Перфоратор

 

Изобретение относится к горной промышленности, в частности к компресионно-вакуумным машинам ударного действия. Сущность изобретения: перфоратор содержит полый корпус, полый шпиндель, ствол, боек и поршень для перемещения бойка. Шпиндель установлен внутри корпуса с возможностью вращения и кинематически связан с приводным валом. Поршень кинематически связан с приводным валом и размещен в стволе. Боек установлен в стволе с возможностью осевого перемещения. Ствол коаксиально расположен внутри шпинделя. Кинематическая связь поршня с приводным валом выполнена в виде кулачка, тела качения и фигурной выемки для размещения в ней с геометрическим замыканием части тела качения. Кулачок расположен между стволом и шпинделем и закреплен на последнем. Кулачок установлен с возможностью взаимодействия с телом качения. Ствол имеет продольный сквозной паз. Тело качения установлено в продольном сквозном пазу ствола с возможностью осевого перемещения. Фигурная выемка расположена на наружной боковой поверхности поршня. Приводной вал и ствол расположены соосно. 11 з. п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к горной промышленности и строительству, в частности к компрессионно-вакуумным машинам ударного действия, может быть использовано при разрушении горных пород и искусственных материалов, а также при образовании выработок в горном массиве.

Известен перфоратор, включающий полый корпус, приводной вал, ствол, установленный в стволе боек для нанесения ударов по рабочему инструменту, связанный с бойком посредством воздушной подушки поршень и кинематически связанный с поршнем и с приводным валом промежуточный вал [1] В перфораторе известной конструкции промежуточный вал расположен параллельно продольной оси ствола и на нем размещена эксцентриковая цапфа, которая приводит в движение поршень. Такое компановочное решение приводит к увеличению массогабаритных показателей перфоратора и усложняет его конструкцию. При этом наличие несбалансированных вращающихся масс приводит к ухудшению условий работы оператора за счет повышенной вибрации корпуса перфоратора в эксплуатационных условиях.

Наиболее близким по технической сущности и получаемому техническому результату является перфоратор, содержащий полый корпус, установленный во внутренней полости корпуса с возможностью вращения и кинематически связанный с приводным валом полый шпиндель для передачи вращающего момента на рабочий инструмент, установленный с возможностью осевого перемещения боек для нанесения ударов по рабочему инструменту и кинематически связанный с приводным валом поршень для перемещения бойка [2] К недостаткам конструкции известного перфоратора можно отнести наличие неуравновешенных вращающихся масс, которые передают вибрацию на корпус перфоратора и, следовательно, ухудшают условия работы обслуживающего персонала. Кроме того, компоновочная схема известного перфоратора предусматривает использование пары конических шестерен, которые обеспечивают передачу вращающего момента на шпиндель, и кривошипного механизма для привода поршня, что ухудшает массогабаритные показатели перфоратора и усложняет конструкцию последнего.

Цель изобретения создание перфоратора, который имеет небольшую массу и габариты при одновременной простоте конструкции, а также обеспечивает снижение вредного воздействия вибрации на оператора за счет сокращения неуравновешенных вращающихся масс.

Цель достигается тем, что перфоратор, содержащий полый корпус, установленный во внутренней полости корпуса с возможностью вращения и кинематически связанный с приводным валом полый шпиндель для передачи вращающего момента на рабочий инструмент, установленный с возможностью осевого перемещения боек для нанесения ударов по рабочему инструменту и кинематически связанный с приводным валом поршень для перемещения бойка, имеет коаксиально расположенный внутри шпинделя ствол с продольным сквозным пазом, а кинематическая связь поршня с приводным валом выполнена в виде кулачка, тела качения и расположенной на наружной боковой поверхности поршня фигурной выемки для размещения в ней с геометрическим замыканием части тела качения, при этом кулачок расположен между стволом и шпинделем, закреплен на последнем и установлен с возможностью взаимодействия с телом качения, а тело качения установлено в продольном сквозном пазу ствола с возможностью осевого перемещения, причем боек и поршень размещены в стволе, а приводной вал и ствол расположены соосно.

