PL162602B1 - Active pneumatic vibration damper - Google Patents

Abstract

1. Aktywny uklad wibroizolacji recznych na- rzedzi pneumatycznych zawierajacy tlok z jedno- stronnym tloczyskiem oraz cylinder, w którym jeden z elementów polaczony jest z drgajacym kor- pusem narzedzia a drugi z rekojescia, znamienny tym, ze ma komore zasilajaca (10) utworzona w przestrzeni cylindra (2) po stronie tloczyska pola- czona na stale z siecia sprezonego powietrza i ma komore robocza (6) utworzona nad tlokiem (1) ma- jaca sterowane polaczenie z komora zasilajaca (10) poprzez co najmniej jeden otwór przelotowy (14) umieszczony w scianie cylindra (2) oraz sterowane polaczenie z atmosfera, poprzez co najmniej jeden otwór wylotowy (15) umieszczony w scianie cylin- dra (2), zas wzajemne rozmieszczenie otworów przelotowego (14) i wylotowego (15) oraz wyso- kosc tloka (1) sa takie, ze w polozeniu tloka (1) odpowiadajacemu stanowi równowagi ukladu, za- równo otwór przelotowy (14) jak i wylotowy (15) sa calkowicie zasloniete. PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest ckWywny układ óSbktsetiaąui ręcznych narzędzi pneumatycznych stosowany w celu zredukowania szkodliwych drgań przekazywanych z korpusu narzędzia na rękojeść.

Pneumatyczne narzędzia ręczne, zwłaszcza narzędzie, w których element roboczy wykonuje ruch posuwisto-zwrotny jak ubijaki formierskie, młoty wyburzeniowe, nitow^ki, młotki ścineki itp. odznaczają się bardzo wysokim poziomem przyspieszeń drgań, przekraczających niejednokrotnie 20-30 razy wartość dopuszczalną określoną przez PN-83/N-01353. Zastosowany układ óSbrtSzoiaąjS musi czynić zadość dwóm przeciwstawnym wymaganiom: z jednej strony dlc uzyskania odpowiedniego efektu wibktiztlacUi musi cechować się mełą sztywnością, z drugiej ześ dla zapewnienia bezpieczeństwa i wygody w posługiwaniu się narzędziem musi ograniczać do minimum przemieszczenie względne pomiędzy rękojeścią e korpusem narzędzie. Operowanie narzędziem wiąże się ze stosunkowo dużym naciskiem statycznym lub emStyieuąąwm się wolno lecz w stosunkowo dużym

162 602 zakresie wartości. Problem ten można rozwiązać przez zastosowanie pneumatycznego, aktywnego układu wibroizolacji, który winien charakteryzować się zerowym przemieszczeniem względnym przy statycznie działającej sile nacisku.

Znany jest z polskiego opisu patentowego Nr 150 938 pneumatyczny układ wibroizolacji cechujący się nieco większą sztywnością przy obciążeniach statycznych niż przy dynamicznych. Rozwiązanie to polega na tym, że w przestrzeni pomiędzy cylindrem-rękojeścią, a tłokiem-narzędziem utworzona jest przepływowa komora pneumatyczna o ciśnieniu regulowanym przemieszczeniem tłoka względem cylindra. Tłok współpracuje ze sterującą szczeliną wypływową wykonaną w bocznej ścianie cylindra. Komora natomiast zasilana jest bez przerwy sprężonym powietrzem poprzez niewielki otwór o stałym przekroju, który dławi dopływ powietrza do jej wnętrza. Wielkość komory, otworu zasilającego i szczeliny wypływowej dobiera się w oparciu o odpowiednie związki w zależności od wymaganych parametrów układu.

Celem wynalazku było opracowanie takiego aktywnego układu wibroizolacji, który zapewniając praktycznie zerowe przemieszczenie względne przy statycznie działającej sile nacisku, charakteryzuje się równocześnie dostatecznie małą sztywnością w zakresie częstości odpowiadającej częstości pracy narzędzia.

