Ручной электрический ударный инструмент для реализации виброударных технологий в транспортном машиностроении и строительстве Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Оригинальная статья / Original article УДК 621.9

DOI: 10.21285/1814-3520-2017-1-32-41

РУЧНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ УДАРНЫЙ ИНСТРУМЕНТ ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ ВИБРОУДАРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ В ТРАНСПОРТНОМ МАШИНОСТРОЕНИИ И СТРОИТЕЛЬСТВЕ

© Е.А. Ижбулдин1, А.Д. Абрамов2

Сибирский государственный университет путей сообщения, Российская Федерация, 630049, г. Новосибирск, ул. Дуси Ковальчук, 191.

РЕЗЮМЕ. ЦЕЛЬЮ работы является создание универсальной ручной ударной машины для выполнения ряда технологических операций. МЕТОДАМИ исследования выступают: анализ технологических операций на основе изучения процесса деформации, производимых с помощью импульсного силового воздействия; определение для каждой операции требуемого уровня энергии единичного удара; группирование близких по энергетическим потребностям операций; обоснование возможности выполнения ряда операций одним типоразмером машин. РЕЗУЛЬТАТОМ является определение уровня энергии единичного удара, достигающего 50 Дж как достаточного для выполнения 10-ти операций, рассматриваемых в статье, и разработка ручного электрического ударного инструмента, обладающего улучшенными показателями надежности и уменьшенными габаритными размерами за счет новых решений в конструкции машины. ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Обоснована возможность проектирования разработки универсальной машины с комплектом сменной оснастки, имеющей возможность быстрого переналаживания при выполнении разных операций, способной заменить ряд машин для ударного воздействия на обрабатываемый объект.

Ключевые слова: ручная ударная машина, обработка деталей ударом, ручной электромагнитный привод, процесс деформации.

Формат цитирования: Ижбулдин Е.А., Абрамов А.Д. Ручной электрический ударный инструмент для реализации виброударных технологий в транспортном машиностроении и строительстве // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2017. Т. 21. № 1. С. 32-41. DOI: 10.21285/1814-3520-2017-1-32-41

HAND-HELD ELECTRIC IMPACT TOOL FOR THE IMPLEMENTATION OF SHOCK VIBRATING TECHNOLOGIES IN TRANSPORT ENGINEERING AND CONSTRUCTION E.A. Izhbuldin, A.D. Abramov

Siberian Transport University,

191, Dusi Kovalchuk St., Novosibirsk, 630049, Russian Federation.

ABSTRACT. The PURPOSE of the article is creation of a universal hand-held impact machine to perform a number of manufacturing operations. METHODS. The following methods are used in the research: analysis of manufacturing operations on the basis of studying the deformation produced by pulse force impact, determination of the required energy level of a single impact for each operation, grouping of operations similar by power requirements, substantiation of the possibility to perform a number of operations by one type and size machines. RESULTS. The energy level of a single shock of 50J is determined as sufficient for performing 10 operations considered in the paper. Manually operated electric impact tool with improved reliability and reduced dimensions has been developed on the basis of new solutions in the machine design. CONCLUSION. The paper substantiates the possibility to design a universal machine with a set of interchangeable tooling that can be retooled fast when performing different operations and is capable to replace a number of machines for impact treatment of objects.

Keywords: hand-held impact machine, impact treatment of parts, hand-held electromagnetic actuator, deformation process

For citation: Izhbuldin E.A., Abramov A.D. Electric hand-held impact tool for the implementation of shock vibrating technologies in transport engineering and construction // Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2017, vol. 21, no. 1, pp. 32-41. (In Russian) DOI: 10.21285/1814-3520-2017-1-32-41

1Ижбулдин Евгений Александрович, аспирант, e-mail: izhbuldin@ngs.ru, IzhbuldinEA@sgups.stu.ru

Evgeniy A. Izhbuldin, Postgraduate student, e-mail: izhbuldin@ngs.ru, IzhbuldinEA@sgups.stu.ru

2Абрамов Андрей Дмитриевич, доктор технических наук, профессор кафедры технологии транспортного

