4. МАШИНЫ С ВРАЩАТЕЛЬНЫМИ УДАРАМИ

Наиболее распространены резьбозавертывающие и сверлильные машины ударно-вращательного действия.

По виду завертываемых крепежных деталей ручные резьбозавертывающие машины делятся на гайковерты, шуруповерты, шпильковерты и муфтоверты, из которых наиболее широко используются ударные гайковерты.

Электрические ударные гайковерты. Наиболее широкое распространение получили ударные гайковерты с винтовым перемещением бойка благодаря простоте конструкции ударного механизма, предотвращающего работу двигателя в тормозном режиме во время удара. До недавнего времени электрические гайковерты разрабатывались только на базе этого механизма (рис. 7). Он имеет боек 5, который рабочими кулачками ударяет по кулачкам 11 наковальни 1. На шпинделе наковальни 3 выполнено средство крепления 2 торцовой головки (ключа). Вращающийся боек может перемещаться и в осевом направлении. Пружина 6 постоянно поджимает его к наковальне.

После установки торцовой головки на затягиваемой гайке (болте) и включения электродвигателя боек 5 и наковальня 1, будучи сцеплены кулачками, вращаются как единое целое и передают на шпиндель вращающий момент от вала редуктора или Двигателя. Как только моменты сопротивления в резьбовой паре превысят некоторую величину, определяемую в основном силой предварительного сжатия пружины и углом наклона спиральных канавок 9 и кулачковых поверхностей, боек отстанет во вращательном движении от приводного вала и в результате взаимодействия шариков, канавок и кулачковых поверхностей переместится в осевом направлении от наковальни, сжимая пружину. Это перемещение продолжится до тех пор, пока не расцепятся кулачки. Далее под действием пружины вращающийся боек переместится по направлению к наковальне до сцепления кулачков. При этом кинетическая энергия вращающегося бойка, в которую преобразовались работа двигателя и накопленная работа деформации пружины, посредством вращательного удара передается наковальне и через торцовую головку — в затягиваемое соединение, где она преобразуется в работу затяжки. Боек и наковальня находятся в контакте до полного

затормаживания, затем они расцепляются; при этом наблюдается отскок бойка. Описываемый процесс периодически повторяется. Отвинчивание происходит аналогично; при этом бойку сообщается вращение в противоположном направлении.

Рис. 7. Ударный механизм гайковерта с винтовым перемещением бойка: а - совместно вращающиеся боек и наковальня; б - процесс расцепления бойка и наковальни; в — боек и наковальня; 1 — наковальня; 2 — средство крепления торцовой головки; 3 — шпиндель; 4 — кулачки бойка; 5 — боек; 6 — пружина; 7 — шарики; 8 — приводной вал; 9 — спиральные канавки; 10 — кулачковые поверхности; 11 — кулачки наковальни

Таким образом, основное назначение ударного механизма независимо от принципиальной схемы и конструктивного исполнения заключается в накоплении энергии вращающихся масс и передаче ее посредством удара в затягиваемое соединение, при этом должна быть обеспечена достаточная по условиям прочности площадь сцепления ударных кулачков бойка и наковальни.

Рис. 8. Принципиальная схема редкоударного гайковерта: 1 — двигатель; 2 — редуктор; 3 — ведущая часть бойка; 4,6 — наклонные поверхности; 5 - боек; 7 — фиксатор, 8 — кулачки ведомой части бойка; 9 — кулачки наковальни; 10 — наковальня; 11 — шпиндель; 12, 13 — пружины, 14, 15 — ведомые части бойка; 16 — центробежные грузы; 17 — муфта

Для тарированной затяжки ответственных резьбовых соединений в СССР созданы принципиально новые полностью вибробезопасные редкоударные гайковерты [6], общими признаками которых являются высокая энергия и малая частота ударов.

Это позволяет в связи с увеличением времени разгона бойка уменьшить мощность двигателя, а следовательно, габаритные размеры и массу машин. Поскольку частота ударов машин, при которой выделяется основная колебательная энергия, существенно уменьшена (0,5-3 Гц, т. е. выведена за пределы, регламентируемые гигиеническими нормами), уровень их виброскорости существенно ииже нормативного. В связи с большими промежутками между ударами снижается уровень шума. Возможность отсчета числа ударов позволяет применять гайковерты для тарированной затяжки.

