CC BY
40
Современные тенденции в развитии ручного ударного электроинструмента Шабанов А. С.1, Нейман В. Ю.2
1 Шабанов Андрей Сергеевич /Shabanov Andrei Serheevych - аспирант;
2Нейман Владимир Юрьевич /Neyman Vladimir Yurevych - доктор технических наук, профессор, кафедра теоретических основ электротехники, факультет мехатроники и автоматизации, Новосибирский государственный технический университет, г. Новосибирск
Аннотация: рассмотрены современные тенденции в развитии ручного ударного электроинструмента с линейным электромагнитным и коллекторным электроприводом переменного тока. Выполнен сравнительный анализ удельных показателей ударных машин, учитывающий тип электропривода.
Abstract: the modern trend of hand percussion power tools with electromagnetic and electric AC collector. Comparative analyses of specific indicators drum machines, taking into account the type of drive.
Ключевые слова: ручной ударный электроинструмент, электромагнитный привод, коллекторный привод, удельные показатели.
Keywords: manual percussive power, electromagnetic drive, collecting drive specific parameters.
Ручной ударный электроинструмент нашел широкое практическое применение в промышленности, в особенности при проведении строительно-монтажных работ.
Ручные электрические ударные машины, по сравнению с другими ручными машинами ударного действия, наиболее удобны в эксплуатации, обладают более высокой устойчивостью к влиянию низких температур, а их разновидность - электромагнитные машины обладают наибольшей вибробезопасностью. Следует также отметить, что современное производство электромеханических коллекторных и электромагнитных ударных машин ориентировано на создание многофункциональных устройств, повышение производительности и улучшение условий труда, а также обеспечение безопасности эксплуатации. Наилучшим образом удовлетворяют этим требованиям электромеханические ударные машины, использующие коллекторный электропривод.
Производимые сегодня известными зарубежными фирмами перфораторы с коллекторными двигателями переменного тока обладают широким спектром возможностей, обеспечению которых способствуют универсальная система зажима инструмента, многофункциональная установка долота, система электронного регулирования числа ударов и силы ударов, электронная система регулирования постоянства числа ударов под нагрузкой, мягкий пуск для точного позиционирования инструмента в месте долбления, блокировка удара и вращение инструмента, предохранительная проскальзывающая муфта, электронное устройство переключения числа оборотов, переключатель направления вращения, индикатор износа угольных щеток, система самоотключения графитовых щеток и контрольный оптический индикатор повреждения кабеля.
Представленные на рис. 1 диаграммы качественно иллюстрируют достигнутый уровень показателей, характеризующих основную массу ручных ударных и ударно-вращательных машин, выделенных в группы по двум признакам: страна-производитель и принцип получения ударных импульсов. Для объективности анализа показателей электрических ударных машин использованы данные о более чем 500 типоразмерах отечественных и зарубежных машин, приведенные в каталогах, рекламных проспектах и паспортных данных машин.
Из диаграмм (рис. 1) очевидно существенное превосходство по удельной энергии удара и удельной ударной мощности электромеханических коллекторных машин зарубежного производства. Электромеханические коллекторные ударные машины отечественного производства по удельной энергии удара сравнимы с электромагнитными ударными машинами, а по удельной ударной мощности существенно их опережают.
1 - электромеханические “зарубежных фирм'
2 - электромеханические “предприятий
бывшего СССР”
3 - электромагнитные
□
- показатель характеризующий большинство ударных машин
- максимальное значение показателя
Рис.1. Диаграммы распределения удельных показателей ручного ударного электроинструмента
Более низкие значения показателей у всех типов перфораторов по сравнению с молотками объясняются включением в общий вес дополнительной массы редуктора вращения инструмента, а у электромагнитных машин еще и включением дополнительной массы двигателя, вращающего редуктор. Сравнение основных показателей позволяет сделать вывод о том, что у основной массы современных ручных электромеханических машин, использующих коллекторные двигатели переменного тока, показатель
удельной энергии ударов составляет (0,59...1,73) Дж/кг, а удельной ударной мощности - (31,2_71,3) Вт/кг,
при этом у электромагнитных ударных машин эти показатели ниже и составляют соответственно (0,37...0,78) Дж/кг и (20,8...38,8) Вт/кг. Откуда следует, что электромеханические ручные ударные машины с коллекторным приводом по сравнению с электромагнитными имеют более высокие удельные энергетические показатели, и дальнейшее использование коллекторных двигателей, вращательное движение ротора которых преобразуется в возвратно-поступательное движения бойка при помощи промежуточных механических передач, является очевидным.