Istota rozwiązania według wynalazku polega na tym, że w układzie składającym się z tłoka wraz z jednostronnym tłoczyskiem oraz cylindra, z których to elementów jeden jest połączony z drgającym korpusem narzędzia a drugi z rękojeścią, utworzone są dwie połączone ze sobą komory. Pod tłokiem, po stronie tłoczyska utworzona jest komora zasilająca połączona z siecią sprężonego powietrza, w której panuje stałe ciśnienie równe ciśnieniu sieci zasilającej. Nad tłokiem zaś utworzona jest komora robocza o zmiennym ciśnieniu, posiadająca sterowane połączenie z komorą zasilającą poprzez co najmniej jeden otwór przelotowy umieszczony w ścianie cylindra oraz sterowane połączenie z atmosferą poprzez co najmniej jeden otwór wylotowy umieszczony w ścianie cylindra. Sterowanie przepływem powietrza przez otwór przelotowy i wylotowy, polega na przemiennym zasłanianiu i odsłanianiu tych otworów przez krawędzie sterujące poruszającego się względem cylindra tłoka. Wzajemne rozmieszczenie otworów przelotowego i wylotowego oraz wysokość tłoka są tak dobrane, że w położeniu tłoka odpowiadającemu stanowi równowagi układu, zarówno otwór przelotowy jak i wylotowy są całkowicie zasłonięte. Otwór przelotowy i/lub wylotowy może mieć postać jednej lub kilku kalibrowanych dysz rozmieszczonych na różnych wysokościach wzdłuż osi cylindra. Przelot powietrza przez otwór przelotowy z komory zasilającej do komory roboczej może odbywać się kanałem wykonanym w ścianie lub poprowadzonym na zewnątrz cylindra. Otwór przelotowy może mieć też postać co najmniej jednego rowka wykonanego w wewnętrznej ścianie cylindra na takiej długości, że dolna krawędź sterująca tłoka odsłaniając początek rowka powoduje przepływ z komory zasilającej do komory roboczej. Krawędź sterująca tłoka dolna i/lub górna może być obniżona w stosunku do jego końca poprzez sfazowanie tworzące na pewnej wysokości tłoka powierzchnię stożkową o niewielkim kącie pochylenia. To nieznaczne pochylenie stożka sfazowania ma na celu stopniowe odsłanianie otworu przelotowego i/lub wylotowego powodując, że natężenie przepływu powietrza przez otwór przelotowy i/lub wylotowy zmienia się w sposób ciągły w zależności od przemieszczenia tłoka względem cylindra. Dla zapewnienia lub poprawienia stabilności pracy układu wibroizolacji może być wprowadzone tłumienie przez zastosowanie komory dodatkowej o stałej objętości, połączonej z komorą roboczą oporem pneumatycznym, korzystnie w postaci kapilary. Wymaganą odpowiednio dużą objętość komory roboczej można uzyskać przez rozszerzenie jej na obszar znajdujący się na zewnątrz cylindra. Korzystnie jest rozszerzyć komorę roboczą na przestrzeń otaczającą cylinder poprzez obudowanie cylindra zewnętrznym płaszczem. Uzyskuje się w ten sposób dostateczną objętość komory roboczej bez konieczności wydłużania cylindra, skracając równocześnie drogę powietrza z komory zasilającej do komory roboczej przez otwór przelotowy wyprowadzony wprost na zewnątrz cylindra. Tłoczysko tłoka

162 602 może mieć wydrążony wewnątrz kanał, otwarty do komory zasilającej i wyprowadzony na zewnątrz. Komora zasilająca posiada takie zewnętrzny kanał z otworem wlotowym umieszczonym w części cylindra nie przysłanianej przez tłok. Oba wyżej wymienione kanały mogą być wykorzystane zamiennie do bezpośredniego połączenia komory zasilającej z siecią sprężonego powietrza, oraz do zasilania narzędzia powietrzem pobieranym z komory zasilającej.

