5. Ручні пневматичні машини

Загальні відомості й класифікація машин.

Ручна пневматична машина являє собою вібробезпечний пристрій, у корпус якого вбудовані пневматичний двигун, передавальний механізм, система повітророзподілення, робочий орган і пусковий пристрій. Живлення двигунів ручних пневматичних машин здійснюється від пересувних компресорних станцій, що забезпечують подачу стиснутого до 0,7...0,8 МПа атмосферного повітря.

Широке поширення пневматичних машин обумовлене безпекою їх роботи у вологих, запилених і вибухонебезпечних приміщеннях, а також при роботі на відкритому повітрі, тому що їхній привод нечутливий до зовнішніх умов. Крім того, ці машини мають високу надійність і довговічністю, відрізняються безвідмовністю в роботі, нечутливістю до перевантажень, можливістю тривалого режиму невпинної роботи. Питома потужність пневматичного привода в 1,5...2,5 рази вище, чим електричного, а маса на одиницю потужності менше в 2, 5 рази. Пневматичні машини дозволяють безступенево регулювати частоту обертання й крутний момент, у них широко застосований принцип агрегатування, що спрощує технічне обслуговування й ремонт, а широка уніфікація вузлів і деталей при великій номенклатурі дозволяє знизити трудомісткість їх виготовлення.

До недоліків пневматичних машин відносяться низький ККД (8...16%), висока вартість вироблених робіт, підвищений шум, створюваний повітрям, що відпрацювало, чутливість до витрати повітря, вібрація, необхідність наявності компресора й повітропровідної мережі. Однак у всіх випадках, коли при виконанні робіт вирішальну роль відіграють безпека, надійність, швидкість і продуктивність, переважне застосування одержують пневматичні машини. Особливо широко використовується пневматичний привод для машин ударної дії.

По характеру руху робочого органа пневматичні ручні машини підрозділяються на машини з обертовим рухом (свердлильні, шліфувальні, різьбонарізні, різьбозавертні, розвальцювальні) і ударної дії (молотки відбійні, рубильні, клепальні, ломи, перфоратори, пневмопробійники).

Машини обертальної дії. Пневматичні свердлильні машини підрозділяють по режиму роботи – на машини легкого, середнього й важкого режиму; по конструктивному виконанню – на прямі й кутові; по типу пневмодвигуна – на ротаційні нереверсивні правого або лівого обертання й реверсивні.

Свердлильні машини складаються із пневматичного двигуна, планетарного редуктора, шпинделя зі свердлильним патроном і пускового механізму. На рисунку 5.1 показана пряма нереверсивна свердлильна машина, ротаційний двигун 10 якої встановлений у корпусі з рукояткою 14. Ротор 20 двигуна обертається у двох шарикопідшипниках 9 і з торців закритий кришками 7 і 11. У пазах ротора знаходяться лопатки 8, які можуть вільно переміщатися в радіальному напрямку під дією відцентрових сил. При натисканні оператора на курок 18 скошений шток 17 переміщає стрижень 16 і клапан 15, відкриваючи доступ стисненого повітря в порожнину 12 і далі через отвір 13 у робочу порожнину двигуна (простір між двома сусідніми лопатками). Розширюючись, стиснене повітря робить механічну роботу, змушуючи обертатися ротор двигуна. Відпрацьоване повітря виходить по каналах 19 в атмосферу. Обертання ротора передається планетарному редуктору, розміщеному в корпусі 5. Ведуча шестірня редуктора насаджена на вал 21 і передає обертання сателітам 4, розташованим на осях 22 у підшипниках 6. Обкатуючись по вінцевій шестірні 3, сателіти обертають водило 2, що є одночасно шпинделем, на внутрішньому конусі 1 якого кріпиться свердлильний патрон.

Розрахунок технологічних параметрів пневматичних свердлильних машин проводиться по залежностях, наведених для розрахунків електричних машин. Відмінністю пневматичної різьбонарізної машини від свердлильної є наявність у ній двоступінчастого планетарного редуктора й механізму реверсу, що забезпечує прискорене добування мітчика з різьбового отвору, що нарізається.

Рисунок 5.1 – Пневматична Рисунок 5.1.1 – Фото пневматична

свердлильна машина свердлильна машина

Пневматичні різьбозавертні машини (гайковерти) випускаються з ударно-імпульсним перетворювачем моменту (ударно-обертальної дії), що дозволяє значно збільшити крутний момент на ключі в порівнянні з моментом, що розвивається двигуном (в 200...300 разів), збільшити момент затягування з'єднання при відносно малих габаритах і масі, підвищити швидкість обертання шпинделя, завдяки чому підвищується продуктивність машини. Недоліком таких гайковертів є залежність величини моменту, що розвивається, затягування від якості деталей нарізного сполучення, їх твердості й деяких інших факторів.