машиностроения и эксплуатации машин, e-mail: abramov@stu.ru

Andrei D. Abramov, Doctor of technical sciences, Professor of the Department of Technology of Transport Engineering and Machine Operation, e-mail: abramov@stu.ru

Введение

В строительном производстве при проведении монтажных, специальных строительных работ, эксплуатации и ремонте строительных и дорожных машин широко используются технологии, основанные на силовом воздействии на обрабатываемый материал. Основными факторами, определяющими возможность реализации таких технологий в эксплуатации предприятий (ЭП), являются их малозатратность и относительная простота, чему в наибольшей мере отвечает легкий, в том числе ручной механизированный инструмент, и в первую очередь, машины ударного действия, способные генерировать мощные силовые импульсы.

Проведенные учеными исследова-

3 4

ния34 позволили создать ряд соответствующих рассматриваемым требованиям виброударных технологий, основными из которых являются: пробивка отверстий в междуэтажных перекрытиях и в асбестоце-ментных декоративных плитах; забивка дюбелей в строительные основания; пробивка отверстий в тонколистовых панелях типа «сэндвич»; забивка костылей в шпалы при устройстве подкрановых и железнодорожных путей; установка гидравлической арматуры на шлангах высокого давления; запасовка грузоподъемных строп и канатов; оконцевание проводов и кабелей; соединение строительной арматуры и др.

Методы и

Несмотря на существенные различия виброударных технологий по видам обработки, требуемой ударной мощности и типам обрабатываемого материала, они могут быть реализованы за ряд повторяющихся ударов. Для всех приведенных технологий деформирования материалов может быть экспериментально получена статическая нагрузочная характеристика, графический вид которой представлен на рис. 1. Деформирование в упругой зоне описывает линия условной жесткости сх, деформирование в пластической зоне -линия условной жесткости с2. Начало пластического деформирования соответствует усилию /г, а уравнение в случае с простейшим жесткопластическим деформированием тел имеет вид

их обсуждение

Процесс жесткопластического деформирования тел в динамике подтверждают характеристики, описанные в работах [1, 2]:

F = FT + c2h .

(1)

к \с2 с2) с2'

к =

h^ck+2hkFT-2Т '

т

_ h2llC2+2hkF1 = 2к '

(2)

(3)

(4)

где Т - энергия единичного удара;

- величина осадки заготовки; к - количество ударов необходимое для реализации технологии.

3Каргин В.А. Исследование и создание виброударных машин и технологий: дис. ... д-ра техн. наук: 01.02.06. Новосибирск, 1986. 333 с. / Kargin V.A. Research and creation of shock vibrating machines and technologies: Doctoral dissertation in technical sciences: 01.02.06. Novosibirsk, 1986, 333 p.

4Абрамов А.Д. Создание ручных форсированных электрических машин ударного действия для строительно -монтажных работ: дис. ... д-ра техн. наук: 05.05.04. Новосибирск, 2012. 328 с. / Abramov A.D. Creation of hand-held forced electric impact machines for construction and assembly works: Doctoral dissertation in technical sciences: 05.05.04. Novosibirsk, 2012, 328 p.

Рис. 1. Статическая нагрузочная характеристика деформируемого тела Fig. 1. Static load characteristics of a deformable body

Изучая рассмотренные ранее операции, связанные с деформированием материалов, выделен ряд технологий, имеющих близкие уровни энергии для деформирования тела. Данные технологии могут быть осуществлены с помощью оборудования, имеющего различные источники и преобразователи энергии, системы привода.

Анализ работ В.А. Каргина и А.Д. Абрамова позволил определить уровень энергии единичного удара, достаточный для эффективной реализации технологических операций, значения которой находятся в пределах 40-60 Дж. В работе предлагается использовать один типоразмер машин с ударным приводом, реализующим энергию удара 50 Дж и частоту ударов 1-2 Гц. Исходя из условий, представленных ранее, предлагается ряд технологических операций, реализуемых с помощью машин с одинаковой энергией единичного удара, которые переналаживаются с помощью смены технологических насадок в течение короткого промежутка времени. В табл. 1 приведен перечень технологических операций с указанием необходимой для их осуществления энергии и количества ударов.

