого ударника, камеру холостого хода со стороны хвостовика рабочего инструмента, удерживаемого пружиной относительно цилиндрического корпуса, согласно изобретению на штоковой части ступенчатого ударника наклонно к его продольной оси выполнен канал-паз или канал-лыска, причем указанная наклонная поверхность имеет кривизну не ниже второго порядка, а поперечное сечение канала-паза или канала-лыски выполнено увеличивающимся в сторону торца штоковой части ударника с выходом в кольцевую распределительную камеру.

Повысить прочность ударника и энергетические показатели пневматического ударного механизма можно за счет упрощения формы канала, выполнив канал-паз или канал-лыску с изменяющимся поперечным сечением и выходом его на торец штоковой части ударника со стороны кольцевой распределительной камеры.

Исполнение пневматического ударного механизма поясняется чертежами (фиг. 1) представлен продольный разрез пневматического ударного механизма с наклонным каналом-пазом на штоковой части ступенчатого ударника. На чертеже (фиг. 2) представлен фрагмент продольного разреза пневматического ударного механизма с наклонным каналом-лыской на штоковой части ступенчатого ударника.

Пневматический ударный механизм (фиг. 1) содержит цилиндрический корпус 1, установленный в нем с возможностью перемещения ступенчатый ударник 2 со штоковой частью 3, на боковой поверхности которой выполнен наклонно с кривизной не ниже второго порядка к продольной оси канал-паз 4 или наклонно в виде плоскости с кривизной не ниже второго порядка канал-лыску 5 (фиг. 2) с основной поршневой частью 6, имеющий сквозное осевое отверстие 7, частично входящий в него стержень 8 своей поршневой частью 9 с буртиком 10 в камере 11 сетевого воздуха. На поршневой части 9 стержня 8 выполнены каналы-пазы 12 с изменяющимися длинами, обеспечивающими в зависимости от положения ударника 2 постепенно изменяющийся впуск сетевого воздуха в сквозное осевое отверстие 7 ступенчатого ударника 2. Далее по разветвленным каналам 13, в поршневой части ударника, в камеру 14 холостого хода.

Перемещение ступенчатого ударника 2 ограничивается: со стороны камеры 14 холостого хода торцом хвостовика 15 рабочего хода инструмента 16; со стороны управляемой кольцевой камеры 17 рабочего хода кольцевым перешейком 18; со стороны кольцевой распределительной камеры 19 жесткие ограничители не допускаются.

Осевое перемещение стержня 8 ограничивают кольцевой фланец 20 с опиранием на него крышки 21 и стопор 22 крышки. Стакан 23 закрепляет крышку 21 относительно кольцевого фланца 20 и цилиндрического корпуса 1. В кольцевом фланце 20 выполнены впускные каналы 24, а центральное отверстие 25 для стержня 8 выполнено так, что в любом положении стержня 8 калиброванный кольцевой зазор 26 между стержнем 8 и центральным отверстием 25 в кольцевом фланце 20 сохраняет площадь кольцевого калиброванного зазора 26 и обеспечивает впуск сетевого воздуха из камеры 11 в кольцевую распределительную камеру 19. Каналы-пазы 12 на поршневой части 9 стержня 8 обеспечивают постепенно меняющееся количество впускаемого воздуха в камеру 14 холостого хода и, следовательно, запуск механизма в любом положении. Управляемая кольцевая камера 17 рабочего хода сообщается с кольцевой распределительной камерой 19 посредством наклонного к продольной оси с кривизной не ниже второго порядка канала-паза 4 с выходом на торец штоковой части 3 ступенчатого ударника 2 (фиг. 1) либо посредством наклонной к продольной оси плоскости с кривизной не ниже второго порядка в виде канала-лыски 5 (фиг. 2) с выходом на торец штоковой части 3 ступенчатого ударника 2, в зависимости от положения ступенчатого ударника 2, обеспечивающих переменную площадь сечения впуска, а следовательно, переменное количество воздуха, впускаемое с меньшим местным гидравлическим сопротивлением в управляемую кольцевую камеру 17 рабочего хода. В зависимости от положения ступенчатого ударника 2 кольцевая управляемая камера 17 рабочего хода сообщается с атмосферой через выпускной канал 27 в стенке цилиндрического корпуса 1. Камера 14 холостого хода сообщается с атмосферой через выпускной канал 28 в стенке цилиндрического корпуса 1. Кольцевой фланец 20 и крышка 21 образуют камеру 11 сетевого воздуха, который поступает в нее из сети через канал 29 в стакане 23 и канал 30 в крышке 21 в камеру 11. Посредством каналов 31 в буртике 10 стержня 8 и калиброванного кольцевого зазора 26 в кольцевом фланце 20 воздух поступает из камеры 11 сетевого воздуха в кольцевую распределительную камеру 19. Рабочий инструмент 16 установлен своим хвостиком 15 в камере 14 холостого хода и удерживается относительно цилиндрического корпуса 1, например пружиной 32.

Пневматический ударный механизм работает следующим образом. После включения пускового устройства (на фиг. 1 не показано и может быть любым известным) воздух из сети поступает по каналу 29 в стакане 23 и каналу 30 в крышке 21 в камеру 11 сетевого воздуха.