На рисунку 5.2 зображений розріз такого гайковерта, що складається із двигуна 7, ударно-імпульсного механізму, шпинделя 2 зі змінною головкою 1. У рукоятці 9 крім двигуна розміщені механізм реверсу 8 з перемикачем 10, глушитель 12, пусковий пристрій 13 з курковим вимикачем 11. Ударно-імпульсний механізм містить у собі корпус 6, що обертається в шарикопідшипнику, ударник 5, з'єднаний з корпусом трьома голчастими роликами 14, що дозволяють обертатися разом з ним і переміщатися уздовж осі обертання, валик-синхронізатор 3, силову пружину 4 і шпиндель 2.

Робота гайковерта відбувається в такий спосіб. При включенні машини стиснене повітря надходить у порожнину двигуна й приводить ротор в обертання, яке передається корпусу ударного механізму, з'єднаному з валом ротора евольвентними шліцами, і далі ударникові. При обкатуванні кульки 15, зафіксованого в ударнику на кулачковій поверхні валика-синхронізатора, ударник, переміщаючись в осьовому напрямку (уліво), стискає силову зворотну пружину й входить у зачеплення з кулачками шпинделя, перетворюючи обертовий рух в ударні імпульси. Ці імпульси через торцеву головку передаються на нарізне сполучення.

Рисунок 5.2 – Пневмогайковерт ударно-обертальної дії

При загвинчуванні болта (гайки) у початковий період момент затягування витрачається на подолання сил тертя в різьбовій парі, величина яких незначна, що дозволяє підтримувати швидкість загвинчування, рівній швидкості ротора. Коли торець головки болта (гайки) досягає нерухомої поверхні, момент затягування значно зростає, змушуючи шпиндель і валик-синхронізатор зупинитися. Корпус ударного механізму, продовжуючи обертатися разом з ротором двигуна, змушує ударник вийти із зачеплення зі шпинделем і робити зворотно-поступальний рух, наносячи удари по шпинделю. Удари передаються головці болта (гайки), що загвинчується, яка повертається на деякий кут до повної зупинки. Одержання необхідного моменту затягування досягається серією послідовних ударних імпульсів на різьбове сполучення.

Для підвищення продуктивності й точності величини моменту затягування нарізних сполучень створені рідкоударні гайковерти, одиничний удар яких має велику енергію. На рисунку 5.3 зображений розріз рідкоударного гайковерта, який складається з реверсивного ротаційного двигуна 4, рідкоударного механізму 3, розміщеного в корпусі 2, і рукоятки 5, у яку, крім двигуна, вмонтовані реверсивний пристрій 6, вимикач 7, пусковий пристрій 8 і глушитель 9. Робочим інструментом машини є головка 1, закріплена на шпинделі.

Відмінною рисою рідкоударних гайковертів є ударний механізм (рисунок 5.3), у корпусі 6 якого розміщені валик-синхронізатор 4, ударник 3, ковадло шпинделя 1, силова пружина 2 і відцентровий вантаж-кулька 5. Останній переміщається по пазові на торці ударника й перекочується по кулачковій поверхні валика. Силова пружина призначена для повернення ударника у вихідне положення.

Рисунок 5.3 - Пневматичний рідкоударний гайковерт

Робота механізму відбувається в такий спосіб. Після установки торцевої головки на гайку з'єднання, що затягається, вмикається двигун, обертання ротора якого передається через корпус, ударник, валик-синхронізатор на шпиндель і далі на нарізне сполучення. При досягненні торцем гайки нерухомої поверхні шпиндель і валик-синхронізатор зупиняються, а корпус і ударник продовжують обертатися. При певній частоті обертання ударника й обертової з ним кульки остання під дією відцентрових сил зміщається від центру до периферії й обкатується по кулачковій поверхні валика сінхронізатора, переміщаючи в осьовому напрямку ударник. При цьому пружина 2 стискується, дозволяючи ударникові ввійти в зачеплення з ковадлом шпинделя, наносячи по ній удар. Під час удару швидкість обертання ударника різко падає, кулька вертається в центральну частину порожнини й ударник під дією пружини 2 переміщається в первісне положення. Далі цикл повторюється.