Dobór parametrów układu przy projektowaniu trzeba rozpocząć od określenia średnic tłoka i tłoczyska czyli określenia pdl przekrojów, które oznaczymy odpowiednio przez S [r] i S![rn²].

Pola te określimy z warunków równowagi ^Ng ^{= (p}s * ^S - ^ps^Sl ^{+ m}9 .

gdzie ^[N] i Ng[N] są określonymi z góry siłami, wyrażającymi przewidywany maksymalny docisk i maksymalną siłę podnoszenia, m [kg] - sumą mas rękojeści i związanej z nią części układu wibroizolacji oraz zredukowanej masy rąk operatora, p_[N/m2] - absolutnym ciśnieniem 2 zasilania, piN/rn] - ciśnieniem atmosferycznym.

Po określeniu pól S i S^ obliczamy ciśnienie równowagi po[N/m2] odpowiadające przyjętej średniej wartości siły docisku N_q[n], która może być przyjęta w postaci ^No = <^Nd - V^{/2 (2)}

Ciśnienie równowagi p_Q określone jest wzorem

P_o = [mg + N_q + P_s(S - Sj) + p_gS₁]/S (3)

Objętość komory roboczej w środkowym położeniu tłoka Vo[m⁵] (otwory przelotowy i wylotowy są zasłonięta) dobieramy w oparciu o warunek skutecznej wibroizolacji przyjęty w postaci

ΥβΤϋ < 2f₀ (4) gdzie c [U/m] jest sztywnością układu wyrażoną wzorem c = kS²P(j/V_o (5) a fo[^Hz] jest częstością podstawową pracy narzędzia. Współczynnik k = 1.4 Jest wykładnikiem adiabaty. Im mniejsza będzie wartość ^c/m tym lepsza będzie skuteczność wibroizolacji. Jałowy skok tłoka <T[m] wynikający z założonego rozmieszczenia otworów przelotowego i wylotowego w stosunku do wysokości tłoka, oraz średnice tych otworów dp[m] i dw[m] , decydują o szybkości reagowania układu na zmieniający się nacisk wywierany przez operatora na rękojeść. Jeżeli średnice dp i d* zwiążemy warunkiem

‘3	[<ρ„/ρ,>2Λ - (P0ZP3)<k+1)/k]Pa	d	(6)
w	[<ps/p„>2/k - <p,Zp„)<k*1>/k]p0	P
to zdolność przystosowywania się	układu do zmiennej siły nacisku	będzie	scharakteryzowana
parametrrm λ określonym wzorem
λ =	[(kRTQS)Vo]q		(7)

w którym R = 287 [ Nm/kgK ] jest stałą gazową, - średnią temperaturą powietrza, a q jest rdwne

162 602 ^Jlyp₃

2<f

2k (k-l)RT (P₀/P_s)^2/k - (P₀/_Pg)^(k+1)/k (8) gdzie μ = 0.5 -0.8 jest współczynnikiem przepływu.

Ważne jest aby układ zachowywał stabilność. Oprócz naturalnego tłumienia (siły oporu) występującego pomiędzy tłokiem a cylindrem i określonego współczynnikiem tłumienia wiskotycznego α [Ns/m] , dla poprawienia stabilności można wprowadzić tłumienie tworząc dodatkową komorę o stałej objętości V[m³] , połączoną z komorą roboczą za pomocą kapilary o średnicy d [m] długości 1 [m]. Ola zachowania stabilności winien być spełniony warunek (v^X+c)^[m(l+v) + «( v£] fC (l+v)+v^c]-mv £(vfiA +c)J -m(l + v)-«f v£ > 0 (9) gdzie v = β = (12B^lVg)/(k^<jrd⁴pg) - współczynnik oporu pneumatycznego, = 1.B5*10^-5[Ns/m²] - dynamiczny współczynnik lepkości powietrza w temperaturze Τθ = 293 [K] W przypadku braku kamory dodatkowej i oporu pneumatycznego warunek stabilności przyjmie postać «( c - ml >0 (10)