Далее через каналы 31 буртика 10 стержня 8 и по кольцевому калиброванному зазору 26 в кольцевом фланце 20 в кольцевую распределительную камеру 19. Из кольцевой распределительной камеры 19 по каналам-пазам 12 воздух поступает в сквозное осевое отверстие 7 ступенчатого ударника 2 и далее по его разветвленным каналам 13 в камеру 14 холостого хода.

Одновременно воздух из кольцевой части распределительной камеры 19 по наклонному каналу-пазу 4 или наклонному каналу-лыске 5 на штоковой части 3 с выходом на его торец поступает в управляемую кольцевую камеру 17 рабочего хода и через выпускной канал 27 в стенке цилиндрического корпуса 1 в атмосферу, благодаря чему к началу холостого хода давление воздуха в управляемой кольцевой камере 17 рабочего хода установится по величине, близкой к атмосферному.

К началу холостого хода в камере 14 холостого хода давление воздуха будет близким по величине сетевому давлению, несмотря на некоторый его расход из кольцевой распределительной камеры 19 в управляемую кольцевую камеру 17 рабочего хода.

Под действием силового импульса давления со стороны камеры 14 холостого хода ступенчатый ударник 2 начнет свое движение в сторону кольцевой распределительной камеры 19, совершая холостой ход. При движении ступенчатый ударник 2 перекроет последовательно каналы-пазы 12 поршневой части 9 стержня 8, выпускной канал 27 из управляемой кольцевой камеры 17 рабочего хода и откроет выпускной канал 28, после чего в камере 14 холостого хода давление воздуха будет выравниваться до величины атмосферного. После перекрытия выпускного канала 27 управляемая кольцевая камера 17 рабочего хода разобщится с атмосферой и в ней начнется процесс сжатия отсеченного в ней воздуха и воздуха, поступающего через наклонный к продольной оси с кривизной не ниже второго порядка канал-паз 4 (фиг. 1) или наклонной к продольной оси с кривизной не ниже второго порядка канал-лыску 5 (фиг. 2) в уменьшающемся количестве с минимальным местным сопротивлением. По мере перемещения ступенчатого ударника 2 в сторону кольцевой распределительной камеры 19 до полного прекращения поступления воздуха при перекрытии наклонного к продольной оси канал-паза 4 или наклонной к продольной оси канала-лыски 5, кольцевым ступенчатым перешейком 18 между кольцевой распределительной камерой 19 кольцевой камерой 17 рабочего хода давление воздуха в управляемой кольцевой камере 17 рабочего хода к концу холостого хода достигает величины сетевого давления. Под действием разности силовых импульсов давления воздуха на ступенчатый ударник 2 со стороны камеры 14 холостого хода кольцевой распределительной камеры 19 и управляемой кольцевой камеры 17 рабочего хода он затормаживается и остановится в расчетном положении. Сразу же под действием разности силовых импульсов давления со стороны кольцевой распределительной камеры 19, управляемой кольцевой камеры 17 рабочего хода и камеры 14 холостого хода ступенчатый ударник 2 начнет ускоренное движение в сторону хвостовика 15 рабочего инструмента 16, совершая рабочий ход. При этом благодаря увеличивающемуся проходному сечению наклонного к продольной оси с кривизной не ниже второго порядка канала-паза 4 (фиг. 1) или наклонной к продольной оси с кривизной не ниже второго порядка канала-лыски 5 (фиг. 2) увеличивается подача с минимальным местным сопротивлением количества воздуха в управляемую кольцевую камеру 17 рабочего хода из кольцевой распределительной камеры 19, чем существенно увеличивается силовой импульс давления воздуха со стороны управляемой кольцевой камеры 17 рабочего хода и скорость перемещения ступенчатого ударника 2.

Далее ступенчатый ударник 2 перекрывает выпускной канал 28 со стороны камеры 14 холостого хода и в ней начнется процесс сжатия отсеченного в ней воздуха и воздуха, поступающего в увеличивающемся количестве через постепенно увеличивающееся проходное сечение каналов-пазов 12 на поршневой части 9 стержня 8. При последующем перемещении ступенчатый ударник 2 откроет выпускной канал 27, и в управляемой кольцевой камере 17 рабочего хода давление воздуха начнет понижаться до атмосферного, с некоторым его поддержанием за счет натекания из кольцевой распределительной камеры 19, через наклонной к продольной оси с кривизной не ниже второго порядка канал-паз 4 (фиг. 1) или наклонную к продольной оси с кривизной не ниже второго порядка канал-лыску 5 (фиг. 2), что позволит в конце рабочего хода поддерживать величину силового импульса давления воздуха со стороны управляемой кольцевой камеры 17 рабочего хода и получить более высокую скорость соударения ступенчатого ударника 2 с хвостовиком 15 рабочего инструмента 16.

Преодолевая сопротивление давления воздуха со стороны камеры 14 холостого хода, ступенчатый ударник 2 под действием силовых импульсов давления воздуха со стороны управляемой кольцевой камеры 17 рабочего хода и кольцевой распределительной камеры 19 наносит удар по хвостовику 15 рабочего инструмента 16. Рабочий цикл будет повторяться при увеличенном силовом импульсе холостого хода за счет добавочного импульса отскока, полученного ступенчатым ударником 2, после его соударения с хвостовиком 15, рабочего инструмента 16.

Использование заявляемого изобретения позволяет увеличить общее количество сжатого воздуха в кольцевой камере рабочего хода, которое будет использовано для увеличения силового импульса ступенчатого ударника при рабочем ходе, что повысит его кинетическую энергию и частоту ударов.