Актуальность проблемы повышения удельных энергетических показателей ручных электромагнитных ударных машин подтверждает и анализ патентной литературы за последний период времени. Так, из двухсот патентов и авторских свидетельств, относящихся к обсуждаемой проблеме, более шестидесяти посвящено вопросу повышения удельных энергетических показателей.
В одном из проведенных исследований в 2002 г. было отмечено, что ближайшие 10-15 лет проблема повышения удельных энергетических показателей ручных электромагнитных машин ударного действия будет решаться преимущественно путем создания новых конструктивных схем, а не за счет использования новых активных материалов (сверхпроводящих материалов для изготовления обмоток и новых ферромагнитных материалов с индукцией насыщения, превосходящей в несколько раз значение этого параметра у используемых материалов) [1]. Следует отметить, что за истекший промежуток времени данные выводы подтвердились. Несмотря на то, что первые исследования авторов по данному вопросу были озвучены более десяти лет назад, удельные показатели ударного электроинструмента сохранились на прежнем уровне. Между тем произошли серьезные изменения в линейке производимой продукции. Сегодня на рынке производителей ударного электроинструмента с коллекторным приводом существенно увеличилась номенклатура производства, а также значительно расширился круг производителей. Основное внимание уделяется многофункциональности электроинструмента, его эргономики, а также вопросам управления и энергосбережения. Производство электроинструмента с электромагнитным приводом на Российском рынке полностью вытеснено электроинструментом с коллекторным приводом. Аналогичная ситуация также сохраняется у зарубежных производителей.
Совсем становится очевидным, что электромагнитный привод полностью утратил свои позиции на рынке производителей электроинструмента. Прежде всего, это связано с тем, что, несмотря на большие усилия в поиске новаторских решений по улучшению характеристик электромагнитных ударных машин, реальной поддержки у производителей они не получили. Конструктивные схемы электромагнитных ударных узлов практически не изменились за весь период их производства, начиная с 1975 г. Также сохранились на прежнем уровне основные подходы к расчету и проектированию электромагнитных ударных машин.
Несмотря на это, линейный электромагнитный привод находит сегодня широкое применение в промышленности и постоянно совершенствуется, что может послужить новым толчком в развитии ударного электроинструмента [2-7]. Среди класса электромагнитных машин наибольший интерес, как обладающие более высокими значениями КПД, представляют низкочастотные синхронные электромагнитные машины,
для которых частота ударов кратна частоте питающей промышленной сети [8-13]. Вопросы, связанные с совершенствованием инженерных методик их расчета и проектирования, по-прежнему сохраняют свою актуальность [14, 15]. Существенно изменились конструктивные варианты схем ударных машин, которые продолжают совершенствоваться [16-26]. Особое внимание, вследствие относительно низкого КПД (не более 46 %), уделяется вопросам нагрева и охлаждения электромагнитного привода [27-35].
Анализируя текущее положение дел и результаты исследований последних лет по реализации совершенно новых рабочих циклов и конструкций электромагнитных машин, следует отметить, что уже в настоящее время это поможет существенно улучшить их силовые и энергетические характеристики и изменить ситуацию на рынке производителей электроинструмента в пользу электромагнитного привода.
Литература
1. Угаров Г. Г., Нейман В. Ю. Тенденции развития и применения ручных ударных машин с электромеханическим преобразованием энергии. // Известия вузов. Электромеханика. 2002. № 2. С. 3743.
