Пневмоударная машина с независимым вращением инструмента

 

Изобретение относится к горной промышленности, а именно к технике бурения шпуров и скважин. В пневмоударной машине с независимым вращением инструмента соединение статора, ротора и шпинделя выполнено косозубым с наклоном зубьев в сторону направления вращения, кулачковое соединение шпинделя и буксы выполнено с трапецеидальным наклоном боковых поверхностей кулачков с упором торцевых поверхностей и зазорами по боковым контактным поверхностям, соединение буксы и хвостовика инструмента выполнено с наклоном в сторону вращения продольных поверхностей, передающих вращение, при этом торцевые поверхности зубьев ротора выполнены коническими с углом образующей к радиусу до 0^o30'. Изобретение обеспечивает повышение эксплуатационной надежности машины. 7 ил.

Изобретение относится к горной промышленности, а именно к технике бурения шпуров и скважин.

Известна буровая машина ударного действия, включающая ударный механизм и вращатель (см. а.с. СССР 277677, кл. Е 21 С 3/24, 1969 г.).

Недостатками известной буровой машины являются повышенная вибрация корпуса и низкая надежность двигателя.

Наиболее близким решением к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является пневмоударная машина с независимым вращением инструмента, включающая пневмоударный механизм и гипоциклоидный вращатель, состоящий из статора, ротора, шпинделя, передней и задней крышек, буксы и хвостовика инструмента (Васильев В.Н., Перфораторы. М.: - Недра, 1989, с. 52-54).

Поскольку все детали двигателя, включая хвостовик инструмента, имеют поверхности, передающие вращение, параллельные оси, а упорные поверхности хвостовика инструмента, буксы, шпинделя, задней крышки, радиальны, то они воспринимают и передают на двигатель и корпус машины обратные осевые удары от штанги. Поэтому известная машина также имеет повышенную вибрацию и низкую надежность двигателя.

Задачей предлагаемого технического решения является снижение виброактивности и повышение эксплуатационной надежности машины.

Техническое решение достигается тем, что в пневмоударной машине с независимым вращением инструмента, включающей пневмоударный механизм и гипоциклоидный вращатель, состоящий из кинематически связанных статора, ротора, шпинделя, буксы, взаимодействующей со шпинделем посредством торцевого кулачного соединения и хвостовика инструмента, соединенного с буксой шестигранными и упорными поверхностями, передней и задней крышек с цилиндрическими и торцевыми упорными поверхностями для посадки шпинделя, соединение статора, ротора и шпинделя выполнено косозубым с наклоном зубьев в сторону направления вращения, кулачковое соединение шпинделя и буксы выполнено с трапецеидальным наклоном боковых поверхностей кулачков с упором торцевых поверхностей и зазорами по боковым контактным поверхностям, соединение буксы и хвостовика инструмента выполнено с наклоном в сторону вращения продольных поверхностей, передающих вращение, при этом торцевые поверхности зубьев ротора выполнены коническими с углом образующей к радиусу до 0^o30', а цилиндрические посадочные поверхности крышек и вала шпинделя выполнены двухступенчатыми с образованием между ступенями замкнутых кольцевых полостей, заполненных густой смазкой.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 показан в разрезе общий вид пневмоударной машины; на фиг.2 - поперечный разрез А-А машины в зоне взаимодействия кулачкового соединения шпинделя и буксы; на фиг.3 показан развернутый в плоскость вид сбоку на кулачковое соединение шпинделя и буксы и схемы действия сил в моменты времени до прямого удара (а), после удара - разъединение поверхностей, передающих вращение (в) в момент начала соединения поверхностей, передающих вращение под действием реактивных сил (с); на фиг. 4, 5 - схема выполнения конических торцевых поверхностей зубьев ротора гипоциклоидного вращателя; на фиг. 6, 7 представлен эскиз хвостовика инструмента и схема действия сил для варианта шлицевого соединения с буксой или шпинделем двигателя.

