2. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ С ПОСТУПАТЕЛЬНЫМИ УДАРАМИ

При работе молотком его продольная ось и соответственно рабочий инструмент могут занимать любое положение в пространстве, а при работе ломом его рабочий инструмент (пика или лопата) направлен всегда вниз.

В перфораторах рабочий инструмент, кроме возвратно-поступательного движения, одновременно совершает непрерывное или прерывистое вращение. Эти машины предназначены для бурения отверстий цельными и корончатыми сверлами.

Механизмы вращения бура бывают двух типов: динамические и кинематические. В динамических поворотных механизмах для вращения бура используется часть кинетической энергии движущегося бойка. Эти механизмы обеспечивают только прерывистое движение бура. Преимуществом этой схемы поворотного механизма является отсутствие жесткой связи с приводом, поэтому торможение бойка при заклинивании бура в шпуре не вызывает торможения двигателя, следовательно, не возникает крутящий момент, приложенный к корпусу. Кинематические поворотные механизмы обеспечивают как непрерывное, так и прерывистое вращение бура. По сравнению с динамическими они работают в более спокойных условиях, не воспринимают ударных нагрузок, более компактны. В то же время наличие жесткой связи с приводом создает крутящий момент на корпусе перфоратора из-за торможения двигателя при заклинивании бура в породе. В последнее время преимущественное применение находят электроперфораторы с непрерывным вращением бура, при котором материал разрушается как с помощью ударов, так и резанием.

Основными параметрами УВРМ являются энергия и частота ударов. Энергия удара современных молотков, перфораторов и ломов в пределах 1,0-100 Дж при частоте ударов от 750 до 3000 в минуту.

В последние годы все большее распространение получают ударно-вибрационные ручные машины многоцелевого назначения с изменяющимся режимом работы (поступательным ударным, ударно-вращательным, вращательным).

Электрические машины подразделяются на две группы: с электродвигателем и электромагнитные (электрофугальные).

В машинах с электродвигателем используют двигатель вращательного движения, механические преобразовательный и ударный механизмы.

В электромагнитных машинах в качестве привода применяют электромагнит, якорь которого является бойком, совершающим возвратно-поступательпые движения непосредственно под действием электромагнитных сил. Преимуществом электромагнитных машин является отсутствие механической передачи (преобразовательною механизма, редуктора). Наиболее существенным недостатком электромагнитных машин является сравнительно низкий КПД и связанный с этим повышенный нагрев, что требует применения специальных мер для устранения перегрева машины.

Машины с электродвигателем и компрессионно-вакуумным ударным механизмом. В качестве привода в этих машинах используют однофазные коллекторные электродвигатели с двойной изоляцией, а также асинхронные двигатели нормальной и повышенной частоты с короткозамкнутым ротором (преимущественно для бетоноломов и мощных перфораторов). Асинхронный привод более надежен, но удельная мощность асинхронных двигателей нормальной частоты сравнительно невысока, а для питания асинхронных двигателей повышенной частоты требуется преобразователь частоты тока, что усложняет и удорожает их эксплуатацию. Поэтому в последнее время все большее применение находят УВРМ с однофазным коллекюрным приводом с двойной изоляцией.

Рис. 2. Принципиальные схемы молотков с электродвигателем и компрессионно-вакуумным ударным механизмом: а — с подвижным поршнем, с подпружиненным поршнем (пружинно-воздушный); в — с полым бойком, с подвижным цилиндром; 1 — привод; 2 — корпус; 3 — кривошипно-шатунный механизм, 4 — поршень; 5 — боек, 6 — рабочий инструмент; 7 — окна для автоматического переключения молотка на холостой ход; 8 — окна Для компенсации утечки воздуха из воздушной подушки в течение рабочего цикла, 9 — пружина; 10 — ползун

Основная часть УВРМ - это ударный механизм. Одним из наиболее простзгх является пружинный ударный механизм. Молотки с таким механизмом выпускались, однако в них не удалось обеспечить надежную работу пружин, испытывающих высокие динамические нагрузки. УВРМ с компрессионно-вакуумным удьрным механизмом лишены этого недостатка. Принципиальные схемы молотков с компрессионно-вакуумным ударным механизмом представлены на рис. 2. Ударный механизм с подвижным поршнем (рис. 2, а) характеризуется простотой изготовления, высокой надежностью, малой вибрацией корпуса на холостом ходу. Этот механизм в настоящее время получает все большее распространение. В ряде отечественных конструкций использован пружинно-воздушный ударный механизм (рис. 2, б), в котором подвижный поршень соединен с шатуном с помощью упругого элемента (цилиндрической пружины). Наличие дополнительного упругого элемента — пружины, установленной последовательно с воздушной подушкой, позволяет уменьшить суммарную жесткость упругой связи и снизить, при определенных условиях, вибрацию ручной машины. Механизмы, представленные на рис. 2, в и г, имеют ограниченное применение.