Редкоударные гайковерты позволяют осуществлять процесс затяжки при малом числе ударов (4—15) с большой энергией, практически не изменяющейся в каждом ударе. С помощью частоударных гайковертов процесс осуществляется за 110—200 ударов, причем энергия меняется от удара к удару.

Редкоударные гайковерты по сравнению с частоударными имеют на порядок большую энергию одного удара, меньшую массу (на 20-40 %), требуют меньшей мощности двигателя (на 15-35 %) и обеспечивают более высокий КПД процесса затяжки (в 2—5 раз).

В редкоударных гайковертах боек 6 (рис. 8, а-в) обычно выполняютсоставным — из ведущей части 3 и ведомых 14, 15 (в зависимости от конструктивного исполнения количество последних может быть различным). Боек разгоняется с помощью двигателя 1 через редуктор 2 (в некоторых конструкциях редуктор может отсутствовать) и муфту 17, обеспечивающую постоянный разгонный момент. На ведущей и одной из ведомых частей бойка выполнены наклонные поверхности 4 и 6, между которыми размещены центробежные грузы 16. Ведомые части подпружинены и могут перемещаться в осевом направлении (вдоль оси X) относительно друг друга и ведущей части бойка. На ведомой части 14 бойка имеются рабочие кулачки 8, взаимодействующие с рабочими кулачками наковальни 9, выполненной за одно целое со шпинделем 11. Ведомые части на определенных этапах работы могут быть сцеплены между собой с помощью фиксатора 7 или разъединены. Это достигается с помощью синхронизирующих элементов (на схеме не показаны), встроенных в механизм.

После включения двигателя начинается разгон бойка. По мере разгона и роста угловой скорости бойка увеличивается центробежная сила, стремящаяся сместить грузы в радиальном направлении. Такой характер работы на первом этапе продолжается до тех пор, пока равнодействующие всех сил, приложенных к грузам, равны нулю. На втором этапе в связи с ростом центробежной силы грузы начинают смещаться в радиальном направлении, при этом наклонная поверхность 4 обусловливает их одновременное перемещение в направлении оси В этом же направлении в результате взаимодействия грузов с наклонной поверхностью 6 начинают перемещаться сцепленные между собой ведомые части бойка, сжимая пружины 13 и 12. В конце второго этапа вступают в работу синхронизирующие элементы, которые в ориентированном положении кулачков бойка и наковальни при определенной угловой скорости бойка расцепляют ведомые части (см. рис. 8, в). На этом заканчивается второй этап.

В третьем этапе ведомая часть 15 под действием пружины 12 движется в обратном направлении (в отрицательном направлении оси X), а ведомая часть 14 под действием неуравновешенных осевых сил при угле поворота у (см. рис. 8, б) перемещается к наковальне на величину, обеспечивающую зацепление рабочих кулачков по полной высоте. Происходит удар, при котором кинетическая энергия вращающегося бойка передается на шпиндель и в затягиваемое резьбовое соединение. В процессе удара боек полностью затормаживается.

В четвертом этапе ведомые части ударника, а также грузы возвращаются под действием пружин в исходное положение. Боек в результате отскока первоначально движется в обратном направлении до соприкосновения его рабочих кулачков с кулачками наковальни, а затем под воздействием разгонного момента изменяет направление вращения, приобретая к концу четвертого этапа некоторую угловую скорость В дальнейшем удары периодически повторяются, механизм работает в описанной последовательности, при этом в отличие от первого во втором и последующих ударных импульсах (циклах) первый этап начинается при начальной угловой скорости бойка

В четвертом этапе в результате обратного удара бойка по наковальне уменьшаются крутильные деформации в затягиваемых соединениях, что увеличивает их несущую способность.

При работе описанного механизма энергия в каждом единичном импульсе имеет постоянное значение вследствие постоянства угловой скорости бойка перед ударом; Так как параметры движения ведомых частей ударника неизменны, то при ударах сохраняется постоянная площадь зацепления рабочих кулачков. Взаимная предварительная ориентация бойка и наковальни исключает появление кромочных ударов.