2. Аксютин В. А. Прессовое оборудование с линейным электромагнитным приводом для механизации технологических процессов ударной сборки и штамповки мелких изделий. / В. А. Аксютин, Л. А. Нейман, В. Ю. Нейман, А. А. Скотников. // Актуальные проблемы в машиностроении. 2015. № 2 С. 220224.
3. Нейман В. Ю. Способы повышения энергетических показателей однообмоточных импульсных устройств с электромагнитным возбуждением. / В. Ю. Нейман, Д. М. Евреинов, Л. А. Нейман, А. А. Скотников, Ю. Б. Смирнова. // Транспорт: Наука, техника, управление: Научный информационный сборник. М.: Изд-во ВИНИТИ, 2010. № 8. С. 29-31.
4. Малинин Л. И., Нейман В. Ю. Предельные силовые характеристики электромагнитных двигателей постоянного тока. // Электротехника. 2009. № 12. С. 61-67.
5. Малинин Л. И., Нейман В. Ю. Определение напряжения преобразования энергии и электромагнитных сил в электромеханических системах. // Электричество. 2008. № 6. С. 57-62.
6. Нейман В. Ю. Режимы форсированного аккумулирования магнитной энергии в импульсных линейных электромагнитных двигателях. / В. Ю. Нейман. // Научный вестник Новосибирского государственного технического университета. 2003. № 1. С. 105-112.
7. Нейман В. Ю. Петрова А. А. Сравнение способов форсировки импульсных линейных электромагнитных двигателей. // Электротехника. 2007. № 9. С. 47a-50.
8. Нейман Л. А., Нейман В. Ю. Низкочастотные ударные электромагнитные машины и технологии. // Актуальные проблемы в машиностроении. 2014. № 1 С. 256-259.
9. Нейман Л.А., Нейман В. Ю. Линейные синхронные электромагнитные машины для низкочастотных ударных технологий. // Электротехника. 2014. № 12. С. 45-49.
10. Нейман Л. А., Нейман В. Ю. Исследование двухкатушечной синхронной электромагнитной машины с инерционным реверсом бойка. // Современные проблемы теории машин. 2014. № 2. С. 109-110.
11. Нейман Л. А. Анализ процессов энергопреобразования в однокатушечной синхронной электромагнитной машине с двухсторонним выбегом бойка. // Известия Томского политехнического университета. 2013. № 4, Т. 323. С. 112-116.
12. Нейман Л. А., Нейман В. Ю. Рабочий цикл двухкатушечной синхронной электромагнитной машины со свободным выбегом бойка. // Известия вузов. Электромеханика. 2013. № 6. С. 48-52.
13. Нейман Л. А. Анализ процессов энергопреобразования в двухкатушечной синхронной электромагнитной машине с инерционным реверсом бойка. // Известия Томского политехнического университета. 2014. № 4, Т. 325. С. 157-163.
14. Нейман Л. А. Синхронный электромагнитный механизм для виброударного технологического оборудования. // Справочник. Инженерный журнал с приложением. 2014. № 6 (207). С. 17-19.
15. Нейман Л. А., Нейман В. Ю. Новые конструктивные решения проблемы точной синхронизации возвратно-поступательного движения бойка неуправляемой электромагнитной машины ударного действия. // Актуальные проблемы в машиностроении. 2015. № 2 С. 280-285.
16. Шабанов А. С., Нейман В. Ю. Режимы работы импульсных линейных электромагнитных двигателей. // Наука, техника и образование. 2015, № 5 (11). С. 21-26.
17. Шабанов А. С., Нейман В. Ю. Анализ режимов работы линейных электромагнитных двигателей. // Наука, техника и образование. 2015, № 6 (12). С. 17-22.
18. Нейман Л. А., Нейман В. Ю. Повышение точности аналитического расчета радиальных сил одностороннего магнитного притяжения некоаксиальных элементов магнитопровода. // Научный вестник Новосибирского государственного технического университета. 2015. № 1 (58). С. 246-256.
