CN1051068A - 真空压缩冲击机 - Google Patents

Abstract

真空压缩冲击机在机壳内有气缸和曲柄，气缸内 装有冲击块和用空气垫与冲击块分开的活塞，曲柄与 活塞相连接，并且用平衡重与驱动轴相联系，平衡重 的质心相对直线偏转一个角度。平衡重在垂直于驱 动轴的轴线平面上，其投影由两部分组成，一部分相 对于直线是对称的，另一部分的质心位于直线上，平 衡重两部分的质量m₁和m₂由下式相联系：

Description

本项发明可以在建筑业，矿山业以及其它工业领域内用来凿碎各种材料和打孔。

真空压缩冲击机在气缸内装有用空气垫分开的活塞和冲击块。活塞借助于连杆和曲柄与驱动轴相连接，而冲击块用来与工作冲头相作用，并且与活塞按同相位作直移往复运动。

为了减小活塞和冲击块运动时所产生的反冲力，借助于平衡重将曲柄与驱动轴加以连接。

已知一种真空压缩冲击机，该机在机壳内装有带活塞的气缸、驱动装置和冲击块，驱动装置利用曲柄连杆机构与活塞相连接，而冲击块利用空气垫与活塞相连系，并且与工作冲头相作用（DE，B，2407879）。为了减小振动，在曲柄连杆机构的曲柄上装有平衡重要安装得使曲柄转动时由直移运动的活塞质量和平衡重所产生的惯性力指向相反的两侧。这些力按相反相位作用在机壳上，并且可以相互均衡，从而减小真空压缩冲击机机壳的振动。这种机器的缺点是在冲击块运动频率上有增大的机壳振动，这种振动是由空气垫内的变压力引起的，因为由空气垫内正负和大小均在变化的压力所引起的力没有进行任何的平衡。

还知道一种真空压缩冲击机，该机含有装在机壳内的气缸和曲柄，气缸内安装有用来与工作冲头相作用的冲击块和用空气垫与冲击块相分开的活塞，该活塞在气缸内安装得能够进行往复运动，而曲柄的一端借助于连杆与活塞相连接，而另一端利用平衡重与驱动轴相连系，平衡重的质心相对于通过驱动轴和曲柄的轴线与垂直于驱动轴轴线平面的交点的直线有一偏距（rO、E、伊万诺夫“提高真空压缩电风镐的可靠性”，论文摘要文集“机械化工具和精整机”，第三集，莫斯科，筑路和城市公用事业机器科学情报研究所，1967，第8，9页）。

在这种真空压缩冲击机中，降低由于空气垫内沿活塞运动轴线周期作用着的压力所引起的振动，可以通过非对称分布的平衡重的离心力对这种压力进行均衡的方法加以实现。此外，平衡重相对于曲柄轴线所具有的偏移距离，要使得平衡重转动时所发生的离心力与空气垫内的最大压力保持相反的相位。这样可以降低压力对机壳的作用，并且可以减小机壳在机器纵轴线方向内的振动。

上述机器的缺点在于增加了机壳在与活塞运动方向相垂直的方向内的振动，因为空气垫内的压力，一般说来，将超过作直移往复运动的活塞的惯性力。因此，为了均衡空气垫内的压力，要求有质量很大的平衡重。由于这种平衡重所产生的离心力在与活塞运动方向相垂直的方向内没有进行任何平衡，从而导致机壳在上述方向内有增大的振动。

本项发明的基本任务是在真空压缩冲击机内这样制作平衡重，要保证对完成直移往复运动的零件所产生的惯性力和空气垫内的变压力进行平衡，这样可以保证降低机壳的振动。

所提出的任务是这样解决的，在真空压缩冲击机内含有装在机壳内的气缸和曲柄，气缸内装有用来与工作冲头相作用的冲击块和用空气垫与冲击块相分开的活塞，该活塞在气缸内要安装得能够进行直移往复运动，而曲柄的一端借助于连杆与活塞相连接，而另一端利用平衡重与驱动轴相联系，平衡重的质心相对于通过驱动轴和曲柄的两轴线与垂直于驱动轴轴线平面的交点的直线有一偏距，根据本项发明，平衡重在上述垂直于驱动轴轴线平面内的投影是由两部分组成的图形，一部分相对于通过驱动轴和曲柄的两轴线与垂直于驱动轴轴线平面的交点的直线是对称的，而另一部分的质心位于相对上述直线沿曲柄转动方向转过45°～90°角的直线上，并且与图形这两部分相对应的平衡重的两部分由下列的关系式相联系：

m₁r₁= (m₂r₂)/(k)