Рисунок 5.4 – Ударний механізм пневмогайковерта

а – загальний вид; б – принципова схема.

Рисунок 5.5 – Пряма шліфувальна машина

а – загальний вид; б – принципова схема.

Рисунок 5.6 – Торцева шліфувальна машина

Пневматичні шліфувальні машини підрозділяються на наступні групи:

а) високооборотні машини з турбінним двигуном, призначені для роботи шліфувальними головками;

б) прямі з ротаційним двигуном, призначені для роботи периферією шліфувального кола;

в) кутові – для роботи дисками на тканинній або синтетичній основі, високошвидкісними шліфувальними колами, шліфувальними шкурками й ін.;

г) торцеві – для роботи торцевими чашковими колами, еластичними дисками, шліфувальними шкурками й ін.

Найпоширеніші прямі шліфувальні машини з ротаційним двигуном (рисунок 5.6). Вони складаються із двигуна 8, шпинделя 4, на вихідному кінці якого встановлений вузол кріплення 2 шліфувального кола, регулятор частоти обертання 9 шпинделя, вузла глушителя шуму 6, віброзахисних чохлів 5 і 12. Двигун установлено в рукоятці 7, а шпиндель – у корпусі 3. Шліфувальне коло має захисний кожух 1. Для пуску машини є пристрій 10 з рукояткою 11. Стиснене повітря надходить у машину через ніпель 14 і штуцер 13.

Торцева шліфувальна машина (рисунок 5.7) складається з ротаційного двигуна 1, розташованого в стакані 9, рукоятки 5 із вбудованим у неї пусковим пристроєм 6 регулятора частоти обертання ротора 2, вузла кріплення шліфувального кола 8. Пуск машини в роботу здійснюється за допомогою рукоятки 4. Корпус 3 машини з'єднаний з рукояткою за допомогою чотирьох гвинтів. Шліфувальне коло обгороджене захисним кожухом 7.

Машини ударної дії. До них відносяться молотки різного призначення – відбійні, рубильні й клепальні, перфоратори, ломи, пробійники. Машини мають двигуни з вільним рухом поршня й підрозділяються за принципом застосовуваної системи повітророзподілення. Найбільше поширення одержали клапанна й золотникова системи повітророзподілення.

При клапанній системі повітророзподілення стиснене повітря в зазначеному положенні клапана 2 (рисунок 5.8,а) надходить по каналу Б у простір над поршнем-бойком 1 і переміщує його вниз до удару з робочим інструментом 3. Повітря з-під поршневого простору виходить по каналу Г у атмосферу. Після перекриття поршнем цього каналу повітря в підпоршеневому просторі почне стискуватися й натискати на клапан 2 знизу. Наприкінці робочого ходу канал Г відкриється й стиснене повітря з надпоршеневого простору почне виходити в атмосферу. При цьому тиск над поршнем падає й за рахунок різниці тиску в підпоршеневому і надпоршеневому просторах і клапан займе положення, зазначене на рисунці штрихпунктиром.

Стиснене повітря почне надходити по каналу В під поршень і змусить його переміщатися нагору. Коли поршень-бойок пройде своєю крайкою канал Г, стиснене повітря почне з-під поршня виходити в атмосферу, при цьому тиск під ним падає, клапан вертається в первісне положення й цикл машини повторюється. Перевагами клапанної системи повітророзподілення є простота конструкції й мала чутливість до забруднення; недоліками – підвищена витрата повітря за рахунок витрати його частини на утворення компресійних подушок наприкінці кожного такту.

Рисунок 5.8 – Схеми повітророзподілення.

Робота золотникової системи повітророзподілення (рисунок 5.8,б) відбувається в такий спосіб. На початку такту поршень-бойок 6 і золотник 7 перебувають у нижньому положенні під дією сил ваги. Стиснене повітря надходить по каналу 1 у кільцеві виточки А и Б золотникової коробки й буде створювати тиск на золотник знизу. Одночасно стиснене повітря, проходячи по каналу 2, буде давити на верхній обріз золотника зверху. Але оскільки вся надпоршенева порожнина через канал 3 з'єднана з атмосферою, тиск на золотник зверху буде трохи менше, чим знизу, він займе верхнє положення. Тоді стиснене повітря надійде по виточках А и Б і далі по каналу 4 під поршень-бойок і буде переміщати його нагору, тобто почнеться холостий хід.