Кроме того, цель достигается за счет того, что кинематическая связь шпинделя с приводным валом выполнена в виде планетарного редуктора, одно из центральных колес которого установлено на приводном валу, а водила планетарного редуктора жестко соединены с корпусом перфоратора, что обеспечивает уменьшение габаритов последнего в поперечном сечении.

Кроме того, цель достигается за счет того, что второе центральное колесо планетарного редуктора кинематически связано со шпинделем.

Кроме того, цель достигается за счет того, что второе центральное колесо планетарного редуктора закреплено на шпинделе.

Кроме того, цель достигается за счет того, что ствол жестко соединен с корпусом перфоратора.

Кроме того, цель достигается за счет того, что ствол установлен с возможностью вращения вокруг своей продольной оси и кинематически связан с приводным валом, что обеспечивает увеличение частоты передачи ударного импульса на рабочий инструмент.

Кроме того, цель достигается за счет того, что кинематическая связь ствола с приводным валом выполнена в виде жестко соединенного со стволом зубчатого колеса, которое кинематически связано с центральным зубчатым колесом планетарного редуктора, которое кинематически связано со шпинделем, что позволяет уменьшить число кинематических пар, передающих вращающий момент на ствол и, следовательно, снизить массу перфоратора.

Кроме того, цель достигается за счет того, что кинематическая связь зубчатого колеса с центральным зубчатым колесом планетарного редуктора выполнена в виде промежуточного зубчатого колеса.

Кроме того, цель достигается за счет того, что тело качения имеет форму шара, что позволяет повысить надежность работы перфоратора и повысить коэффициент полезного действия ударного механизма.

Кроме того, цель достигается за счет того, что кулачок выполнен в виде втулки с расположенной на ее внутренней поверхности фигурной выемкой для размещения в ней с геометрическим замыканием части тела качения, что позволяет снизить количество неуравновешенных вращающихся масс.

Кроме того, цель достигается за счет того, что он имеет по меньшей мере одно дополнительное тело качения, а ствол выполнен с по меньшей мере одним дополнительным продольным сквозным продольным пазом для размещения дополнительного тела качения, при этом поршень выполнен с расположенным на его наружной боковой поверхности по меньшей мере одним продольным пазом для размещения дополнительного тела качения, причем дополнительное тело качения установлено в дополнительном сквозном пазу ствола и в продольном пазу поршня с возможностью ограниченного осевого перемещения и взаимодействия с кулачком, что позволит увеличить ресурс работы перфоратора за счет снижения возможности заклинивания поршня при его возвратно-поступательном перемещении в стволе.

Кроме того, цель достигается за счет того, что основной и дополнительные продольные сквозные пазы расположены равномерно по периметру ствола.

На фиг.1 изображен перфоратор, продольный разрез; на фиг.2 кинематическая схема привода шпинделя при неподвижном стволе; на фиг.3 кинематическая схема привода шпинделя при вращающемся стволе; на фиг.4 разрез А-А на фиг.1.