19. Нейман Л. А., Петрова А. А., Нейман В. Ю. К оценке выбора типа электромагнита по значению конструктивного фактора. // Известия вузов. Электромеханика. 2012. № 6. С. 62-64.
20. Нейман В. Ю., Нейман Л. А., Петрова А. А. О методике к выбору типа электромагнита по значениям конструктивного фактора. // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. 2011. № 2. С. 310-313.
21. Нейман Л. А., Нейман В. Ю. Применение метода проводимостей для учета силы одностороннего магнитного притяжения асимметричного электромагнита. // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2015. № 2 (97) С. 214-218.
22. Соловейчик Ю. Г. Оптимизация геометрии линейных электромагнитных двигателей с использованием конечноэлементного моделирования магнитного поля. / Ю. Г. Соловейчик, В. Ю. Нейман, М. Г. Персова, М. Э. Рояк, Ю. Б. Смирнова, Р. В. Петров // Известия вузов. Электромеханика. 2005. № 2. С. 24-28.
23. Нейман В. Ю., Нейман Л. А., Петрова А. А. Расчет показателя экономичности силового электромагнита постоянного тока с помощью моделирования магнитного поля. // Транспорт: Наука, техника, управление: Научный информационный сборник. М.: Изд-во ВИНИТИ, 2008. № 6. С. 21-24.
24. Петрова А. А., Нейман В. Ю. Моделирование в FEMM магнитного поля для расчета тяговых характеристик электромагнитных двигателей постоянного тока. // Сборник научных трудов Новосибирского государственного технического университета. 2008. № 2. С. 101-108.
25. Нейман Л. А. К оценке выбора типа электромагнита по значению конструктивного фактора. / Л. А. Нейман, А. А. Петрова, В. Ю. Нейман // Известия вузов. Электромеханика. - 2012. - № 6.- С. 62-64.
26. Нейман Л. А. К решению задачи рационального выбора электромагнитного двигателя заданного габарита и веса на основе численного эксперимента. // Научный вестник Новосибирского государственного технического университета 2013. № 4. С. 184-190.
27. Нейман Л. А, Нейман В. Ю. Шабанов А. С. Упрощенный расчет электромагнитного ударного привода в повторно-кратковременном режиме работы. // Электротехника. 2014. № 12. С. 50-53.
28. Нейман Л. А. Оценка конструктивного совершенства систем охлаждения синхронных электромагнитных машин ударного действия. // Научный вестник Новосибирского государственного технического университета.
2013. № 4. С. 177-183.
29. Нейман В. Ю., Нейман Л. А. Оценка конструктивного совершенства систем принудительного охлаждения синхронных электромагнитных машин ударного действия. // Журнал Сибирского Федерального университета. Серия: Техника и технологии. 2015. № 2, Т.8. С. 166-175.
30. Нейман Л. А. Исследование перегрузочной способности цикличного электромагнитного привода в зависимости от начального превышения температуры в переходных тепловых режимах. // Электротехника.
2014. № 7. С. 7-12.
31. Нейман Л. А. Приближенный расчет цикличного электромагнитного привода с учтенным начальным превышением температуры в переходном тепловом процессе нагрева. // Доклады Академии наук высшей школы Российской Федерации. 2014. № 1 (22). С. 113-122.
32. Нейман Л. А . Оценка перегрузочной способности ударного электромагнитного привода по средней температуре перегрева в переходных режимах. // Известия вузов. Электромеханика. 2013. № 6. С. 58-61.
33. Нейман В. Ю., Нейман Л. А., Петрова А. А. Сравнение геометрически подобных систем электромагнитов по условию постоянства теплового критерия. // Электротехника. 2011. № 12. С. 14а-16.
34. Нейман Л. А., Скотников А. А. Анализ процесса нагрева электромагнитного двигателя работающего в импульсном режиме. // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. 2012. № 2. С. 319— 322.
35. Нейман Л. А., Скотников А. А., Нейман В. Ю. Исследование нагрева электромагнитного двигателя в переходных режимах. // Известия вузов. Электромеханика. 2012. № 6. С. 50-54.
