Поршень-ударник

Изобретение относится к области машиностроения, в частности, к механизмам ударного действия и может быть применено в горных, строительных и дорожных машинах. Известен поршень-ударник, состоящий из корпуса и ударной части, которая изготовлена из материала самого корпуса. Ударная часть выполнена в виде вкладыша, размещенного коаксиально в корпусе, при этом вкладыш выполнен из материала с меньшим модулем упругости, чем материал корпуса ударника и бурового инструмента, а диаметр вкладыша превышает диаметр бурового инструмента на 3-5% [1]. Недостатком указанного поршня-ударника является то, что при ударе в контакте находятся материалы с различным модулем упругости. Как известно, это обстоятельство приводит к снижению КПД удара. Известно долото для инструмента ударного действия, содержащее трубчатый корпус с каналом, в котором помещен сердечник с рабочим наконечником, при этом полость между сердечником и корпусом заполнена шумопоглощающим с перекатывающейся массой материалом, типа песка, дроби и т.п. [2]. Применение в качестве шумопоглотителя указанного материала приводит к неравномерности распределения его массы в радиальном направлении и создает условия нецентрального удара, т.к. возникает эксцентриситет между вектором приложения силы удара и точкой касания. Это приводит к снижению КПД удара и росту изгибных колебаний, выражающихся в увеличении уровня шума. Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является поршень-ударник, содержащий корпус в виде стакана с установленными в нем коаксиально конические эластичную втулку и сердечник из материала с постоянной акустической жесткостью. Коническая втулка расположена относительно сердечника с обхватом его по всей боковой наружной поверхности [3]. Недостатком указанного поршня-ударника являются низкий КПД удара из-за потерь на упругую де формацию в конусном соединении и недостаточная степень снижения шума, так как гашение звуковых колебаний происходит только по охватываемой конической втулкой боковой поверхности сердечника, открытые торцевые поверхности которого остаются излучателями энергии. Задача изобретения - в поршне-ударнике за счет оптимального выбора акустических жесткостей составных частей сердечника, уменьшается энергия ударной волны, затрачиваемая на преодоление упругой деформации, что повышает КПД удара, а снижение ее пиковых значений амплитуды напряжений уменьшает уровень шума. Поставленная задача решается тем, что в поршне-ударнике, содержащем корпус в виде стакана, установленные в нем коаксиально эластичную втулк у и сердечник, сердечник выполнен составным в виде двух частей, последние выполнены из материалов с различной акустической жесткостью, часть сердечника с меньшей акустической жесткостью оперта на дно корпуса, а часть сердечника с большей акустической жесткостью установлена соосно части сердечника с меньшей акустической жесткостью и охвачена эластичной втулкой. Кроме того, соотношение акустических жесткостей составных частей сердечника находятся в интервале 1,1 - 2,9. Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором изображен поршень-ударник в продольном сечении. Поршень-ударник состоит из корпуса 1, выполненного в виде стакана, в котором коаксиально установлена эластичная втулка 2 с сердечником, выполненным составным из двух частей 3 и 4, имеющих различную акустическую жесткость. Часть 3 сердечника выполнена из материала с меньшей акустической жесткостью, по сравнению с частью 4, и оперта на дно корпуса 1. Часть сердечника 4 с большей акустической жесткостью установлена соосно части сердечника 3 с меньшей акустической жесткостью и охвачена эластичной втулкой 2. Соосно с поршнем-ударником установлен рабочий инструмент 5. Например: буровая штанга, пика отбойного молотка и др. Соотношение акустических жесткостей материала частей 3 и 4 сердечника находится в интервале 1,1 - 2,9. Поршень-ударник работает следующим образом. Кинетическая энергия поршня-ударника передается рабочему инструменту 5 через контактные поверхности части 4 сердечника и рабочего инструмента 5. Ударная волна, генерируемая в рабочем инструменте поршнем-ударником, претерпевает в последнем значительные