Для практической реализации подобных технологий, а так же с учетом ГОСТ 17770-86 разработан ряд требований к ручному инструменту, приведенных в табл. 2.

Исходя из энергетических показателей, необходимых для реализации операций и требований к ручному инструменту, а так же поскольку наибольшей доступностью на объектах производства работ обладает электрическая сеть, универсальная ударная машина с линейным электромагнитным двигателем, обладающая энергией удара, достигающей 50 Дж и имеющая массу комплекта, не превышающую 10 кг, является наиболее удачным решением [3]. Примером такого устройства служит универсальная ударная машина, представленная на рис. 2, с оснасткой для опрессовки контактных соединений. Ее характеристики приведены в табл. 3.

У данной конструктивной схемы машины есть несколько недостатков. Основным является обламывание витков возвратной пружины, работающей по принципу растяжения, в области соединения ее конца и хвостовика за счет концентрации напряжений в этих местах [4]. Другим недостатком является низкая продолжительность включения из-за перегрева обмотки по причине больших токов в катушке электромагнитного двигателя во время рабочего хода. Второе обстоятельство не является критичным ввиду того, что большинство операций совершается за малое количество ударов, а для зарядки машины обрабатываемыми заготовками требуется время в 3-5 раз превышающее время совершения самой операции.

Таблица 1

Технологические операции и уровни энергетического воздействия

Table 1

Manufacturing operations and energy impact levels_

Технологические операции / Manufacturing operations Of To эщая энергоемкость / tal energy consumption

Общая работа, Дж / Total work, J Энергия единичного удара, Дж / Energy of a single impact, J Количество ударов, шт. / Number of impacts, pc.

Оконцевание проводов, алюминий 20 мм2 / Wire termination, Aluminium 20 mm2 500 50 10

Изготовление дроссельных перемычек, медь 35 мм2 / Manufacturing of throttle jumpers, copper 35 mm2 576 48 12

Запасовка грузовых канатов / Reeving of load ropes 350 50 7

Изготовление элементов щеточных узлов / Manufacturing of brush assembly elements 376 47 8

Оконцевание рукавов гидроаппаратуры / Termination of hydraulics sleeves 300 50 6

Оконцевание шлангов пневмоаппаратуры / Termination of pneumatic equipment hoses 300 50 6

Забивка стержней 0 6 мм в неметаллические материалы, дерево 50 мм / Driving 0 6 mm rods in non-metallic materials, 50 mm wood 45 45 1

Забивка дюбелей в основания 0 6 мм, глубина 50 мм, кирпич обыкновенный / Driving dowels in 0 6 mm base, 50 mm depth, common brick 44,5 44,5 1

Забивка костылей в шпалы / Driving spikes into ties 52 52 1

Соединение строительной арматуры / Connection of building bars 550 50 11

Таблица 2

Технические требования к инструменту

Table 2

_Tool technical specifications_

Масса машины, mM / Machine weight, mM Не более 10 кг / Not more than 10 kg

Удельная энергия привода, Т / mnP / Specific energy of a drive, Т / mnP Не менее 7 Дж/кг / Not less than 7 J/kg

Скорость бойка, УБ / Hammer head speed, Vfp Не менее 10 м/с / At least 10 m/s

Виброскорость машины, Увибр / Machine vibration velocity, Vv Не более 5,24 м/с / Not more than 5,24 m/s

Усилие нажатия, F Н / Press force, Fpi Не более 200 Н / Not more than 200 N

Сеть / Electric network 220 В; 50 Гц / 220 V; 50 Hz

Рис. 2. Конструктивные элементы опрессовывателя контактных соединений: 1 - корпус возвратного механизма; 2 - корпус машины с катушкой; 3 - матрицедержатель;

4 - матрица и пуансон; 5 - якорь-боек Fig. 2. Structural elements of a crimping tool for contact joints: 1 - casing of the recoil mechanism; 2 - body of the machine with a coil; 3 - die head; 4 - matrix and a punch; 5 - armature-head