Działanie aktywnego układu wibroizolacji polega na wykorzystaniu poduszki powietrznej (sprężyny pneumatycznej), którą stanowi powietrze zawarte w komorze roboczej nad tłokiem. Dzięki sterowanemu połączeniu komory roboczej z komorą zasilającą i atmosferą, ciśnienie równowagi w komorze roboczej dopasowuje się do aktualnego nacisku operatora na rękojeść. Odbywa się to w ten sposób, że wzrost nacisku powoduje wzajemne przesunięcie cylindra względem tłoka i po przekroczeniu jałowego skoku, odsłonięcie otworu przelotowego, przez który odbywa się przepływ sprężonego powietrza z komory zasilającej do komory roboczej powodując wzrastanie ciśnienia w komorze roboczej do momentu kiedy zostanie zrównoważony nacisk operatora. Po tym zrównoważeniu następuje powrót wzajemnego położenia cylindra i tłoka do położenia równowagi, w którym oba otwory sterujące są zamknięte. W sytuacji odwrotnej, kiedy zmniejszy się nacisk operatora, następuje wzajemne przesunięcie tłoka i cylindra w przeciwnym kierunku i odsłonięcie otworu wylotowego powodując odpowiednie zmniejszenie ciśnienia równowagi w komorze roboczej.

Zaletą rozwiązania według wynalazku jest bardzo duża skuteczność wibroizolacji, wyrażająca się kilkunastokrotnym obniżeniem poziomu przyspieszeń przekazywanych na ręce operatora w stosunku do poziomu występującego przy sztywnym połączeniu rękojeści z korpusem. Jednocześnie, mimo występujących w trakcie pracy narzędziem stosunkowo dużych i zmieniających się sił nacisku, układ wibroizolacji odznacza się niewielkimi przemieszczeniami względnymi rękojeści względem korpusu narzędzia.

Przedmiot wynalazku zostanie bliżej zobrazowany w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat ideowy układu wibroizolacji, fig. 2 - fragment układu pokazujący sfazowanie krawędzi tłoka, fig. 3 - otwór przelotowy w postaci rowka wykonanego na wewnętrznej powierzchni cylindra. Fig. 4 - ilustruje przykład wykonania układu wibroizolacji według fig. 1, fig. 5 - zmierzone podczas prób prototypu widma oktawowe przyspieszeń wibroizolowanej rękojeści i korpusu ubijaka formierskiego 0A-18 prod. Archimedes we Wrocławiu.

Układ wibroizolacji według wynalazku zawiera dwa podstawowe elementy: tłok wraz z jednostronnym tłoczyskiem 1 oraz cylinder 2. W przykładzie wykonania, który przedstawia fig. 4 tłok 1 przez tłoczysko połączony jest z korpusem narzędzia 3, a cylinder 2 - z rękojeścią 4. Głowica cylindra 5 zamyka od góry przestrzeń cylindra 2, tworząc komorę roboczą 6 powiększoną o objętość przestrzeni 7 zawartej między ścianami cylindra 2 a dolnym płaszczem zewnętrznym 8, obejmującym dookoła cylinder 2. Przestrzeń 7 wchodzi w skład komory roboczej 6 łącząc się z przestrzenią znajdującą się bezpośrednio nad tłokiem 1 za pośrednictwem kanałów 9. Pod tłokiem 1, po stronie tłoczyska utworzona jest komora zasilająca 10, która przewodem 11 poprowadzonym między cylindrem 2, a dolnym 8 i górnym 12 płaszczem zewnętrznym oraz wewnątrz