изменения. Происходит отражение волны от границ раздела элементов поршня-ударника, изменяется скорость распространения волн в них, ввиду и х выполнения из материалов с различной акустической жесткостью. Благодаря установленному соотношению акустических жесткостей частей 3 и 4 сердечника, находящемуся в интервале 1,1 - 2,9, происходит перераспределение энергетических составляющих ударной волны в сторону уменьшения амплитуды напряжениям увеличения длительности соударения с минимальными энергетическими потерями. Длительность соударения регулируется изменением параметров части 3 сердечника, в частности ее акустической жесткости и толщины. При этом не затрачивается энергия на деформацию части 3 сердечника вследствие того, что она находится в замкнутом объеме и ограничена со всех сторон материалом с большей акустической жесткостью. Для достижения надежности взаимного контакта элементов поршня-ударника в момент соударения последние согласованы между собой. Выполнение корпуса 1 поршня-ударника в виде стакана с полостью под сердечник позволило повысить энергетическую мощность поршня-ударника по сравнению с прототипом, в котором наличие конусных поверхностей приводит, по данным исследований, к потере от 7,5 до 30% ударной энергии. Размещение части 3 сердечника с меньшей акустической жесткостью в замкнутом объеме, ограниченном со всех сторон материалом с большей акустической жесткостью части 4 сердечника и корпуса 1, что позволило исключить ее деформацию при ударе части 3 сердечника, уменьшив, тем самым, потери энергии на деформацию. Установленный лабораторными исследованиями интервал соотношений акустических жесткостей частей 3 и 4 сердечника (1,1 - 2,9) - характеризуется наибольшим КПД ударной системы: поршень-ударник -рабочий инструмент. Применение составных частей сердечника с соотношением акустических жесткостей, выходящим за пределы указанного интервала, приводит к снижению КПД удара, т.к. скорость распространения, ударной волны в указанных случаях уменьшается, а длина ее увеличивается до такой степени, что приводит к многократному отражению волны от границ раздела составных частей поршня-ударника и увеличению энергии, затрачиваемой на преодоление упругой деформации (см. таблицу). Применение изобретения позволяет управлять степенью демпфирования ударной волны и регулировать время соударения путем изменения параметров составной части сердечника, в частности акустической жесткости и толщины. Увеличение длительности соударения поршня-ударника с рабочим инструментом повышает в целом производительность процесса разрушения. Достигнутая степень демпфирования ударной волныОбеспечивает не только высокий КПД удара, но и значительное снижение уровня звуковой Мощности, излучаемой рабочим инструментом. Эластичная втулка. о хватывающая боковую поверхность составной части сердечника и имеющая акустическую жесткость намного меньшую, чем последняя, также снижает уровень шума при соударении и гасит поперечные деформации сердечника, что снижает трение поршня-ударника о направляющий цилиндр и способствует более полной передаче кинетической энергии поршня-ударника рабочему инструменту и увеличению КПД машины в целом. Результаты стендовых испытаний подтвердили технико-экономические показатели изобретения (см. таблицу). Достигн ут КПД ударной системы, равный 96-98%. Уровень звуковой мощности, излучаемой буровым инструментом, снижен на 3 ДБ во всем диапазоне частот. Как видно из таблицы, изменение акустических жесткостей составных частей сердечника приводит к изменению КПД удара и длительности соударения, Интервал соотношений акустических жесткостей составных частей сердечника - 1,1-2,9 характеризуется высокими КПД удара поршня-ударника, приближающимися к КПД удара цельного поршня. Использование изобретения позволяет гарантированно увеличить проходку на буровой инструмент в 1,5-1,8 раза, исключает его преждевременные поломки за счет генерирования в нем ударных импульсов со значительно меньшими величинами пиковых амплитуд напряжений (s max ) , а также улучшает санитарно-гигиенические условия путем снижения шума и вибрации и открывает возможность создания малошумных бурильных машин.