Ударный механизм

Ударный механизм — это устройство, преобразующее энергию (механическую, электрическую, пневматическую или гидравлическую) в кинетическую энергию поступательного движения бойка (ударника) для нанесения удара по рабочему инструменту или обрабатываемой поверхности. Ударные механизмы являются ключевым узлом широкого класса машин и инструментов, предназначенных для разрушения, дробления, уплотнения, забивания или ковки материалов.

История

Первые ударные механизмы были ручными — молот, кувалда, кирка. Принцип преобразования мускульной силы человека в ударное действие оставался неизменным тысячелетиями. С развитием промышленности возникла потребность в механизации ударных операций.

В 1840-х годах появились первые паровые молоты, использовавшие энергию пара для подъёма и сброса тяжёлой бабы. В 1884 году американский инженер Чарльз Брейди запатентовал первый пневматический отбойный молоток. В 1895 году немецкая фирма «Fein» выпустила первый электромеханический перфоратор. В 1932 году немецкий инженер Герман Шмидт создал первый электрический отбойный молоток с кривошипно-шатунным механизмом. В 1950-х годах широкое распространение получили гидравлические молоты для экскаваторов. В 1970-х годах появились первые аккумуляторные ударные гайковёрты.

Классификация

Ударные механизмы классифицируются по нескольким признакам.

По источнику энергии

• Пневматические — работают от сжатого воздуха (отбойные молотки, пневмозубила, пневмотрамбовки). Характеризуются высокой частотой ударов, но меньшей энергией единичного удара.
• Электрические — преобразуют электрическую энергию в механическое движение ударника. Делятся на электромеханические (с кривошипно-шатунным или кулачковым механизмом) и электромагнитные (с соленоидным приводом).
• Гидравлические — используют энергию жидкости под высоким давлением. Применяются в тяжёлой строительной технике (гидромолоты), прессах, ковочных машинах. Отличаются высокой энергией удара, плавностью регулировки и долговечностью.
• Механические — используют кинетическую энергию вращающихся масс (маховиков) или пружин. Встречаются в ручных инструментах (механические ножницы, дыропробивные клещи) и в промышленных копрах.
• Пороховые (пиротехнические) — используют энергию сгорания порохового заряда. Применяются в монтажных пистолетах, строительно-монтажных пистолетах, аварийно-спасательном инструменте.
• Ручные — мускульная сила человека. К ним относятся молотки, кувалды, кирки, зубила.

По принципу действия

• Кривошипно-шатунные — вращение вала преобразуется в возвратно-поступательное движение поршня, который непосредственно или через промежуточные элементы сообщает энергию бойку. Типичны для электрических отбойных молотков.
• Кулачковые (эксцентриковые) — вращающийся кулачок периодически поднимает и сбрасывает ударник. Используются в перфораторах, некоторых типах молотков.
• Пневматические (свободнопоршневые) — сжатый воздух попеременно подаётся в разные полости цилиндра, перемещая поршень-ударник. Встречаются в пневматических отбойных молотках и перфораторах.
• Гидравлические — жидкость под давлением перемещает поршень, который накапливает энергию в гидроаккумуляторе, а затем сбрасывает её на боёк.
• Инерционные (ротационные) — вращающаяся массивная деталь (маховик) накапливает кинетическую энергию, которая при зацеплении с ударником передаётся ему. Используются в импульсных гайковёртах.
• Электромагнитные — катушка соленоида создаёт магнитное поле, которое втягивает или выталкивает сердечник-ударник. Применяются в лабораторных установках, вибраторах, некоторых типах перфораторов.

По типу воздействия

• Ударно-поворотные — инструмент одновременно совершает ударное и вращательное движение. Характерны для перфораторов, бурильных машин.
• Ударно-поступательные — только ударное движение вдоль оси. Типичны для отбойных молотков, клепальных молотков, трамбовок.
• Ударно-вращательные — удар наносится по вращающемуся инструменту (например, в ударных гайковёртах, где ударный механизм обеспечивает затяжку или откручивание крепежа).

Устройство и принцип работы

Конструкция ударного механизма зависит от его типа, но общими элементами являются:

• Привод — источник энергии (электродвигатель, пневмоцилиндр, гидроцилиндр, мускульная сила).
• Преобразователь движения — механизм, превращающий вращательное или возвратно-поступательное движение привода в движение ударника (кривошип, кулачок, поршень, соленоид).
• Ударник (боёк) — подвижная деталь, непосредственно наносящая удар по инструменту или детали.
• Наковальня (переходник) — деталь, передающая удар от бойка к инструменту (например, к буру, зубилу, головке).
• Возвратная пружина — обеспечивает возврат бойка в исходное положение после удара.
• Корпус — несущая конструкция, объединяющая все элементы.