Повітря з верхньої порожнини щоб уникнути протитиску буде виділятися в атмосферу по каналах 3 і 5. Коли поршень-бойок, переміщуючись нагору, перекриє ці канали, то у верхній порожнині створиться тиск, що діє на золотник зверху, і він буде перебувати в стані рівноваги. При подальшому русі поршня-бойка нагору відкривається канал 3, і повітря почне виходити в атмосферу по каналах 3 і 4, тиск на золотник знизу впаде й він перейде в нижнє положення. Тоді стиснене повітря надійде по каналу 2 і під його тиском поршень-бойок переміститься вниз. Повітря з підпоршеневого простору буде виділятися в атмосферу по каналу 3. При русі вниз поршень-бойок відкриває канал 5, у який надходить стиснене повітря, створюючи тиск на золотник знизу. Золотник буде перебувати в стані рівноваги (під дією тиску зверху й знизу) доти, поки поршень-бойок у крайньому нижньому положенні не відкриє канал 3. Тоді повітря з надпоршневого простору буде виходити в атмосферу, тиск на золотник зверху поменшиться й він переміститься у верхнє положення, змушуючи поршень-бойок підніматися нагору. Золотникова система повітророзподілення найбільш економічна, але складна у виготовленні й експлуатації.

Сутність роботи машин ударної дії, оснащених двигуном з вільним падінням поршня, полягає в тому, що поршень-бойок, що перебуває в циліндрі, робить зворотно-поступальний рух під дією стисненого повітря, що надходить поперемінно в підпоршеневу й надпоршеневу порожнини. Наприкінці робочого ходу поршень-бойок завдає удару по хвостовикові робочого наконечника, який виконує корисну роботу.

Прикладом таких машин служить відбійний молоток (рисунок 30), що складається з рукоятки 1, стовбура 9, поршня-бойка 10, повітророзподільного механізму (клапана) 6, пускового пристрою (вентиля) 4, робочого наконечника 11 і пружини 12, що втримує наконечник від випадання. Для запобігання саморозгортання нарізного сполучення між стовбуром 9 і проміжною ланкою 5 установлений фіксатор 7, утримуваний від випадання стопорним кільцем 8, що має отвір для відводу відпрацьованого повітря. Вузол повітророзподілення притиснутий до торця стовбура тарілчастою пружиною 3. Віброізоляція рукоятки забезпечується установкою гумового амортизатора 2. При натисканні на рукоятку вентиль 4 зміщається вправо й відкриває отвір, що сполучається з кільцевою камерою клапанного розподілу; стиснене повітря за допомогою клапана надходить по черзі в над- і підпоршеневий простір, змушуючи поршень-бойок робити зворотно-поступальний рух, періодично вдаряючи по робочому наконечникові.

У сучасних пневматичних машинах ударної дії використовується система комплексного віброзахисту оператора, що включає в себе зниження маси й зменшення діаметра поршня-бойка, установку гумових прокладок між рукояткою й іншими частинами машини, використання пневмопружних віброізоляторів. Аналогічний устрій мають і інші типи машин ударної дії.

Рисунок 5.9 – Відбійний молоток

Рисунок 5.9.1 – Фото відбійний молоток

Перфоратори мають переважно клапанну систему повітророзподілення, що забезпечує головний зворотно-поступальний рух ударника. Поворотний рух бура проводиться під час холостого ходу поршня-бойка при його русі нагору.

Основним вузлом перфоратора (рисунок 5.10) є корпус, що складається із циліндра 5, стовбура 8 і кришки, з'єднаних між собою стяжними болтами. Кришка корпуса постачена рукояткою 1 для утримання перфоратора при роботі й переносі його оператором. Повітророзподільний пристрій, поміщений