式中，r₁和r₂一驱动轴轴线与垂直于该轴线的平面的交点至质量分别为m₁和m₂的平衡重两部分的质心的距离，而K＝1～2。

在真空压缩冲击机内这样制作平衡重时，不仅在冲击机构活塞运动的方向内可以降低机壳的振动，此时平衡重的离心力可以平衡空气垫内的压力，而且在垂直于冲击机构轴线的方向内也可降低机壳的振动。平衡重非对称部分相对其最佳位置在角度45°的范围内进行偏移，不会显著增大机器的机壳在冲击机构轴线方向内的振动。如果这种偏移使得平衡重两部分之间的夹角增大，则平衡重上述两部分离心力的总矢量将减小，这样可以降低机器在垂直于冲击机构气缸轴线方向内的振动。

当平衡重非对称部分相对其最佳位置进行偏移时，机壳在沿冲击机构气缸轴线方向内的振动的增大将按非线性关系进行。同时，离心力总矢量的大小将按线性关系变化，并与偏移角度成反比，与此同时，在垂直于气缸轴线方向内振动的减小，比在气缸轴线方向内振动的增大要快。这样可以降低真空压缩冲击机的总的振动级。

下面将用实施发明的具体实例和附图的引证说明对本项发明加以解释，附图中：

图1表示所推荐的真空压缩冲击机在纵向剖面内的总视图：

图2表示在一个工作周期内，从冲击机构和曲柄连杆机构的一侧，沿气缸轴线方向作用到所推荐的真空压缩冲击机机壳上的诸力的曲线图;

图3表示在一个工作周期内，从冲击机构一侧，沿气缸轴线方向作用到冲击机机壳上的诸力随曲柄转角变化的曲线图：

图4a，b，c，d，e表示由平衡重非对称部分的质量所产生的力的脉冲幅度随其质心偏移角度变化的曲线图;

图5表示当平衡重的质心相对其最佳位置偏移时，由平衡重非对称部分所产生的力脉冲被减部分的面积F₂的变化曲线和当平衡重非对称部分的质心“b”相对最佳位置偏移±45°角度时，平衡重离心力的总矢量P_c的变化曲线的合 线图，此时平衡重非对称部分和对称部分离心力的比值等于1.5;

图6表示具有非对称部分的平衡重的实施方案，非对称部分相对曲柄中心线的偏移角β＝90°，这个角度对于降低机器机壳沿冲击机构轴线方向内的振动是最适当的;

图7和8表示带有非对称部分的平衡重的实施方案，非对称部分的偏转角沿着平衡重两部分间夹角增加的方向。

图9表示当增大两个力的分矢量P_s和P_as之间的夹角到135℃时，总矢量P_c变化为P′_c的力分解图。

图10表示在K分别等于1，1.5和2.0的情况下，当增加力的两个分矢量P_s和P_as之间的夹角时，总矢量P_c变化至P′_c，P² _c和P³ _c时的图示。

真空压缩冲击机（图1）含有壳体1，其中安装着带有活塞3的气缸2，活塞3与由连杆4和曲柄5所组成曲柄连杆机构相连接，并且传递由驱动机构（未示出）的驱动轴6传来的运动。气缸2内装有能够作直移往复运动的冲击块7，该冲击块用空气垫8与活塞3相连接，并且周期地与工作冲头9相作用。箭头ω表示曲柄5转动的方向。角α表示活塞3从下死点位置达到空气垫8（图1）内的压力P₁（图2）具有最大值的位置时，曲柄6的转动角。

利用平衡重10将曲柄5与驱动轴6相连接（图1），平衡重10在垂直于驱动轴6轴线O₁的平面上的投影是一个用虚线14分开的两个部分12和13所组成的图影。部分12相对于直线A-A（图1）是对称的，而直线A-A通过驱动轴6和曲柄5的两轴线O₁，O₂与垂直于驱动轴6轴线O₁的平面（图面）的两个交点，并且这一部分的质心“a”位于该直线A-A上。

部分13的质心为“b”，该质心位于与直线A-A组成夹角β的直线B-B上（图1）。角β沿曲柄5的转动方向进行度量，并且为45°～90°。在气缸2上开有补偿孔15和空行程孔16，这些孔对于真空压缩冲击机的正常工作是必要的。