Предлагаемая пневмоударная машина (фиг.1) включает цилиндр 1 с каналом 2 для подачи воздуха от воздухораспределительного устройства (на чертежах не показано) в камеру 3 холостого хода с каналом 4 для питания вращателя и выхлопным каналом 5, ударника 6, задней крышки 7 и передней крышки 8, между которыми расположен гипоциклоидный вращатель.

Гипоциклоидный вращатель состоит из статора 9, ротора 10 с воздухораспределительным устройством 11, шпинделя 12, взаимодействующего с буксой 13 посредством кулачкового соединения 14, хвостовика инструмента 15 с опорным буртиком 16.

Статор 9 и ротор 10 взаимодействуют между собой посредством косозубой цилиндрической передачи 17 с наклоном зубьев в сторону вращения (обкатывания) ротора 10 (инструмента 15). Поскольку рабочие поверхности зубьев образуют в сечении с цилиндрической поверхностью винтовые линии, то при правом вращении инструмента направление винтовых линий левое и наоборот.

Ротор 10 и шпиндель 12 также взаимодействуют посредством косозубой цилиндрической передачи 18 с наклоном зубьев в сторону вращения (при правом вращении - левые винтовые линии и наоборот). Поскольку эта передача шарнирная и предназначена для преобразования планетарного движения ротора 10 в осевое вращательное движение шпинделя 12, контактирующие зубья этой передачи постоянно диаметрально противоположны контактирующим между собой зубьям ротора 10 и статора 9, что устраняет перекос ротора 10.

Задняя крышка 7 имеет кольцевой воздухораспределительный буртик 19, торец которого расположен в плоскости торца цилиндра 1 и контактирует с воздухораспределительным торцем 20 ротора 10.

Опора скольжения (вращения) шпинделя 12 с крышкой 7 выполнена двухступенчатой с образованием между посадочными ступенями замкнутой кольцевой полости 21, передняя опора скольжения шпинделя 12 с крышкой 8 также двухступенчатая с образованием замкнутой кольцевой полости 22. Обе полости заполнены густой смазкой.

Передняя крышка 8 имеет выхлопной канал 23 вращателя и опору 24 для посадки буксы 13.

Кулачковое соединение 14 шпинделя 12 и буксы 13, при указанном на фиг.2 правом направлении вращения, осуществляется контактирующими, наклоненными в сторону вращения радиальными поверхностями 24 и упорными торцами 25 (фиг.3).

Соединение буксы 13 и хвостовика инструмента 15 осуществляется посредством шестигранной винтовой поверхности 26 (фиг.1, 2) с наклоном образующих в сторону вращения, т.е. при правом направлении вращения - левый винтовой шестигранник и наоборот.

Соединение буксы 13 и хвостовика инструмента 15 может быть выполнено посредством косозубой шлицевой передачи (фиг.6) с наклоном шлицев также в сторону вращения. Передача вращения в этом случае осуществляется поверхностями 24, а осевая нагрузка - упорными торцами 25 (пазы буксы показаны).

Торцевые поверхности косозубой цилиндрической передачи 17 ротора 10 выполнены коническими с углом образующей к радиусу до 0^o30^' (фиг.5) для уменьшения трения скольжения торцевых поверхностей ротора с соответствующими поверхностями передней 8 и задней 7 крышек. Ограничение угла конуса торцев зубьев величиной 0^o30^' обеспечивает, с одной стороны, устранение контакта торцев с крышками, а с другой стороны - уменьшение утечки воздуха через конический зазор.

Пневмоударная машина работает следующим образом.