Основы инженерного расчета ударных электрогайковертов. Методика расчета электрогайковертов с винтовым перемещением бойка базируется на соотношениях, полученных при совместном решении уравнений движения бойка и уравнения связи, налагаемой винтовой канавкой. Эти уравнения имеют вид

где момент инерции и масса бойка; угол поворота и осевое смещение бойка; с — жесткость приводной пружины; у — угол наклона винтовой канавки; средний диаметр винтовой канавки по шарикам.

По конструктивным соображениям устанавливаются следующие параметры ударного механизма: момент инерции бойка масса бойка угол наклона винтовой канавки у, средний диаметр винтовой канавки

На основании решения уравнений (3) и (4) на различных участках движения определяются оптимальная траектория бойка, энергия единичного удара и жесткость приводной пружины.

Жесткость приводной пружины

где полезная мощность двигателя, частота вращения двигателя об/мин; предварительное поджатие пружины; передаточное число редуктора; приводных механизмов. Энергия единичного удара

Здесь собственная частота колебаний бойка

начальная фаза; - начальная скорость бойка; — угловая скорость вращения вала; -коэффициент, учитывающий соотношение между моментами инерции бойка и наковальни; коэффициент, учитывающий переход энергии в немеханические формы вследствие наличия зазоров в системе; число зазоров. Перемещение бойка

Если оно рассчитано верно, то в момент удара происходит зацепление кулачков бойка и наковальни на заданную высоту.

Общие основы инженерного расчета редкоударных гайковертов приведены в работе [6].

Пневматические ударные гайковерты. В серийно выпускаемых промышленностью пневматических гайковертах нашли применение ударно-вращательные механизмы четырех основных типов:

I — плоский с одиим качающимся бойком и силовым замыканием бойка и наковальни;

II — плоский с двумя качающимися бойками и силовым замыканием бойка и наковальни; по принципу действия аналогичен пространственный с кинематическим замыканием бойка и наковальни;

IV — пространственный с силовым замыканием бойка и наковальни (с винтовым перемещением бойка).

Наилучшие энергетические и эксплуатационные параметры имеют ппевмогайковерты типа III, однако эта конструкция сложна и дорога в изготовлении.

Рис. 9. Вибробезопасный ударный механизм пнев-могайковертов: 1 — шпиндель; 2 — корпус; 3 — стакан; 4 — радиальный палец-поводок; 5 — боек; 6 — пружина; 7 — ролик; 8 — кулачковый валик

Наиболее распространен механизм типа Он прост по конструкции, имеет сравнительно небольшую стоимость. Однако у плоских ударных механизмов вращающийся боек неуравновешен и совершает односторонний крутильный удар в плоскости перпендикулярной к оси шпинделя. В этой же плоскости такие механизмы имеют повышенные уровни вибрации.

В последние годы в СССР созданы новые вибробезопасные ппевмогайковерты, ударный механизм которых не создает повышенной вибрации вследствие [8] отсутствия кромочного удара; нанесения ударов через угол поворота бойка существенного уменьшения массы бойка, участвующей в возвратно-поступательном движении, при сравнительно большом моменте инерции всего ударника; замыкания реактивного ударного импульса на корпусе ударно-вращательного механизма без передачи его на привод и корпус машины.

Вибробезопасный ударный механизм (рис. 9) состоит из шпинделя 1, кулачкового валика 8, бойка 5, пружины 6 и стакана 3. Боек и стакан представляют собой узел ударника. На торце шпинделя имеются два кулачка, взаимодействующие с аналогичными кулачками бойка. Боек находится внутри стакана. Боек и стакан соединены между собой с помощью трех роликов 7. Такая конструкция обеспечивает осевое перемещение бойка в стакане и их совместное вращение. В бойке установлен радиальный палец-поводок 4, который контактирует под действием пружины со спиральным выступом валика. Синхронизация ввода кулачков бойка в зацепление с кулачками шпинделя обеспечивается вилками валика, охватывающими кулачки шпинделя.