Таблица 3

Характеристики и обмоточные данные электромагнитного двигателя

Table 3

Characteristics and the data on electromagnetic motor winding

Энергия удара, Дж / Impact energy, J 50

Масса бойка, кг / Hammer head weight, kg 0,8

Диаметр бойка, мм / Head diameter, mm 30

Длина катушки, мм / Coil length, mm 70

Высота намотки, мм / Winding lift, mm 16

Сечение обмотки, мм2 / Winding cross section, mm2 2,32

Число витков / Number of turns 300

Потребляемая мощность, кВт / Power consumption, kW 0,8

Масса двигателя, кг / Motor weight, kg 3,8

Результаты

Основными техническими задачами предлагаемой машины являются: увеличение эксплуатационного ресурса, снижение металлоемкости и, соответственно, массы снаряженного устройства, уменьшение габаритных размеров. Для решения данных проблем предлагается несколько конструктивных решений, основанных на усовершенствовании компоновочной схемы, приведенной ранее известной машины. В качестве первого примера можно привести устройство для соединения контактов, защищенное патентом [5], общая схема которого представлена на рис. 3.

Такая конструкция предусматривает исключение обламывания за счет применения пружины, работающей по принципу

сжатия, а также уменьшение массы устройства, так как механизм возврата бойка расположен за пределами массивного корпуса и оснащен легким кожухом из пластических материалов, который предназначен только для защиты рук и элементов одежды оператора от попадания в зону работы пружины.

Недостатком такой компоновки возвратного механизма можно назвать большие габаритные размеры готового прибора, поэтому целесообразно изменить конструкцию устройства с сохранением заявленных ранее свойств и меньшими, относительно предыдущего образца, внешними габаритами. Пример такого решения представлен на рис. 4.

Рис. 3. Принципиальная схема машины: 1 - защитный кожух; 2 - демпфер; 3 - корпус машины; 4 - электромагнитная катушка прямого хода; 5 - массивное тело бойка; 6 - пуансон; 7 - матрицедержатель; 8 - направляющая ось; 9 - демпфер; 10 - матрица; 11 - обрабатываемое изделие; 12 - поджимающая пружина; 13 - хвостовик; 14 - возвратная пружина; 15 - упорный элемент Fig. 3. Machine principle scheme: 1 - protective cover; 2 - damper; 3 - body; 4 - forward stroke electromagnetic coil; 5 - massive body of the head; 6 - punch; 7 - die head; 8 - steering axle; 9 - damper; 10 - die; 11 - working piece; 12 - spring bias; 13 - shank; 14 - return spring;

15 - bearing element

Рис. 4. Принципиальная схема машины с учетом доработок: 1 - хвостовик; 2 - демпфер; 3 - защитный кожух; 4 - корпус машины; 5 - электромагнитная катушка прямого хода; 6 - массивное тело бойка; 7 - ударник; 8 - пуансон; 9 - матрицедержатель; 10 - направляющая ось; 11 - демпфер; 12 - матрица; 13 - поджимающая пружина; 14 - воздухоотводы; 15 - упорный элемент Fig. 4. Machine principal scheme with modifications: 1 - shank; 2 - damper; 3 - protective cover; 4 - body; 5 - forward stroke electromagnetic coil; 6 - head massive body; 7 - striker; 8 - punch; 9 - die head; 10 - steering axle; 11 - damper; 12 - die; 13 - spring bias; 14 - air outlets; 15 - bearing element

Заключение

Результатом данного исследования является аналитически обоснованная возможность реализации ряда технологических операций, применяющихся в различных сферах производства, с помощью одного типоразмера ручных электромагнитных ударных машин. Такие устройства способны воздействовать на обрабатываемую деталь без дополнительных энергопреобразователей с энергией единичного удара, достигающей 50 Дж, могут работать без ограничений в условиях низких температур,

а так же обладают рядом важных преимуществ, таких как: универсальность применения; быстрое переналаживание для выполнения разных видов операций с помощью смены технологической оснастки; низкая масса комплекта машины с набором насадок. На основе опыта эксплуатации описываемых машин в конструкцию внесены усовершенствования, позволяющие повысить эксплуатационный ресурс и уменьшить габаритные размеры.

