RU2200817C2

RU2200817C2 - Ударно-поворотный механизм

Info

Publication number: RU2200817C2
Application number: RU2001110280/03A
Authority: RU
Inventors: А.М. Ярунов
Original assignee: Новосибирский государственный технический университет
Priority date: 2001-04-16
Filing date: 2001-04-16
Publication date: 2003-03-20

Abstract

Изобретение относится к горной и строительной технике, в частности к устройствам для пробивки отверстий в кирпиче и бетоне. Сущность изобретения заключается в том, что ударно-поворотный механизм содержит корпус с конической поверхностью, дисковый кулачок с внутренними криволинейными поверхностями контакта с роликами толкателей, центральный стержень, концентрично размещенный на нем боек, шпиндель инструмента с цилиндрическим хвостовиком, концентрично расположенным в продольном отверстии центрального стержня, и снабжен пружинами, размещенными между двумя парами рычагов, одни из которых с шарнирно-рычажной связью с центральным стержнем, центробежными грузами и роликами, а другие с шарнирно-рычажной связью с бойком и первыми из рычагов, двухслойной фрикционной конусной муфтой, при этом дисковый кулачок жестко соединен с конусным хвостовиком неподвижного соединения с двигателем, шпиндель выполнен с конической поверхностью, сопряженной с охватываемым кольцом двухслойной конусной фрикционной муфты, а корпус - с конической поверхностью, сопряженной с охватывающим кольцом той же муфты. Изобретение позволяет повысить долговечность работы электродвигателя механизма. 3 ил.

Description

Изобретение относится к горной и строительной технике, в частности к устройствам для пробивки отверстий в кирпиче и бетоне.

Известен ударно-поворотный механизм по описанию к изобретению патента 2033520 РФ, содержащий корпус со свободно вращающимся в нем дисковым кулачком, две внутренние рабочие поверхности которого взаимодействуют с роликами двух толкателей поступательного движения, преобразуемого при помощи шарнирно-рычажного механизма в поступательные перемещения бойка и ползуна взаимно противоположного перемещения. Причем толкатели размещаются в отверстии, перпендикулярном оси центрального стержня, получающего вращение от двигателя, а боек, концентрично расположенный на этом стержне, перемещается с возможностью нанесения удара по торцу шпинделя инструмента после соприкосновения инструмента с породой или искусственным материалом под действием центробежных сил грузов, присоединенных к толкателям.

Недостатком этого технического решения является передача удара по цепи звеньев на двигатель по причине неразмыкания центрального стержня с двигателем при ударе бойка по торцу шпинделя инструмента; а также размещение конической поверхности сцепления трением дискового кулачка, близкое к габаритному диаметру корпуса, значительное количество деталей и сложность их геометрической формы, особенно бойка с продольными пазами для направляющей толкателей и форма толкателей с кольцевым пазом для увеличения массы присоединенных к ним центробежным грузам.

Кроме того, известен ударно-поворотный механизм центробежного действия по описанию изобретения к патенту 2118454 РФ, являющийся прототипом предлагаемого изобретения, содержащий корпус с внутренней конической поверхностью, расположенный в нем дисковый кулачок с внешней конической поверхностью, размещенный в этом корпусе центральный стержень, получающий вращение от двигателя, шпиндель инструмента с цилиндрическим хвостовиком, размещенный в продольном осевом отверстии стержня, боек, концентрично расположенный на стержне и имеющий пазовое подвижное соединение со шпинделем инструмента, а также шарнирные соединения с рычагами, на одних из которых неподвижно установлены центробежные грузы и ролики, взаимодействующие с внутренними криволинейными поверхностями дискового кулачка, вращаемого этими роликами на холостом ходу и замедляемого при помощи штифта от его соприкосновения с хвостовиком шпинделя инструмента и поверхностью паза дискового кулачка для контакта внешней конической поверхности этого кулачка с внутренней ответной поверхностью корпуса после соприкосновения инструмента с обрабатываемым материалом, обеспечивающего переход с холостого хода на рабочий режим бурения, регулируемый усилием нажатия в направлении продольной оси инструмента - бура.

Недостатком этого технического решения является передача ударов, снижающая долговечность электродвигателя вследствие неразъединения центрального стержня с двигателем при ударе по шпинделю инструмента.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение долговечности электродвигателя ударно-поворотного механизма.