Сжатый воздух во вращатель поступает по каналу 4 в кольцевой канал крышки 7, который периодически взаимодействует с воздухораспределительным устройством 11 ротора 10 (фиг.1). Далее, через радиальные отверстия ротора 10 (на чертежах не показаны) воздух поступает в рабочую камеру вращателя, образованную косозубой цилиндрической передачей 17 статора и ротора 10, отжимая последний в радиальном направлении, благодаря чему рабочие полости одной половины вращателя наполняется сжатым воздухом, а другой половины, посредством воздухораспределительного буртика 19 и через выхлопной канал 23, сообщаются с атмосферой. Ротор 10 поворачивается вокруг контактирующих зубьев статора 9 на некоторый угол. При этом поворачивается также рабочая и выхлопная камеры вращателя, в контакт вступают соседние зубья и ротор 10 совершает, таким образом, непрерывное обкатывание по внутренней зубчатой поверхности статора 9. Поскольку соединение ротора 10 и статора 9 косозубое в нем, как и во всех известных косозубых соединениях, исключая шевронные, возникают осевые силы взаимодействия. Т.е. так как статор 9 неподвижен, а направление наклона косозубой цилиндрической передачи 17 выполнено в сторону направления вращения, на ротор 10 в зубчатом соединении действует осевая сила, прижимающая ротор 10 к крышке 7, обеспечивая тем самым нулевой зазор в торцевом контакте 20 механизма воздухораспределения вращателя, что улучшает его энергетические показатели.

От ротора 10 вращение передается шпинделю 12, буксе 13 и хвостовику инструмента 15. Поскольку контактные поверхности этих деталей, передающих вращение, наклонены в сторону направления вращения, в каждой контактирующей паре осевые силы взаимодействия направлены для ведущих деталей назад, а для ведомых деталей вперед.

Затем сжатый воздух подается в ударный механизм и ударник 6 начинает наносить удары по хвостовику инструмента 15, соединенному со штангой и коронкой, прижатым к горной породе осевой нагрузкой, приложенной к корпусу 1 пневмоударной машины. Осевая нагрузка передается торцевыми упорными поверхностями буртика 16 и буксы 13 (фиг.1), упорными торцами 25 буксы 13 и шпинделя 12 (фиг.3), замкнутой кольцевой полостью 21 шпинделя 12 и крышки 7, жестко соединенной с корпусом 1 (фиг.1).

На фиг. 3 показана схема действия сил на шпинделе 12 (ведущее звено) и буксу 13 (ведомое звено) в процессе работы, где М - вращающий момент; Ро - осевая нагрузка; - угол наклона поверхностей, передающих вращение, N; Px; Pz - нормальная сила и ее тангенциальная и осевая проекции, действующая от вращающего момента на ведомое звено; Pуд. - сила удара, воспринимаемая буксой 13 через контактные поверхности с хвостовиком инструмента 15; Rуд. - реактивная сила от буртика хвостовика инструмента; Rn; Rz; Rx - нормальная сила и ее осевая и тангенциальная проекции в зацеплении, возникающая в результате действия реактивной силы Руд.

Под действием вращающего момента М и осевой нагрузки Ро упорные торцы 25 и наклонные поверхности со стороны направления вращения до удара находятся в контакте (фиг.3А).

В момент удара ударника 6 по хвостовику 15 (фиг.1) последний перемещается вперед на расстояние, величина которого определена силой удара, упругими свойствами штанги и величиной внедрения коронки в породу. Поскольку хвостовик 15 инструмента кинематически связан с буксой 13 (фиг.2), на нее, за счет сил трения в зацеплении и пропорционально величине этих сил, передается часть прямой ударной нагрузки Руд. Поэтому букса 13 также смещается вперед на некоторое расстояние (фиг.3А). Происходит разъединение боковых контактных поверхностей 24 и упорных торцев 25 (фиг.3В), причем боковые контактные поверхности 24 разъединяются практически без трения скольжения между деталями.

В этот момент времени на шпиндель 12 (ведущая деталь) действует осевая нагрузка Ро и вращающий момент М. На буксу 13 (ведомую деталь) действуют обратные силы реакции Rуд и вращающей нагрузки, упруго скручивающей штангу.