Различные конструктивные исполнения компрессионно-вакуумного ударного механизма, представленные на рис. 2, не меняют однако принципа получения возвратно-поступательного движения бойка. Пока к молотку не приложена осевая сила.

боек расположен ниже имеющихся в стволе окон 7 (см. рис. 2, а). Воздушная подушка между бойком и поршнем при этом сообщается с атмосферой. Поступающий в полость над бойком воздух препятствует созданию вакуума, и движение поршня не передается бойку. При нажатии на молоток боек перемещается вверх под действием рабочего инструмента. Окна ствола перекрываются. Поршень, перемещаясь вверх, создает разряжение (вакуум) в полости ствола между торцами бойка и поршня. С возрастанием разности давлений боек с нарастающей скоростью начинает перемещаться вверх за поршнем. После перехода кривошипом верхней мертвой точки поршень движется вниз, а боек при этом некоторое время продолжает движение вверх. Разряжение между бойком и поршнем уменьшается, а затем создается возрастающее давление сжатого воздуха на боек. Последний тормозится, изменяет направление движения и с нарастающей скоростью движется вниз, ударяя в конце хода по хвостовику рабочего инструмента. Поршень переходит в крайнее положение, при котором вскрываются компенсационные окна в стволе, и воздушная подушка сообщается с окружающей средой, пополняясь воздухом. Далее описанный рабочий процесс повторяется.

Рис. 3. Зависимость безразмерной скорости удара бойка с в функции параметра при

Для перевода молотка на холостой ход (безударный режим) достаточно вывести хвостовик рабочего инструмента в крайнее нижнее положение, что достигается отводом электромолотка от разрушаемого объекта.

Основным источником вибрации в этих машинах является сила отдачи, действующая на привод и корпус машины. Уменьшение максимальной силы отдачи ведет к снижению не только вибрации машины, но и скольжения ротора двигателя, а следовательно, тепловых потерь в нем, к увеличению энергии удара бойка, уменьшению давления воздуха в рабочей камере и связанному с этим снижению термодинамических потерь, а также к снижению необходимой силы нажатия оператора.

Вибрацию от инерционных сил поступательно движущихся элементов кривошипно-шатунного механизма снижают максимальным уменьшением их массы и установкой противовеса на кривошипе. Вибрацию корпуса машины, возникающую при отскоке рабочего инструмента (пики, бура и т. д.) от породы и последующем ударе по корпусу, снижают установкой между корпусом и буртом инструмента резинового виброизолятора.

Методика расчета компрессионно-вакуумного ударного механизма [7, 11]. Основными исходными данными для расчета являются энергия удара и частота ударов в минуту регламентируемые обычно соответствующими стандартами. При выборе предударной скорости о необходимо учитывать, что при заданных большим значениям соответствует меньшие сила отдачи и вибрация корпуса машины. Ограничением в выборе предударной скорости служат допустимый габарит ударного механизма (длина), а также ударная прочность материалов бойка и рабочего инструмента (наковальни). По указанным причинам в существующих электрических молотках величина не превышает обычно

Три безразмерных параметра: и коэффициент восстановления скорости бойка определяют динамический режим работы ударного механизма. площадь поршня; атмосферное давление: масса бойка, начальная (когда давление в камере равно атмосферному) длина воздушной подушки, и — соответственно радиус и угловая скорость вращения кривошипа; и -скорости бойка соответственно до и после удара.

Исходя из условия минимизации силы отдачи и габаритов механизма параметр следует выбирать в пределах

Для маломощных машин с энергией удара до для которых максимальная сила отдачи сравнительно невелика и соразмерна с силой нажатия оператора,

значение параметра следует выбирать в интервале Для более мощных машин с энергией удара более значения параметра следует выбирать в интервале Уменьшение ведет к снижению вибрации, но одновременно увеличиваются габариты ударного механизма.

Коэффициент восстановления скорости

Для выбранных безразмерных параметров по рис. 3 определяют безразмерную ударную скорость бойка Далее рассчитывают основные конструктивные параметры ударного механизма.

Расчетная энергия удара бойка где поправочный коэффициент, учитывающий влияние определенных допущений, принятых в математической модели ударного механизма.