Перфоратор содержит полый корпус 1, во внутренней полости которого установлен с возможностью вращения на подшипниках 2 полый шпиндель 3 для передачи вращающего момента на рабочий инструмент (не показан). На переднем конце шпинделя 3 расположена полость 4 для размещения узла крепления рабочего инструмента. Шпиндель 3 кинематически связан с приводным валом 5, который в свою очередь кинематически связан, например, через муфту 6 с выходным валом 7 двигателя 8 (фиг.2 и 3). В качестве двигателя 8 может быть использован электродвигатель, пневмодвигатель или гидродвигатель. Двигатель 8 может быть размещен во внутренней полости корпуса 1 или расположен вне корпуса 1. Внутри шпинделя 3 коаксиально расположен полый ствол 9 с продольным сквозным пазом 10 и с системой компенсационных отверстий (не показаны). Во внутренней полости ствола 9 установлен с возможностью осевого перемещения боек 11 для нанесения ударов по рабочему инструменту, например, через промежуточный боек 12. Во внутренней полости ствола 9 установлен с возможностью осевого перемещения поршень 13 для перемещения бойка 11. Поршень 13 связан с бойком 11 посредством воздушной подушки 14 и кинематически связан с приводным валом 5. Кинематическая связь поршня 13 с приводным валом 5 выполнена в виде кулачка 15, тела качения 16 и расположенной на наружной боковой поверхности поршня 13 фигурной выемки 17 для размещения в ней с геометрическим замыканием части тела качения 16. Кулачок 15 расположен между стволом 9 и шпинделем 3, закреплен на последнем и установлен с возможностью взаимодействия с телом качения 16 своим рабочим профилем. Тело качения 16 установлено в продольном сквозном пазу 10 ствола 9 с возможностью ограниченного осевого перемещения. Приводной вал 5 и ствол 9 расположены соосно.

Кинематическая связь шпинделя 3 с приводным валом 5 может быть выполнена, например, в виде цилиндрического редуктора (не показан) или в виде зубчатой муфты (не показана). Наиболее предпочтительным является выполнение кинематической связи шпинделя 3 с приводным валом 5 в виде планетарного редуктора с двумя центральными зубчатыми колесами 18 и 19, с сателлитами 20 и с водилами 21. При этом целесообразно одно из центральных колес 18 установить на приводном валу 5, а водила 21 планетарного редуктора жестко соединить с корпусом 1 перфоратора.

При указанном выше варианте конструктивного выполнения кинематической связи шпинделя 3 с приводным валом 5 целесообразно второе центральное колесо 19 планетарного редуктора кинематически связать со шпинделем 3. При этом кинематическая связь второго центрального колеса 19 со шпинделем 3 может быть выполнена, например, в виду зубчатой муфты (не показана) или шлицевого соединения 22 (фиг.3).

Второе центральное колесо 19 планетарного редуктора может быть закреплено на шпинделе 3 (фиг.2), то есть шпиндель 3 и центральное колесо 19 планетарного редуктора могут быть выполнены за одно целое.

Ствол 9 может быть жестко соединен с корпусом 1 (фиг.2). Для обеспечения возможности беспрепятственного вращения шпинделя 3 относительно неподвижного ствола 9 между шпинделем 3 и стволом 9 могут быть размещены подшипники 23.

Ствол 9 может быть установлен с возможностью вращения вокруг своей продольной оси и кинематически связан с приводным валом 5 может быть выполнена в виде дополнительного промежуточного редуктора (не показан). Наиболее целесообразным представляется выполнение кинематической связи ствола 9 с приводным валом 5 в виде закрепленного на стволе 9 зубчатого колеса 24, которое кинематически связано с центральным колесом 19 планетарного редуктора.

Кинематическая связь зубчатого колеса 24 с центральным зубчатым колесом 19 планетарного редуктора может быть выполнена в виде промежуточного зубчатого колеса 25, которое установлено с возможностью вращения на неподвижной оси, закрепленной на корпусе 1. В качестве неподвижной оси для промежуточного зубчатого колеса 25 может быть использовано одно из водил 21 планетарного редуктора.

В качестве тела качения 16, обеспечивающего передачу осевого усилия на поршень 13, может быть использовано любое симметричное тело вращения, например, цилиндрической или бочкообразной формы. Наиболее предпочтительным является вариант конструктивного выполнения, при котором тело качения 16 имеют форму шара. В этом случае целесообразно чтобы поверхность стенок фигурной выемки 17 на боковой поверхности поршня 13 имела сферическую форму, что обеспечит наиболее полное геометрическое замыкание тела качения 16 в указанной выемке 17.