Это достигается тем, что ударно-поворотный механизм, содержащий корпус с конической поверхностью, дисковый кулачок с внутренними криволинейными поверхностями контакта с роликами толкателей, центральный стержень, концентрично размещенный на нем боек, шпиндель инструмента с цилиндрическим хвостовиком, концентрично расположенным в продольном отверстии центрального стержня, рычаги, одни из которых с шарнирно-рычажной связью с центральным стержнем, центробежными грузами и роликами, а другие с шарнирно-рычажной связью с бойком и первыми из рычагов, снабжен пружинами, размещенными между двумя указанными парами рычагов, двухслойной фрикционной конусной муфтой, при этом дисковый кулачок жестко соединен с конусным хвостовиком неподвижного соединения с двигателем, шпиндель выполнен с конической поверхностью, сопряженной с охватываемым кольцом двухслойной конусной фрикционной муфты, а корпус - с конической поверхностью, сопряженной с охватывающим кольцом той же муфты.

На фиг. 1 - 3 представлен ударно-поворотный механизм, содержащий корпус 1 с внутренней конической поверхностью, дисковый кулачок 2 с двумя внутренними криволинейными поверхностями и конусным хвостовиком, центральный стержень 3 с проушинами шарнирной связи с рычагами 4, оснащенными роликами 5 и с неподвижно установленными на них центробежными грузами 6 и отверстиями шарнирной связи с рычагами 7, имеющими шарнирную связь с бойком 8, пружины 9, размещенные между рычагами 4 и 7 в направляющих глухих отверстиях и шпиндель 10 инструмента с цилиндрическим хвостовиком, концентрично размещенным в центральном стержне 3. Между коническими поверхностями шпинделя 10 инструмента и корпуса 1 размещаются охватывающие кольца 11 и кольца 12 двухслойной фрикционной конусной муфты. Боек 8 и шпиндель 10 имеют пазовое подвижное в осевом направлении соединение.

Ударно-поворотный механизм работает следующим образом. Дисковый кулачок 2 получает вращение от двигателя через конический хвостовик, до начала вращения дискового кулачка 2 ролики 5 прижимаются пружинами 9 к цилиндрической круговой внутренней поверхности дискового кулачка 2. До соприкосновения инструмента с обрабатываемым материалом или породой имеется холостой ход, т. е. вращение дискового кулачка 2 не преобразуется в возвратно-поступательное движение рычагов 4 и 7 и возвратно-поступательное перемещение бойка 8. Под действием касательных составляющих усилий со стороны криволинейных поверхностей дискового кулачка 2 в этом случае происходит вращение центрального стержня 3 с рычагами 4 и 7, центробежными грузами 6 и бойком 8. После соприкосновения инструмента с породой или обрабатываемым материалом шпиндель 10 останавливается или замедляет свое вращение. При этом под действием дискового кулачка 2 сжимаются пружины 9 и уменьшаются углы наклона рычагов 4 и 7 к оси центрального стержня 3. В точках, ближних к оси вращения центрального стержня 3 подъема профилей криволинейных поверхностей дискового кулачка 2, под действием центробежных сил грузов 6 и пружин 9 после размыкания роликов 5 с дисковым кулачком 2 происходит поворот рычагов 4 и 7 с поступательным перемещением бойка 8 к торцовой поверхности шпинделя 10, которое завершается ударом по этой поверхности. Затем цикл работы повторяется.

Таким образом, в связи с разъединением центрального вала 3 от дискового кулачка 2 исключается передача ударов по цепи звеньев на двигатель. При этом повышается долговечность двигателя.

Энергия удара А_уд в рассматриваемом случае, в основном под действием центробежных сил, выражается равенством

где m_гр - масса центробежных грузов, ω - угловая скорость дискового кулачка 2, сообщаемая центральному стержню 3. Для привода от электродрели мощностью 400 Вт с частотой вращения ее шпинделя, равной 1000 об/мин ≈ 100 с^-1, R и r - соответственно максимальный и минимальный радиальные координаты центра масс центробежных грузов, для R=50 мм и r=40 мм и m_гр=1 кг
А_уд = 1 10000(0,05² - 0,04²)/2 = 0,5 10000(0,0025 - 0,0016) = 5 Дж.

Причем размеры одного центробежного груза усеченной конической формы определяются равенством
m_гр/2 = L(πd²/4)γ;
здесь L - длина груза, d - его средний диаметр, γ - удельная масса, для d = 5 см, γ = 7,8 г/см³ (для стали)
L = (m_гр/2)/(γπd²/4) = 500/(7,8 3,14 5²/4) = 3,125 см.

Такие размеры центробежных грузов и значение энергии удара приемлемы для ручного ударно-поворотного механизма.

Энергия удара, накапливаемая двумя пружинами, определяется равенством
А_уд = 2[c_прS²/2] = 2[F_пр/S)S²/2] = 2[(d²π[τ]/8c)S/2 = (2² 3,14 500)/[(8 5)2] = 80 Нмм = 0,08 Дж.