Пример работы пневматического отбойного молотка

Сжатый воздух от компрессора поступает через штуцер в корпус. Золотниковый распределитель поочерёдно направляет воздух то в верхнюю, то в нижнюю полость цилиндра. В результате поршень-ударник совершает возвратно-поступательные движения. При движении вниз он наносит удар по хвостовику рабочего инструмента (пике, зубилу). При обратном ходе воздух выталкивается в атмосферу. Частота ударов достигает 1000–2000 в минуту.

Пример работы электромеханического перфоратора

Электродвигатель через редуктор вращает вал с кривошипом. Кривошип через шатун сообщает возвратно-поступательное движение поршню. Поршень сжимает воздух в цилиндре, который через клапанную систему передаёт импульс ударнику. Одновременно вращение от двигателя через редуктор передаётся на патрон, обеспечивая вращение бура. Сочетание удара и вращения позволяет эффективно бурить бетон и камень.

Применение

Ударные механизмы находят применение в самых разных отраслях.

Строительство и горное дело

• Отбойные молотки — для разрушения бетона, асфальта, кирпичной кладки, мерзлого грунта.
• Перфораторы — для бурения отверстий в бетоне, камне, кирпиче.
• Гидромолоты — для дробления скальных пород, разрушения бетонных конструкций, рыхления мёрзлого грунта.
• Бетоноломы — электрические или пневматические инструменты для разрушения бетона.
• Трамбовки — для уплотнения грунта, песка, щебня.
• Сваебойные копры — для забивки свай в грунт.

Металлообработка и машиностроение

• Ковочные молоты — для горячей и холодной ковки металла.
• Клепальные молотки — для формирования заклёпочных соединений.
• Пневматические зубила — для рубки металла, обрезки заусенцев.
• Ударные гайковёрты — для затяжки и откручивания гаек и болтов.
• Импульсные гайковёрты — для точной затяжки крепежа с заданным моментом.

Другие отрасли

• Медицина — в стоматологии (бормашины с ударным механизмом для удаления зубного камня), в хирургии (пневматические молотки для костных операций).
• Сельское хозяйство — в вибраторах для выгрузки сыпучих материалов, в молотилках.
• Бытовой инструмент — перфораторы, отбойные молотки, ударные дрели, электрические молотки.
• Горноспасательное оборудование — аварийно-спасательные пневматические молотки.

Характеристики

Основные параметры ударных механизмов:

• Энергия удара (Дж) — количество энергии, передаваемое бойком за один удар. Определяет разрушающую способность.
• Частота ударов (Гц или уд/мин) — количество ударов в единицу времени. Влияет на производительность.
• Сила удара (Н) — максимальная сила, развиваемая при ударе.
• Рабочий ход (мм) — расстояние, на которое перемещается боёк до удара.
• Масса (кг) — влияет на удобство работы и вибрационные характеристики.
• Потребляемая мощность (кВт) — для электрических и пневматических инструментов.
• Рабочее давление (МПа) — для пневматических и гидравлических механизмов.

Интересные факты

• Самый мощный в мире гидравлический молот — «Rammer 5000» (Финляндия) — имеет энергию удара до 15 000 Дж и используется для разрушения самых прочных скальных пород.
• Первый электрический перфоратор был создан в 1895 году и весил около 50 кг.
• В пневматических отбойных молотках частота ударов может достигать 3000 уд/мин, а энергия удара — до 100 Дж.
• Ударные механизмы являются основой работы всех типов молотков, от простых ручных до гигантских промышленных копров.

Источники

1. ГОСТ 17770-86 «Инструмент ручной пневматический. Общие технические требования».
2. ГОСТ 30638-99 «Перфораторы электрические. Общие технические условия».
3. Справочник «Строительные машины и оборудование» под ред. А. В. Александрова, М.: Стройиздат, 1989.
4. «Гидравлические молоты. Конструкция и эксплуатация» — А. Н. Гуревич, М.: Машиностроение, 2005.
5. «Пневматические инструменты: устройство, эксплуатация, ремонт» — В. И. Ковалёв, М.: Академия, 2010.
6. «Электрические перфораторы: теория и практика» — И. И. Соколов, М.: Энергия, 1978.
7. Патент US 298,293 (1884) — Charles Brady, Pneumatic hammer.
8. Патент DE 78,345 (1895) — Fein, Elektrischer Bohrhammer.