162 602 rękojeści 4, łączy się przez zawór 13 z siecią sprężonego powietrza. W ścianie cylindra 2 umieszczone są otwory przelotowy 14 i wylotowy 15 w postaci dysz o odpowiednio dobranych średnicach. Otwór przelotowy 14 wyprowadzony jest z komory zasilającej 10 bezpośrednio do przestrzeni 7 stanowiącej część komory roboczej 6. Otwór wylotowy wyprowadzony jest z komory roboczej 6 do atmosfery poprzez otwartą przestrzeń 16 utworzoną między płaszczem zewnętrznym 12 a odpowiednimi karbami na powierzchni zewnętrznej cylindra 2. Wysokość tłoka 1 i rozstaw otworów 14 i 15 są takie, że w środkowym położeniu tłoka 1 zarówno otwór przelotowy 14 jak i wylotowy 11 są całkowicie zasłonięte powierzchnią cylindryczną tłoka 1, zaś przy jego wychyleniu w kierunku zmniejszającym objętość komory roboczej 6 odsłaniany jest tylko otwór przelotowy 11 o pzzi wychylenii przeciwnym o tylko otwó1 wylotowi 15 o oomoao odóatowwo 7 1 utworzona jest w przestrzeni zawartej między głowicą cylindra 1, a otaczającą ją górną częścią płaszcza zewnętrznego 12 oraz wewnątrz rękojeści 4. Opór pneumatyczny 18 w postaci kapilary umieszczony jest w denku głowicy cylindra 1 łącząc w ten sposób komorę roboczą 6 z komorą dodatkową 17. W tłoczysku tłoka 1 wydrążony jest kanał wzdłużny 19, otwarty do komory zasilającej 10 z jednej strony i na zewnątrz z drugiej. Kanał ten służy do zasilania narzędzia 3 sprężonym powietrzem. Tłoczysko tłoka 1 osłonięte jest mieszkiem gumowym 20.

Sterowane ciśnienie równowagi w komorze roboczej 6 zmienia się w zależności od siły nacisku wywieranej przez operatora na rękojeść 4. Ze wzrostem siły nacisku cylinder 2 wraz z całą rękojeścią 4 przemieszcza się nieznacznie w dół, skutkiem czego następuje odsłonięcie otworu przelotowego 14 i przepływ sprężonego powietrza z komory zasilającej 10 do komory 7, która za pośrednictwem kanału 9 łączy się z komorą roboczą 6. Wzrost ciśnienia w komorze roboczej 6 jest ograniczony do wartości, która zrównoważy nacisk wywierany na rękojeść 4. Wtedy rękojeść 4 wraz z cylindrem 2 podniesie się do góry wracając do położenia pierwotnego, a otwór przelotowy 14 zostanie zasłonięty. Jeżeli nacisk operatora na rękojeść 4 się zmniejszy lub zamieni się na siłę działającą do góry, to rękojeść 4 wraz z cylindrem 2 podniesie się nieznacznie do góry odsłaniając otwór wylotowy 11 połączony z atmosferą. Ciśnienil w komorze roboczej 6 obniży się do takiego stopnia aby ciśnilnil panujące w komorze zasilającej 10 zrównoważyło siłę podnoszenia, po czym cylinder 2 wraz z rękojeścią 4 powróci do swojego położenia pierwotnego. W ten sposób rękojeść 4, miot zmieniającej się siły nacisku, przemieszcza się nieznacznie względem korpusu narzędzia 3. Równocześnie powietrze zawarte w komorze roboczej 6 przez cały czas pełni rolę poduszki pneumatycznej, której celem jest odizolowanie rękojeści 4 od drgań korpusu 3.