здесь c_пр - коэффициент жесткости пружины, F_пр - усилие пружины, S - высота сжатия пружины, принимается S=3 мм, d - диаметр проволоки пружины, принимается равным 2 мм, с=D/d - индекс пружины, D - средний диаметр цилиндрической винтовой пружины, принимается с = 5. При этом высота пружины H = id + 1,5d + 1,1S; i - число рабочих витков пружины,
i = (GdS)/(8F_прc³) = (8 10⁴ 2 2)/(8 157 125) = 2;
Н = 2 2 + 3 + 2,2 = 9,2 мм.

Время t пуска такого механизма определяется по уравнению движения машины при приблизительно постоянном приведенном моменте инерции I_пр к дисковому кулачку 2
I_пр(ω/t) = (М_д-М_тр).

При приведенном моменте инерции, приблизительно равном моменту инерции ротора электродвигателя, равном 0,01 кгм², передаточном числе редуктора u = 10 полезной мощности 250 Вт, моменте движущих сил М_д = 250/100 = 25 Нм и моменте сил трения М_тр = 2 Нм для угловой скорости 100 с^-1.

t = I_прω/(М_д-М_тр) = 0,01 100/(25-2) = 0,04 с^-1.

Коэффициент δ неравномерности движения ротора электродвигателя при использовании рассматриваемого механизма определяется равенством
δ = (ω_max-ω_min)/ω_cp;
где индексы соответствуют максимальной, минимальной и средней угловым скоростям ротора электродвигателя.

При этом по уравнению движения в форме кинетических энергий
I_пр(ω_max)²/2 = (M_д-M_тр)Δφ;
для

для

здесь Θ - угол давления,
tgΘ = [(R_кул-r_кул)/φ_п]/[R_кул-(R_кул-r_кул)].
При R_кул = 35 мм и r_кул = 32 мм φ_п = π/2; tgΘ = 0,025 и Θ = 0,025 рад
ω_min = 98 с^-1; δ = 0,02.

Такое значение коэффициента неравномерности движения соответствует регламентируемому режиму работы электродвигателя при использовании предлагаемого размыкания звеньев для удара с целью повышения его долговечности.

При остановке звеньев во время удара минимальная угловая скорость двигателя становится равной нулю, и коэффициент неравномерности движения равен 2, т.е. имеет недопустимое значение по регламентируемым величинам.

Необходимое усилие F_н нажатия в рассматриваемом случае определяется с учетом угла β наклона конических поверхностей двухслойной конусной фрикционной муфты по уравнению движения
I_прε = М_д - М_тр - zfR_трF_н/sinβ;
где ε - угловое ускорение шпинделя за время перехода на рабочий режим бурения, принимаемое за 20 с и равное 100/20 = 5 с^-2; z - число поверхностей трения двухслойной конусной фрикционной муфты, z = 2; f - коэффициент трения с учетом возможного попадания смазки, принимаемый равным 0,1; R_тр - средний радиус поверхностей трения может быть осуществлен равным 0,015 м; β = 0,1. Поэтому усилие нажатия выражается равенством и может составлять при рассматриваемых размерах ударно-поворотного механизма значение

соответствующее, регламентируемому, равному 120 Н.

Из вышесказанного следует, что обеспечивается исключение передачи удара по цепи звеньев на двигатель при ударе бойка по шпинделю инструмента, останавливающегося от ударного воздействия в обрабатываемом материале и с повышением коэффициента неравномерности движения приводит к повышению долговечности электродвигателя ударно-поворотного механизма.

Claims

Ударно-поворотный механизм, содержащий корпус с конической поверхностью, дисковый кулачок с внутренними криволинейными поверхностями контакта с роликами толкателей, центральный стержень, концентрично размещенный на нем боек, шпиндель инструмента с цилиндрическим хвостовиком, концентрично расположенным в продольном отверстии центрального стержня, рычаги, одни из которых с шарнирно-рычажной связью с центральным стержнем, центробежными грузами и роликами, а другие с шарнирно-рычажной связью с бойком и первыми из рычагов, отличающийся тем, что он снабжен пружинами, размещенными между двумя указанными парами рычагов, двухслойной фрикционной конусной муфтой, при этом дисковый кулачок жестко соединен с конусным хвостовиком неподвижного соединения с двигателем, шпиндель выполнен с конической поверхностью, сопряженной с охватываемым кольцом двухслойной конусной фрикционной муфты, а корпус - с конической поверхностью, сопряженной с охватывающим кольцом той же муфты.