在以上所描述的制作真空压缩冲击机的平衡重10的情况下，在曲柄5转一整转（360°）时间内的工作循环期间，沿着活塞3运动轴线的方向，或者同样地在气缸2轴线的方向内，对机壳1作用着下列随时间变化的力：

P₁-挤压空气垫8时的压力;

P_p-由直移往复运动的活塞3所引起的离心力;

P_c-由平衡重10的质量所产生的按正弦规律变化的离心力;

P_s-平衡重10的部分12的质量所产生的离心力，该力按正弦规律变化，并且对力P_p进行平衡;

P_as-平衡重10的部分13的质量所产生的离心力，该力按正弦规律变化，并且对力P₁进行平衡。

最后这两个力P_s和P_as是力P_c的两个分力。由压力P₁的曲线和横坐标所限定的面积是脉冲I₁，并且沿着该横坐标按度数放置曲柄5的转动角α（图3）。

变力P_as的曲线和横坐标所限定的面积是与脉冲I₁反相位作用的脉冲I_as。

两个力P₁和P_as相加时，分力的合成力∑P将产生比脉冲I₁的面积具有较小面积的力脉冲I。当P₁和P_as两个力严格按相反相位作用时，总脉冲I的面积的减少是最大的，这种相位相反的作用对应于平衡重10非对称部分13的质心“b”所偏移的角度β等于90°（图4a）

当平衡重10非对称部分13的质心“b”从最佳位置偏移时，冲击机机壳振动的降低可能要少一些，这是由于出现了正脉冲I₃，它是脉冲I_as的一部分，脉冲I_as被减去部分I₂的面积要减少造成的。当着脉冲I₂被减去的面积F₂减少30%时，角β偏离最佳值的最大偏差为角r＝±45°。

在图6上表示出为了最大限度的降低冲击机机壳沿气缸轴线的振动，在结构上实施平衡重10的方案。为了保证最大力P₁的离心力P_as严格按相反相位进行作用，平衡重10非对称部分13的质心“b”相对曲柄5的中心线沿曲柄的转动方向ω偏移的角度β等于90°。将角度β减小至45°可以用平衡重10不同的结构实施方案来达到（图7和8）。此外，平衡重两部分12和13的质量的差别既可以借助于改变它们的面积来达到，也可以通过使平衡重10在这两部分上有不同的厚度来实现。减小角度β可以导致矢量P_s和P_as之间的夹角由90°增大到135°，并且可以引起总矢量P_c的减小（图9）。在β角减小至45°的情况下，总矢量P_c减小的程度决定于比值K= (m₂r₂)/(m₁r₁) 。这个比值越小，总矢量P_c减小的越显著（图10）。

所推荐的真空压缩冲击机按下述方式工作，在工作工况或冲击工况下，当驱动轴6转动时，曲柄5的转动将转换为活塞3的直移往复运动。与此同时，用空气垫8与活塞3相联系的冲击块7将重复活塞的运动，并且周期地与工作冲头9相作用。

当着活塞3从下死点位置向上死点运动时（活塞3的反行程），活塞3在空气垫8内将形成负压，强迫冲击块7跟随活塞本身运动。当活塞3从上死点向下死点运动时（活塞3的正行程），活塞3和冲击块7之间的距离将缩小，并且在空气垫8内形成盈压力，该盈压力将迫使冲击块7改变运动方向，并且朝着工作冲头9一侧运动到与其相接触。曲柄5的一整转形成一个与冲击频率相重复的冲击周期。

在冲击机工作过程中，沿着气缸2的轴线方向，或者同样地在活塞3运动的轴线方向内，冲击机的机壳上作用着下列随时间变化的力（图2）：P₁，P_as，P_p，P_s，P_c。

利用能够分别按照所有分力P_s和P_as研究振动和这些力对物体作用的叠加原理，也可以单独研究这些力对冲击机机壳1的作用。

两分力之一，即由平衡重10对称部分12的质量所产生的沿着通过对称部分12质心“a”的直线作用着的离心力P_s，相对于直线A-A成180°的角度。由这一部分12的质量所产生的离心力P_s按相反相位与由直移运动的活塞3的质量所产生的惯性力P_p相作用。