Wyniki pomiarów drgań otrzymane podczas prób prototypu układu oibotizolacJi według wynalazku, zastosowanego do ubijaka formierskiego UA-18 produkcji Archimedes Wrocław przedstawiono na fig. 1. Próby prowadzono w normalnych warunkach odlewni. Linią ciągłą oznaczono widmo oktawowe przyspieszeń korpusu ubijaka, a linią przerywaną widmo przyspieszeń rękojeści po zastosowaniu układu wibroiztla<ljl. Obydwa wykresy porównane są do wykresu wartości dopuszczalnych określonych przez PN-83/N-01313 dla ośmiogodzinnego czasu ekspozycji w ciągu jednego dnia roboczego.

Fig. 5 fUi]

162 602

Fig. 4

162 602

Fig. 2 Fig. 3

Zakład Wydawnictw UPRP. Nakład 90egz. Cena 10 000 zł

Claims (9)

Zastrzeżenia patentowe

1. Aktywny układ wibroizolacji ręcznych narzędzi pneumatycznych zawierający tłok z jednostronnym tłoczyskiem oraz cylinder, w którym jeden z elementów połączony jest z drgającym korpusem narzędzia a drugi z rękojeścią, znamienny tym, że ma komorę zasilajjcą (10) utworzoną w przestrzeni cylindra (2) po stronie tłoczyska połączoną na stałe z siecią sprężonego powietrza i ma komorę roboczą (6) utworzoną nad tłokiem (1) mającą sterowane połączenie z komorą zasilającą (10) poprzez co najmniej jeden otwór przelotowy (14) umieszczony w ścianie cylindra (2) oraz sterowane połączenie z atmosferą, poprzez co najmniej jeden otwór wylotowy (15) umieszczony w ścianie cylindra (2), zaś wzajemne rozmieszczenie otworów przelotowego (14) i wylotowego (15) oraz wysokość tłoka (1) są takie, że w położeniu tłoka (1) odpowiadającemu stanowi równowagi układu, zarówno otwór przelotowy (14) jak i wylotowy (15) są całkowicie zasłonięte.

2. Aktywny układ według zastrz. 1, znamienny tym, że otwór przelotowy (14) i/lub wylotowy (15) ma postać jednej lub kilku kalibrowanych dysz rozmieszczonych na różnych wysokościach wzdłuż osi cylindra (2).

3. Aktywny układ według zastrz. 1, znamienny tym, żż otwór przelotowy ((4) ma postać, co najmniej jednego rowka wykonanego w wewnętrznej ścianie cylindra (2).

4. Akttwwy układ wwdług zzcsrz. 1, znamienny t m ^m » e u krwwddż tterująca tłoka (1) jest obniżona w stosunku do jego końca, poprzez sfazowcnie tworzące na pewnej wysokości tłoka (1) powierzchnię stożkową o niewielkim kącie pochylenia.

5. AAktywn ukkłC uweiuu zecttk. 1, znamienny tym, że komora robocza ((5) połączona jest poprzez opór pneumatyczny (18) z komorą dodatkową (17) o stałej objętości.

6. AAktywn uk^C u^liig zza^r. 1, znamienny ty,, że komora robocza (6) rozszerzona jest na obszar znajdujący się na zewnątrz cylindra (2), korzystnie poprzez obudowanie cylindra (2) płaszczem zewnętrznym (0).

7. A^tywn układ wwdług zzatrz. 6, znamienny t m ^m , eu ww^u kztetwtówy (14) umieszczony w ścianie cylindra (2) wyprowadzony jest wprost do przestrzeni otaczającej cylinder (2), stanowiącej część komory roboczej (6).

8. AAktywn uk^C wóełuk zzatwr. 1, znamienny ty,, Wu ąenctoyWu H uk1 (1) posiada wydrążony wewnątrz kanał (19) otwarty do komory zasilającej (10) i wyprowadzony na zewnątrz.

9. AAkwywn ukkad wwdług zzatrz. 1, znamiynyu t m ^m u e u omorau assiCjącca (10) posiada wyprowadzony na zewnątrz kanał (11) z otworem umieszczonym w części cylindra (2) nie przysłanianej przez Włok (1).