1. Абрамов А.Д., Каргин В.А., Морозова Н.А., Тюню-кова Т.К. Теория и практика проектирования виброударных машин и технологий для строительства, ремонта и эксплуатации транспорта и транспортных систем // Вестник Сибирского государственного университета путей сообщения. 2003. Вып. 5. С. 27-41.

2. Абрамов А.Д. Синтез виброударных машин для изготовления, ремонта и эксплуатации технологического оборудования: сб. статей Оренбургского государственного университета. Оренбург: ОГУ, 2005. С. 3-7.

3. Каргин В.А., Абрамов А.Д., Бондаренко А.Г., Тю-нюкова Т.К. Теория и практика комбинированных

чии список

технологических процессов с управляемым пластическим деформированием // Технология машиностроения. 2007. № 4. С. 53-60.

4. Ижбулдин Е.А. Разработка возвратной системы линейной ударной машины на основе анализа конструктивных схем // Технология машиностроения. 2016. № 8. С. 20-23.

5. Пат. 162279 РФ, МПК В 23 К 20/00. Устройство для соединения контактов / А.Д. Абрамов, Е.А. Ижбулдин, В.В. Банул; заявитель и патентообладатель Сиб. гос. ун-т путей сообщения. № 2015154083/02; заявл.16.12.2015; опубл.10.06.2016, Бюл. № 16.

References

1. Abramov A.D., Kargin V.A., Morozova N.A., Tyunyu-kova T.K. Teoriya i praktika proektirovaniya vibrou-darnykh mashin i tekhnologii dlya stroitel'stva, remonta i ekspluatatsii transporta i transportnykh sistem [Theory and practice of designing vibro-impact machines and technologies for transport and transport systems construction, repair and operation]. Vestnik Sibirskogo gosudarstvennogo universiteta putei soobshcheniya [Bulletin of the Siberian Transport University]. 2003, no. 5, pp. 27-41. (In Russian)

2. Abramov A.D. Sintez vibroudarnykh mashin dlya izgotovleniya, remonta i ekspluatatsii tekhnolog-icheskogo oborudovaniya [Synthesis of shock-vibrating machines for process equipment manufacture, repair and operation]. In: sb. statei Orenburgskogo gosudarstvennogo universiteta [Collection of articles of Orenburg State University]. Orenburg, OGU Publ., 2005, pp. 3-7. (In Russian)

Критерии авторства

Абрамов А.Д. разработал опрессовыватель, являющийся прототипом, и является соавтором новых конструктивных решений машины. Ижбулдин Е.А. рассмотрел возможность применения ручных электромагнитных ударных машин для широкого круга технологических операций, провел обобщение и написал рукопись. Абрамов А.Д. и Ижбулдин Е.А. несут равную ответственность за плагиат.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Статья поступила 11.11.2016 г.

3. Kargin V.A., Abramov A.D., Bondarenko A.G., Tyunyukova T.K. Teoriya i praktika kombinirovannykh tekhnologicheskikh protsessov s upravlyaemym plas-ticheskim deformirovaniem [Theory and practice of combined technological processes with controlled plastic deformation]. Tekhnologiya mashinostroeniya [Mechanical Engineering Technology]. 2007, no. 4, pp. 53-60. (In Russian)

4. Izhbuldin E.A. Razrabotka vozvratnoi sistemy lineinoi udarnoi mashiny na osnove analiza konstruktivnykh skhem [Development of the return system for the line shock machine based on the structural schemes analysis]. Tekhnologiya mashinostroeniya [Mechanical Engineering Technology]. 2016, no. 8, pp. 20-23. (In Russian)

5. Abramov A.D., Izhbuldin E.A., Banul V.V. Ustroistvo dlya soedineniya kontaktov [Device for contacts connection]. Patent RF, no. 162279, 2016.

Authorship criteria

Abramov A.D. has developed a prototype crimping tool and is a co-author of the new design of the machine. Izhbuldin E.A. has considered the possibility of using hand-held electromagnetic impact machines for a wide range of technological operations, summarized the material and wrote the manuscript. Abramov A.D. and Izhbuldin E.A. bear equal responsibility for plagiarism.

Conflict of interests

The authors declare that there is no conflict of interests regarding the publication of this article.

The article was received 11 November 2016