由平衡重10所产生的第二个分力，即由平衡重10的相对于直线A-A为非对称部分13的质量所产生的离心力，沿着相对于直线A-A成角度β＝90°～45°的直线作用到非对称部分13的质心“b”上。在角度β＝90°～45°的情况下，力P_as按相反相位与压力P₁相作用。在工作周期期间，力P₁随时间的变化具有脉冲特性，但是当活塞3处于正行程发生挤压空气垫8的时间间隔内，力P₁的变化近似于正弦曲线的正半波。由这个半波和横坐标轴所限定的面积（图3）形成一个压力脉冲或冲击脉冲I₁。与从空气垫8和曲柄连杆机构作用到冲击机机壳1上的所有力的脉冲相比，上述的冲击脉冲I₁是最大的振动源。减小冲击脉冲I₁的面积可以导致成正比地减少真空压缩冲击机的机壳1沿气缸2轴线方向的振动。

减小冲击脉冲I₁的面积，可以通过形成由离心力P_as所产生的，并且按相反相位与冲击脉冲I₁相作用的I_as来达到。考虑到力P_as变化的正弦性质（图3）和力P₁接近正弦的变化特性，这些力作用的反相性将在这些力同时达到它们的最大绝对值和具有相反方向时才能观察到。此外，在冲击机的机壳1上作用着总脉冲I，此脉冲等于分别由力P_as和P₁作用所产生的两个脉冲I_as和I₁的代数和。在这种情况下，脉冲I_as的面积将从脉冲I₁的面积减去，而总脉冲I的面积变得小于脉冲I₁的面积，结果将导致机壳1振动的减小。这样配置平衡重10非对称部分13的质心“b”，可以最明显地减小总脉冲I的面积，而从在气缸2的轴线方向内降低由力P₁所产生的振动来看，也是最合适的。

减小总脉冲I的面积的效果，不仅用离心力P_as的严格反相作用来达到，而且是在对该力的最大值进行移位，亦即将质心“b”从最佳位置偏移某一角度r的情况下达到的。当质心“b”从最佳位置偏移时，从脉冲I₁的面积中要减去的I₂的面积（图4上未打阴影线的部份）将减少。

当脉冲I₁和I_as反相作用时，从脉冲I₁的面积中要减去脉冲I_as的所有面积。这样，I₂＝I_as。

当离心力P_as的最大值从其中央位置偏移时，处于脉冲I₁下方的负脉冲I_as的I₃部分将变成正的，而要减去的脉冲I₂的面积将减少，这样就决定了总脉冲I的面积要增加，结果将减小降低振动的效果。

当着离心力P_as的最大值从其最佳位置偏移角度r时，所要减去的脉冲I₂面积的减少是具有二次特性的单峰值曲线，如图5所示，从该图上可以看出，当力P_as的最大值从其中央位置偏移时，在最初阶段，相当大的角度r对应的被减去脉冲I₂面积的减少量非常小。但是往下，甚至少量加大角r将造成被减去脉冲I₂的面积有显著的减少。这种现象在许多技术领域都会遇到，例如，在无线电技术中，通过共振线路传输无线电信号的特点是有一个通过频带。与此同时，在通过频带的边缘上信号具有降低的电压，该电压等于共振曲线峰值顶点处的共振频率电压的0.7。高度0.7是共振曲线平缓变化段和急剧下降段之间的独特的界限。

这样一来，在我们讨论的情况下，对应于要减去的脉冲I₂的面积减小百分之三十，要使力P_as的最大值从其最佳位置偏移等于±45度的角度r，这种情况还符合平衡重10的非对称部分13的质心“b”从其最佳位置偏移同样的等于±45度的角r。

真空压缩冲击机内力P₁的最大值处于曲柄5的转角α等于270°的区域内（图2）。当平衡重10非对称部分13的质心“b”偏移的角度β等于360°-α，即沿曲柄5的转动方向ω相对直线A-A构成360°-270°＝90°的情况下，可以实现力P_as对P₁的反相作用（图1）。另外，质心“b”沿曲柄5转动方向ω相对于直线A-A可能的偏移角度等于±45度，这样将构成角β值的45°～135°的区间。