Под действием указанных сил шпиндель 12 и букса 13 кинематически соединяются, но за рассматриваемый кратковременный промежуток времени в первую очередь соединяются боковые контактные поверхности 24, передающие вращение (фиг. 3С). Под действием реактивной силы Rуд на контактную наклонную поверхность шпинделя 12 действует нормальная сила Rn, которую можно разложить на осевую составляющую Rz и тангенциально направленную, противодействующую вращающему моменту М силу Rx. В результате детали продолжают соединяться до первоначального положения (фиг.3А). При этом большая часть обратной ударной нагрузки Rуд преобразуется в противовращение шпинделя 12 и ротора 10 двигателя, а соединение деталей происходит с трением скольжения контактирующих боковых контактных поверхностей 24. Следовательно, обратная сила от буртика 18 хвостовика 15 инструмента на корпус 1 машины (фиг.1) нейтрализуется (гасится), не воздействуя на оператора.

Некоторые элементы предлагаемого технического решения, например наклонные поверхности, передающие вращение деталей, участвующих одновременно в передаче ударной нагрузки, могут быть использованы в конструкциях всех известных ударно-вращательных машин для бурения шпуров и скважин.

Предложенная конструкция пневмоударной машины с независимым вращением инструмента обладает рядом достоинств.

Соединение статора и ротора обеспечивает нулевой зазор в воздухораспределительных контактирующих торцевых поверхностях ротора и задней крышки. Соединение ротора и шпинделя выполнено косозубым с наклоном зубьев в сторону вращения с целью разъединения контакта зубьев в момент прямой ударной нагрузки, что исключает трение в контактирующих поверхностях и частично преобразует обратную осевую ударную нагрузку от инструмента во вращательное шпинделя при возобновлении контакта зубьев. Выполнение кулачкового соединения шпинделя и буксы трапецеидальным с зазором по боковым поверхностям исключает трение скольжения при прямом ударе и осуществляет кинематическую виброизоляцию при обратном ударе инструмента. Продольные поверхности соединения буксы и хвостовика инструмента исключают трение между ними во время действия прямого ударного импульса, что повышает КПД передачи удара в породу, а также осуществляет кинематическую виброзащиту во время действия отраженного обратного ударного импульса. Выполнение торцевых поверхностей зубьев ротора коническими с углом образующей к радиусу до 0^o30' уменьшает трение при скольжении торцевых поверхностей, что повышает вращающий момент двигателя и исключает заклинивание ротора, а ограничение угла по величине вызвано требованием обеспечения герметизации рабочей камеры двигателя. Выполнение цилиндрических посадочных поверхностей крышек и вала шпинделя двухступенчатыми с замкнутыми кольцевыми полостями между ступенями, заполненными густой смазкой, обеспечивает уменьшение износа опор скольжения и демпфирование деталей при осевых перемещениях.

Формула изобретения

Пневмоударная машина с независимым вращением инструмента, включающая пневмоударный механизм и гипоциклоидный вращатель, состоящий из кинематически связанных статора, ротора, шпинделя, буксы и хвостовика инструмента, передней и задней крышек с цилиндрическими и торцевыми упорными поверхностями для посадки шпинделя, отличающаяся тем, что соединение статора, ротора и шпинделя выполнено косозубым с наклоном зубьев в сторону направления вращения, при этом букса установлена с возможностью взаимодействия со шпинделем посредством торцевого кулачкового соединения, которое имеет трапецеидальную форму с упором торцевых поверхностей и зазорами по боковым контактным поверхностям, а соединение буксы и хвостовика инструмента осуществляется посредством шестигранной винтовой поверхности с наклоном образующих в сторону вращения инструмента, при этом торцевые поверхности зубьев ротора выполнены коническими с углом образующей к радиусу до 0^o30', а цилиндрические посадочные поверхности крышек и вала шпинделя выполнены двухступенчатыми с образованием между ступенями замкнутых кольцевых полостей, заполненных густой смазкой.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7