Кулачок 15 выполнен с замкнутым рабочим профилем, обеспечивающим возвратно-поступательное перемещение выходного звена поршня 13, то есть при полном обороте кулачка 15 совместно с шпинделем 3 вокруг своей продольной оси на 360^о поршень 13 смещается по продольной оси ствола 9 на заданную величину, которая определяется рабочим профилем кулачка 15, и возвращается после этого в исходное положение.

Кулачок 15 может иметь разнообразное конструктивное выполнение. Наиболее целесообразным представляется выполнение кулачка 15 в виде втулки (фиг.1) с расположенной на ее внутренней поверхности фигурной выемкой 26 для размещения в ней с геометрическим замыканием части тела качения 16. Фигурная выемка 26 при этом имеет кольцевую форму и ее продольная ось симметрии расположена под углом к продольной оси втулки. Втулка может быть выполнена из двух частей 27 и 28 (фиг.1), что упрощает технологию изготовления фигурной выемки 26. В этом случае фигурная выемка 26 образована фигурными расточками, которые выполнены на обращенных друг к другу торцах частей 27 и 28 втулки. При сборке частей 27 и 28 втулки фигурные расточки образует фигурную канавку 26, которая является рабочим профилем кулачка 15.

Для снижения вероятности заклинивания поршня 13 при его возвратно-поступательном перемещении в стволе 9 из-за внецентренной передачи осевого усилия на поршень 13 ствол 9 может быть выполнен с по меньшей мере одним дополнительным продольным сквозным пазом 29 для размещения дополнительного тела качения 30. В этом случае поршень 13 выполнен с расположенным на его наружной боковой поверхности по меньшей мере одним продольным пазом 31 для размещения части соответствующего дополнительного тела качения 30. Дополнительное тело качения 30 установлено в дополнительном сквозном пазу 29 ствола 9 и в продольном пазу 31 поршня 13 с возможностью ограниченного осевого перемещения и взаимодействия с рабочим профилем кулачка 15.

Наиболее целесообразным является равномерное размещение основного продольного сквозного паза 10 и дополнительного продольного сквозного паза 29 по периметру ствола 9. Так, если ствол 9 выполнен с одним дополнительным продольным сквозным пазом 29, то последний должен быть расположен оппозитно относительно основного продольного сквозного паза 10 фиг.1 и 4). Наиболее предпочтительным является вариант конструктивного выполнения перфоратора, при котором ствол 9 имеет два дополнительных продольных сквозных паза 29 для размещения соответственно двух дополнительных тел качения 30 (не показано). В этом случае основной и дополнительные продольные сквозные пазы 10 и 29 смещены относительно друг друга на 120^о по периметру ствола 9.

Перфоратор работает следующим образом.

При нажатии на пусковое приспособление (не показано) выходной вал 7 двигателя 8 через муфту 6 приводит во вращение приводной вал 5. Вращающий момент от приводного вала 5 передается через закрепленное на нем центральное зубчатое колесо 18 планетарного редуктора на сателлиты 20 планетарного редуктора и далее на второе центральное зубчатое колесо 19 планетарного редуктора. Поскольку второе центральное зубчатое колесо 19 планетарного редуктора кинематически связано со шпинделем 3 или закреплено на последнем, то шпиндель 3 так же начинает вращаться вокруг своей продольной оси относительно корпуса 1. Рабочий инструмент, расположенный в полости 4 и соединенный со шпинделем 3 посредством узла крепления рабочего инструмента, например, посредством шпоночного соединения (не показано) вращается вместе со шпинделем 3. Таким образом осуществляется передача вращающего момента от двигателя 8 на рабочий инструмент.