От вала ротора реверсивного пневмодвигателя через шлицевое соединение вращение передается на стакан ударного механизма. Стакан с бойком начинают вращаться, одновременно боек перемещается в осевом направлении, и его кулачки входят в зацепление с кулачками шпинделя. При отсутствии сопротивления завинчиванию шпиндель начинает вращаться со стаканом и бойком, который удерживается в зацеплении усилием пружины. При появлении достаточного сопротивления завинчиванию палец-поводок преодолевает сопротивление пружины и начинает обкатываться по спиральному выступу валика. Боек выходит из зацепления, механизм начинает работать в ударном режиме, производится затяжка резьбового соединения. Стакан с бойком при остановленных шпинделе и валике начинают вращаться,

происходит накопление кинетической энергии. Боек перемещается в осевом направлении под действием пальца-поводка, обкатывающегося по спиральному выступу валика, в результате кулачки бойка и шпинделя зацепляются. Происходит удар, и кинетическая энергия бойка, стакана и ротора пневмодвигателя переходит в ударный импульс.

Цикл работы механизма от разгона пневмодвигателя до удара происходит за угол поворота ударника (бойка со стаканом). Цикл заканчивается полной остановкой пневмодвигателя с ударником и отскоком обратную сторону на угол 15—20° в зависимости от жесткости резьбового соединения. Удары бойка по наковальне наносятся периодически с частотой ударов в минуту.

В отличие от конструкции механизма типа III, в которой возвратная пружина замкнута через шпиндель на корпус гайковерта, что обусловливает передачу вибрации на корпус и соответственно на руки оператора, в рассматриваемом механизме пружина установлена в ударнике. Закрепление бойка в стакане посредством игольчатых роликов, допускающее осевое перемещение ударника относительно стакана, позволяет снижать ударный импульс, передаваемый в процессе соударения с наковальни на ударник, благодаря наличию сил трения между поверхностями игольчатых роликов и соответствующими пазами в ударнике и стакане. Таким образом, передаваемый на корпус машины реактивный импульс будет меньше, следовательно, и ниже уровень вибрации гайковерта. Основы инженерного расчета пневмогайковертов приведены в работе [5].

Ударно-вращательные сверлильные машины (УВСМ) - универсальные ручные машины, предназначенные для образования отверстий в различных материалах (стали, пластмассе, дереве, кирпиче, бетоне и т. д.). УВСМ работает в режиме непрерывного вращения шпинделя с периодическими осевыми ударами или без них. Осевые удары через шпиндель машины, закрепленный на нем на резьбе сверлильный патрон и рабочий инструмент (твердосплавное сверло) передаются обрабатываемому материалу (бетон и другие стройматериалы), что способствует повышению производительности и стойкости инструмента в 2—3 раза по сравнению со сверлением без ударов. Номенклатура УВСМ составляет 40% от всей номенклатуры сверлильных машин.

Основным параметром УВСМ является наибольший диаметр образуемого отверстия в стальной детали. Распространение получили УВСМ с наибольшим диаметром сверла 8, 10, 13 и 16 мм.

Указанный выше ряд УВСМ соответствует диаметрам сверл для работы по бетону 10, 13, 16, 20 и 30 мм (диаметр хвостовика твердосплавного сверла соответствует диаметру сверла по стали).

УВСМ - многоскоростные машины, имеющие два, реже четыре, фиксированных диапазона скоростей. Зарубежные фирмы выпускают машины с электронными устройствами для плавного или ступенчатого регулирования частоты вращения шпинделя в пределах каждого частотного диапазона. Ударный механизм выполнен в виде торцовой кулачковой муфгы (трещетки); одна из полумуфт (наковальня) закреплена на шпинделе, а другая (ударник) — в корпусе редуктора машины. Осевой импульс зависит от усилия подачи, осуществляемого оператором. Такая схема ударного механизма, применяемая в различных модификациях зарубежных УВСМ, хотя и способствует уменьшению массы и габаритов машины, однако является источником существенной вибрации, что исключает их применение в СССР (превышение уровня вибрации над действующими в СССР нормами достигает 20-25 дБ).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

(см. скан)

(см. скан)