Масса бойка

Средняя угловая скорость вращения кривошипа

Начальная длина воздушной подушки

Площадь поршня

Радиус кривошипа

Для расчета масс и формы соударяющихся тел можно воспользоваться работами [1,2] Однако, если размеры и массы соударяющихся деталей примерно одинаковы и ударяемое тело перед ударом неподвижно, для предварительных расчетов можно воспользоваться формулой

где масса пики (наковальни).

Формула (1) справедлива в интервале

При выполнении (2) погрешность (1) не превышает 3% [16].

Условие (2) выполнимо для молотков, где пика имеет сравнительно небольшие размеры. В перфораторах размеры бура могут не удовлетворять условию (2); в этом случае (1) применять нельзя. Однако в перфораторах большинства конструкций между бойком и буром установлена промежуточная масса (наковальня). Отскок бойка происходит в результате удара по наковальне. Масса наковальни много меньше массы бура и удовлетворяет условию (2). В этом случае для подбора массы наковальни можно пользоваться (1).

Электромагнитные ударно-вибрационные ручные машины. Принципиальная конструктивная схема виброзащищенного электромагнитного молотка представлена на рис 4. Здесь же представлены сравнительные силовые характеристики виброзащищенных машин с буферным преобразователем импульсов обратного хода ударника и невиброзагцищенных электромагнитных молотков традиционной конструкции.

В корпусе виброзащищенного электромагнитного молотка установлен ударный узел на эластичной подвеске, имеющий две электромагнитные катушки прямого и обратного хода, магнитопровод, ударник и буферный преобразователь импульсов обратного хода ударника. Кроме того, молоток обычно содержит вентиляторный узел охлаждения катушек, преобразователь для питания катушек и выключатель.

У перфоратора имеется дополнительный привод вращения бура, совмещенный с приводом вентилятора; в передней части машины расположен редуктор, включающий зубчатую передачу и муфту, ограничивающую максимальный реактивный крутящий момент.

При включении выключателя напряжение подается на клеммы обеих катушек электромагнита, но ток в любой момент времени может протекать через обмотку

только одной из них, так как в цепь включены диоды в противоположных направлениях. В один из полупериодов переменного напряжения ток протекает по обмотке передней катушки. Магнитное поле возникает при этом между передними и средними полюсами пакетов. Стальной боек втягивается в магнитное поле, перемещаясь вперед, наносит удар по хвостовику рабочего инструмента, который воздействует на разрушаемый материал. В следующий полупериод первый вентиль заперт, ток в передней катушке отсутствует, но открыт второй вентиль, пропускающий ток через заднюю катушку. Магнитный поток проходит через средние и задние полюса, боек, перемещаясь назад, наносит удар по буферу и, отскакивая от него, движется в сторону рабочего инструмента, а буфер, сжимая пружину, перемещается в противоположную сторону. В этот момент второй диод закрывается и вновь открывается первый диод. Катушка переднего хода втягивает боек вперед, скорость его нарастает до момента удара о хвостовик инструмента.

Рис. 4. Принципиальная конструктивная схема и силовая диаграмма виброзащищенного электромагнитного молотка: 1 — корпус; 2 — тяжелый буфер; 3 — магнитопровод; 4 — электромагнитная катушка обратного хода; 5 — ударник; 6 — электромагнитная катушка прямого хода; 7 — рабочий инструмент, 8 — пружина буфера; 9 — пружина эластичной подвески ударного узла, сила отдача, приложенная к корпусу; полное время цикла; время обратного хода ударника; время прямого хода ударника; сила нажатия усредненная; пассивная виброзащита корпуса отсутствует; в сочетании с пассивной виброзащитой корпуса

При обратном ходе бойка последний соударяется с буфером, который теперь перемещается вперед под действием пружины. Таким образом, буфер передает бойку энергию, накопленную пружиной при обратном ходе бойка. При этом буфер, перемещаясь вперед, не касается переднего упора.

Тяжелый буфер на пружине в виброзащищенных электромагнитных УВРМ играет роль инерционного преобразователя импульса сил отдачи. Массы ударника и буфера а также жесткость пружины последнего выбираются таким образом, что переменная составляющая результирующей сил отдачи которая и вызывает основную вибрацию корпуса машины, существенно снижается. Дополнительная эффективная виброзащита электромагнитных молотков и перфораторов обеспечивается пассивной вибронзоляцией всего корпуса машины путем эластичной подвески ударного узла на пружине

Методика проектного инженерного расчета основных параметров виброзащищенных электромагнитных ударно-вибрационных ручных машин, охватывающая расчет активной части электромагнитного двигателя (ударного узла), буферного устройства, систем охлаждения и виброзащиты, изложена в работе [3].