Одновременно со шпинделем 3 во вращение приводится и закрепленный на нем кулачок 15, который воздействует на тело качения 16 своим рабочим профилем и по мере поворота вокруг своей продольной оси заставляет перемещаться тело качения 16 в продольном сквозном пазу 10 ствола 9. При этом продольный сквозной паз 10 в стволе 9 выполняет функции направляющих для тела качения 16, обеспечивая перемещение последнего в определенном направлении. Поскольку часть тела качения 16 размещена с геометрическим замыканием в фигурной выемке 17 на наружной боковой поверхности поршня 13, то совместно с телом качения 16 начнет перемещаться в осевом направлении и поршень 13. Поршень 13 через воздушную подушку 14 воздействует на боек 11, который будет перемещаться в стволе 9 в том же направлении, что и поршень 13. Перемещаясь по стволу 9, боек 11 наносит удар через промежуточный боек 12 по рабочему инструменту. При дальнейшем повороте кулачка 15 вокруг своей продольной оси совместно с шпинделем 3 тело качения16 перемещается по рабочему профилю кулачка 15 в обратном направлении, и в образованной воздушной подушкой 14 полости возникает разряжение, что приводит к перемещению бойка 11 в исходное положение перед нанесением следующего удара по рабочему инструменту. Подпитка образованной воздушной подушкой 14 полости может быть осуществлена известным образом через систему компенсационных отверстий. Таким образом, при вращении шпинделя 3 в образованной воздушной подушкой 14 полости периодически возникают импульсы давления воздуха, которые чередуются с разряжением в указанной полости, что заставляет боек 11 возвратно-поступательно перемещаться в стволе 9 и наносить удары по рабочему инструменту.

При варианте конструктивного выполнения перфоратора со стволом 9, который жестко соединен с корпусом 1 перфоратора (фиг.2), частота нанесения ударов бойком 11 по рабочему инструменту соответствует частоте вращения шпинделя 3, т.е. за один полный оборот шпинделя 3 боек 11 нанесет один удар по рабочему инструменту.

В зависимости от скоростной характеристики используемого двигателя 8 обеспечение необходимой частоты нанесения ударов по рабочему инструменту может потребовать использования сложного планетарного редуктора, обеспечивающего вращение шпинделя 3 со скоростью, соответствующей физико-механическим характеристикам разрушаемого материала. Для снижения массогабаритных показателей перфоратора или увеличения частоты передачи ударного импульса на рабочий инструмент ствол 9 может быть установлен с возможностью вращения вокруг своей продольной оси и кинематически связан с приводным валом 5. В этом случае вращающий момент от центрального зубчатого колеса 19 планетарного редуктора непосредственно через зубчатое колесо 24 или через промежуточное зубчатое колесо 25 и зубчатое колесо 24 передается на ствол 9 (фиг.3). При этом ствол 9 начинает вращаться вокруг своей продольной оси внутри шпинделя 3. Следует отметить, что направление вращения ствола 9 может совпадать или не совпадать с направлением вращения шпинделя 3, что осуществляется подбором числа кинематических пар зубчатых колес, участвующих в передаче вращающего момента соответственно на шпиндель 3 и ствол 9. Если направления вращения шпинделя 3 и ствола 9 не совпадают, то линейная скорость перемещения тела качения 16 относительно ствола 9 увеличивается и поршень 13 совершает возвратно-поступательное перемещение в стволе 9 с большей частотой, чем в случае конструктивного выполнения перфоратора с неподвижным стволом 9. Таким образом, частота нанесения ударов бойком 11 по рабочему инструменту увеличивается.

Если направление вращения шпинделя 3 и ствола 9 совпадают, то линейная скорость перемещения тела качения 16 по рабочему профилю кулачка 15 уменьшается и частота возвратно-поступательных перемещений поршня 13 снижается по сравнению с перфоратором, у которого ствол 9 жестко соединен с корпусом 1, т.е. частота нанесения ударов бойком 11 по рабочему инструменту уменьшается.