Рисунок 5.10 – Перфоратор

усередині циліндра, здійснює автоматичну зміну напрямку подачі стисненого повітря для робочого або холостого ходи поршня-бойка 6, що робить зворотно-поступальний рух у циліндрі. Основним вузлом перфоратора (рисунок 5.10) є корпус, що складається із циліндра 5, стовбура 8 і кришки, з'єднаних між собою стяжними болтами. Кришка корпуса постачена рукояткою 1 для втримання перфоратора при роботі й переносі його оператором. Повітророзподільний пристрій, поміщений усередині циліндра, здійснює автоматичну зміну напрямку подачі стисненого повітря для робочого або холостого ходу поршня-бойка 6, що робить зворотно-поступальний рух у циліндрі. Наприкінці робочого ходу поршень-бойок завдає удару по хвостовикові бурової штанги 10. У результаті коронка бура проникає в ґрунт, здійснюючи його руйнування. Поворот бура проводиться за допомогою поворотного механізму, що включає в себе храпове колесо 3 зі стрижнем 4, на кінці якого нарізані спіральні (гвинтові) шліци. Хвостовик стрижня входить у шлицевий отвір гайки, запресованої в головці поршня-бойка 6. Поршень-бойок сполучений із шестигранною буровою штангою поворотними буксами 7 і 9. При робочому ході поршня-бойка спіральні шліци повертають храповий стрижень 4 проти годинникової стрілки, а защіпки 2 прослизають по зубах храпового колеса 3. При зворотному ході поршня защіпки, упираючись у зуби храпового колеса, перешкоджають повороту храпового стрижня в протилежний бік (за годинниковою стрілкою), і поршень, нагвинчуючись на хвостовик нерухомого стрижня, буде повертатися сам разом з поворотною буксою й буром на певний кут. Утримання бура в поворотній буксі перфоратора здійснюється спеціальним буротримачем.

Розрахунки основних параметрів режиму роботи пневмомашин ударної дії. До технологічних параметрів машин ударної дії відносяться: робота одиничного удару A₁ (Нм), число ударів поршня-бойка у хвилину п (хв^-1), потужність привода N (кВт) і витрата повітря Q (м³/хв). Для спрощення методики розрахунків робимо наступні допущення: робочий хід поршня-бойка відбувається при постійному тиску стисненого повітря на його поверхню; протитиск на поршень-бойок під час робочого й холостого ходів незмінно; рух поршня-бойка при постійному тиску – рівноприскорений. При цьому кінетична енергія, накопичена поршнем-бойком за робочий хід, складе

, (1)

де d – діаметр поршня-бойка, м;

s – хід поршня-бойка, м;

p_i– середній індикаторний тиск у циліндрі під час робочого ходу.

Використовуючи практичні дані, приймаємо втрати тиску в пускових і розподільних пристроях машин рівними 20...30% від номінального, а протитиск на поршень-бойок приблизно на 15% вище атмосферного. Тоді, МПа, де р_о – номінальний (на вході в інструмент) тиск (р_о = 0,5×106 МПа).

Робота А₂, чинена робочим наконечником, буде менше A₁ на величину втрат при зіткненні поршня-бойка з наконечником, тобто

, (2)

Коефіцієнт корисної дії удару η_уд залежить від мас тіл, що стикаються, і їх пружних властивостей, які характеризуються коефіцієнтом відновлення швидкості поршня-бойка R,

, (3)

де m₁ – маса поршня-бойка;

m₂ – наведена маса робочого наконечника, кг ( тобто з урахуванням оброблюваного середовища m₂ = α m_р, де m_р – маса робочого наконечника, α – коефіцієнт, що залежить від механічних властивостей оброблюваного матеріалу).

З формули (3) випливає, що найменше значення ККД удару буде при m₁/m₂<R, а найбільше – при m₁/m₂= R, до чого слід прагнути при створенні машин ударної дії. Звичайно η_уд = 0,85...0,98.

Число ударів поршня-бойка у хвилину n_уд = 60/T хв^-1, де Т – проміжок часу між двома ударами, с; Т = tp - tx-x, де tp – час робочого ходу поршня-бойка, с; tx-x – час холостого ходу поршня-бойка, с.

З урахуванням прийнятих допущень

, (4)

де S – хід поршня-бойка, м;

а – прискорення, придбане поршнем-бойком, м/с, .

Тоді

. (5)

Час холостого ходу поршня-бойка ix-x=1,2tp. Отже (у хв^-1 або с^-1)

, (6)

або

(7)

Потужність, що розвивається машиною ударної дії (кВт),

. (8)

Витрата повітря (м³/хв), затрачуваного на роботу машини ударної дії, залежить від робочого простору циліндра машини, числа ударів поршня-бойка у хвилину й середнього індикаторного тиску в циліндрі, тобто

(9)

де k_П – коефіцієнт, що враховує втрати повітря в магістралях, шлангах і ручній машині (k_П = 1,2...1,35).

Розрахункова продуктивність компресора (м³/хв) для живлення машин

, (10)

де – сумарна витрата повітря всіма інструментами;

– витрата повітря однією пневмомашиною даного типу;

с₁, з₂, ..., с_n – кількість однотипних пневмомашин;

K₁ – коефіцієнт одночасності роботи інструментів (таблиця 1).

Таблиця 1 – Значення коефіцієнта одночасності роботи інструментів