平衡重10可以均衡作直移往复运动的活塞3的惯性力P_p和挤压空气垫8时所产生的沿着冲击机构轴线方向作用的压力P₁，同时平衡重10还是在垂直于气缸2轴线方向内的冲击机机壳1的振动源。平衡重10的离心力P_c的总矢量越大，则这种振动也越大。在所推荐的冲击机内，借助于减小平衡重10离心力P_c的总矢量来降低垂直于气缸2轴线方向内的振动。总矢量P_c是两个离心力P_s和P_as的矢量和，而这个矢量和由边长等于力矢量P_s和P_as的平行四边形的对角线来确定。组成平行四边形的矢量P_s和P_as之间的夹角越大，这个总矢量P_c将越小。因此，平衡重10的两部分12和13之间的夹角越大，则总矢量P_c将越小（图9），并且机壳在垂直于气缸2轴线方向内的振动也越小。

为了送到上述的效果，在所推荐的冲击机内，将平衡重10非对称部分13的质心“b”朝着角β减小的一侧偏移45°。与此同时，角β可能值的区间为90°～45°。在上述区间内，总矢量随角β减小而减小将呈线性关系（图10），这里的r是对横坐标轴的倾斜角，该角决定于平衡重10对称部分12和非对称部分13的惯量矩的比值，亦即决定于比值K的值。研制真空压缩冲击机的实践表明，根据冲击机构结构的不同，空气垫8内压力P₁的最大值为（1～2）P_p。为了在这样的比例下平衡上述的力，应当找出平衡重10两部分12和13的离心力。另外，当平衡重10的非对称部分13的质心“b”从其最佳位置偏移角度45°时，根据K值的不同，总矢量的减小量为46～35%（图10）。考虑到平衡重10非对称部分13的质心“b”偏移时，由平衡重10非对称部分13所产生的力脉冲被减去部分的面积变化和平衡重10离心力的总矢量P_c变化的不同特点，总可以找到上列诸因素的这样一种组合，使得在不考虑冲击机构轴线方向内的振动时，能够显著减少垂直于该轴线方向内的振动，而这样一来，将减小冲击机的总的振动危险性。上述效果在非对称部分13质心“b”的偏转角度r的值位于角β的可能值范围的中央时，将以最大的程度表现出来。在这种情况下，脉冲被减去部分的减少只有百分之几，可是总矢量P_c的减少平均要有20%（与K值的大小有关）。

这样一来，在真空压缩冲击机内，安置着具有两个部分的平衡量：一个相对于直线A-A是对称的，而另一个是非对称的，这时该两部分的质量由下式相连系：

m₁r₁= (m₂r₂)/(k)

当K＝1～2时，并且平衡重非对称部分的质心“b”相对于直线A-A沿曲柄5的转动方向ω偏转角度45°～90°时，这种平衡重的存在将使得在不考虑沿气缸轴线方向内振动的情况下，能够显著降低垂直于气缸轴线方向内的振动，而这样一来，也就降低了冲击机的总的振动危险性。

Claims (1)

1. 真空压缩冲击机含有装在机壳(1)内的气缸(2)和曲柄(5)，气缸(2)内有用来与工作冲头(9)相作用的冲击块(7)和用空气垫(8)与冲击块(7)分开的活塞(3)，该活塞在气缸(2)内安装得能够作直移往复运动，曲柄(5)与活塞(3)相连接，并且借助于平衡重(10)与驱动轴(6)相联系，平衡重(10)的质心相对于直线(A-A)偏转一个角度，该直线通过驱动轴(6)和曲柄(5)的两轴线(O₁和O₂)与垂直于驱动轴(6)轴线平面的两个交点，本冲击机的特点是，平衡重(10)在前述垂直于驱动轴(6)轴线(O₁)的平面上的投影是由两部分(12，13)组成的图形，其中一部分(12)相对于直线(A-A)是对称分布的，该直线通过驱动轴(6)和曲柄(5)的两轴线(O₁和O₂)与垂直于驱动轴(6)轴线(O₁)平面的两个交点，而另一部分(13)的质心(“b”)位于直线(B-B)上，该直线相对于上述的直线(A-A)沿曲柄(5)的转动方向(ω)转过的角度(β)等于45°～90°，另外，与图形的上述两部分相对应的平衡重(10)两部分的质量m₁和m₂由下式相联系：

   m₁r₁= (m₂r₂)/(k)

   式中，r₁和r₂--驱动轴(6)的轴线(O₁)与垂直于该轴线(O₁)的平面的交点至质量分别为m₁和m₂的平衡重(10)两部分的质心(a，b)的距离，而K=1～2。

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