При варианте конструктивного выполнения перфоратора с дополнительными телами качения 30 работа перфоратора не будет отличаться от описанной выше. При этом следует отметить, что дополнительные тела качения 30 не будут участвовать в процессе преобразования вращательного движения шпинделя 3 в возвратно-поступательное перемещение поршня 13. Дополнительные тела качения 30 выполняют функцию опор, снижающих вероятность заклинивания поршня 13 при его возвратно-поступательном перемещении в стволе 9 из-за внецентренной передачи усилия на поршень 13. При перемещении поршня 13 дополнительные тела качения 30 осуществляют перекатывание в соответствующих дополнительных продольных сквозных пазах 29 ствола 9 по продольным пазам 31 в поршне 13, не передавая усилия, но обеспечивая центрирование поршня 13 относительно ствола 9.

Формула изобретения

1. ПЕРФОРАТОР, включающий полый корпус, установленный во внутренней полости корпуса с возможностью вращения и кинематически связанный с приводным валом полый шпиндель для передачи вращающего момента на рабочий инструмент, установленный с возможностью осевого перемещения боек для нанесения ударов по рабочему инструменту и кинематически связанный с приводным валом поршень для перемещения бойка, отличающийся тем, что он имеет коаксиально расположенный внутри шпинделя ствол с продольным сквозным пазом, а кинематическая связь поршня с приводным валом выполнена в виде кулачка, тела качения и расположенной на наружной боковой поверхности поршня фигурной выемки для размещения в ней с геометрическим замыканием части тела качения, при этом кулачок расположен между стволом и шпинделем, закреплен на последнем и установлен с возможностью взаимодействия с телом качения, а тело качения установлено в продольном сквозном пазу ствола с возможностью осевого перемещения, причем боек и поршень размещены в стволе, а приводной вал и ствол расположены соосно.

2. Перфоратор по п.1, отличающийся тем, что кинематическая связь шпинделя с приводным валом выполнена в виде планетарного редуктора, одно из центральных колес которого установлено на приводном валу, а водила планетарного редуктора жестко соединена с корпусом.

3. Перфоратор по п.2, отличающийся тем, что второе центральное колесо планетарного редуктора кинематически связано со шпинделем.

4. Перфоратор по п.2, отличающийся тем, что второе центральное колесо планетарного редуктора закреплено на шпинделе.

5. Перфоратор по одному из пп.1 - 4, отличающийся тем, что ствол жестко соединен с корпусом перфоратора.

6. Перфоратор по одному из пп.1 - 4, отличающийся тем, что ствол установлен с возможностью вращения вокруг своей продольной оси и кинематически связан с приводным валом.

7. Перфоратор по п.6, отличающийся тем, что кинематическая связь ствола с приводным валом выполнена в виде закрепленного на стволе зубчатого колеса, при этом зубчатое колесо кинематически связано с центральным зубчатым колесом планетарного редуктора, которое кинематически связано со шпинделем.

8. Перфоратор по п.7, отличающийся тем, что кинематическая связь закрепленного на стволе зубчатого колеса с центральным зубчатым колесом планетарного редуктора выполнена в виде промежуточного зубчатого колеса.

9. Перфоратор по одному из пп.1 - 8, отличающийся тем, что тело качения имеет форму шара.

10. Перфоратор по пп.1 - 9, отличающийся тем, что кулачок выполнен в виде втулки с расположенной на ее внутренней поверхности фигурной выемкой для размещения в ней с геометрическим замыканием части тела качения.

11. Перфоратор по одному из пп.1 - 9, отличающийся тем, что он имеет по меньшей мере одно дополнительное тело качения, а ствол выполнен с по меньшей мере одним дополнительным продольным сквозным пазом для размещения дополнительного тела качения, при этом поршень выполнен с по меньшей мере одним расположенным на его наружной боковой поверхности продольным пазом для размещения части соответствующего дополнительного тела качения, причем дополнительное тело качения установлено в дополнительном сквозном пазу ствола и продольном пазу поршня с возможностью ограниченного осевого перемещения и взаимодействия с кулачком.

12. Перфоратор по п.11, отличающийся тем, что основной и дополнительный продольные сквозные пазы расположены равномерно по периметру ствола.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4