Экспериментальные исследования динамики электромеханического перфоратора с ударно-поворотным механизмом

Бюллетень науки и практики / Bulletin of Science and Practice

УДК 621.01                                        

Экспериментальные исследования динамики электромеханического перфоратора с ударно-поворотным механизмом проводятся с целью определения и уточнения числовых значений и взаимосвязи основных параметров его элементов. Для проведения экспериментальных исследований разработана методика и сформулированы задачи, решаемые в ходе экспериментальных исследований. На Рисунке 1 представлен экспериментальный стенд.

Рисунок 1. Экспериментальный стенд: 1 — универсальный коллекторный двигатель; 2 — редуктор; 3, 11 — генераторы постоянного тока; 4 — кривошип; 5 — шатун; 6 — коромысло; 7 — боек; 8 — волновод; 9 — поворотный механизм; 10 — инструмент; 12 — цифровой осциллограф; 13 — фиксатор; 14 — персональный компьютер

Для регистрации сигналов, поступающих от датчиков (генераторов постоянного тока) используются цифровой осциллограф и персональный компьютер. Так как одной из основных задач экспериментальных исследований динамики электромеханического перфоратора с ударно-поворотным механизмом является исследование его выходных характеристик, в ходе экспериментальных исследований будут измерены показатели угловой скорости кривошипа и инструмента. По величине угловой скорости кривошипа с учетом передаточных отношений ударного механизма и механизма поворота инструмента можно оценить основные выходные характеристики электромеханического перфоратора в целом — энергии удара и угол поворота инструмента. Угловая скорость кривошипа фиксируется генератором постоянного тока типа Д-25Г (Рисунок 1). Вращательное движение кривошипа преобразуется в электрический сигнал с помощью генератора постоянного тока. Регистрация угловой скорости поворотного механизма производится генератором постоянного тока типа Д-25Г. Полученный электрический сигнал в цепи с помощью цифрового осциллографа передается к персональному компьютеру [1].

Основными технико-эксплуатационными характеристиками перфоратора являются энергия удара, частота ударов, потребляемая мощность перфоратора и другие. Поэтому для оценки величин этих показателей необходимо снятие экспериментальным путем вышеназванных параметров перфоратора. В качестве привода электромеханического перфоратора служит универсальный коллекторный двигатель с номинальной мощностью N н

= 1,2 кВт и номинальной частотой вращения n н = 16600 об/мин, который питается от обычной бытовой розетки. Основным исполнительным механизмом данного перфоратора является ударный механизм переменной структуры, состоящий из кривошипа, шатуна и коромысла. На Рисунке 2 представлен созданный экспериментальный стенд [1‒5].

Рисунок 2. Экспериментальный стенд для исследования динамики электромеханического перфоратора

В ходе экспериментальных исследований измерялись угловая скорость кривошипа ударного механизма, угловая скорость инструмента перфоратора при его повороте. В качестве регистрирующей аппаратуры служит цифровой осциллограф. По величине диаграммы электрического тока, полученного от генератора постоянного тока вычисляется угловая скорость элемента. Все эти преобразования и вычисления осуществляются после тарирования измерительного оборудования.

В ходе проведенных экспериментальных исследований были получены диаграммы угловых скоростей кривошипа и инструмента. Диаграмма угловой скорости кривошипа (Рисунок 3) показывает, что угловая скорость кривошипа переменна в цикле. Максимальная угловая скорость кривошипа составляет ω кр.max ≈100 с^-1, что достигается в конце цикла при φ кр =320° и кривошип имеет минимальную угловую скорость при φ кр ≈135°, равную ω кр.min ≈77с^-1. Таким образом, размах колебаний угловой скорости кривошипа составляет:

Δω кр = ω кр.max - ω кр.min = 100с^- - 77с^- =23с^- (1)

В начале цикла кривошип имеет угловую скорость, равную ω кр =86с^-1. На значение угловой скорости кривошипа влияют имеющиеся нагрузки, т.е. нагрузки со стороны ударного и поворотного механизмов. А изменение величины нагрузок при постоянном моменте инерций элементов (коромысло, инструмент) зависит от текущего значения передаточных отношений механизмов.

Если рассматривать изменения значений передаточных отношений механизмов (Рисунок 3), то передаточное отношение ударного механизма имеет наибольшее значение в диапазоне углового положения кривошипа, равного φ кр ≈110°‒180°. При этом, в диапазоне

φ кр ≈75°‒135° передаточное отношение кривошипно-коромыслового механизма поворотного узла также имеет относительно высокие значения и механизм находится в зоне рабочего хода. Таким образом, на низкие показатели угловой скорости кривошипа в зоне φ кр ≈90°‒180° оказывают влияние высокие показатели значений передаточных отношений ударного и поворотного механизмов, а также нахождение поворотного механизма в зоне рабочего хода. В конце цикла кривошип имеет относительно большую угловую скорость. Это объясняется тем, что в конце цикла ударный механизм и кривошипно-коромысловый механизм поворотного узла имеют относительно низкие значения передаточных отношений, тем более поворотный механизм находится в зоне холостого хода и соответственно имеет относительно минимальную нагрузку.

Рисунок 3. Диаграмма экспериментальных значений угловой скорости кривошипа

По значению предударной угловой скорости кривошипа можно рассчитать действительное значение такой выходной характеристики перфоратора как энергия удара:

. _ /з '                                                         (2)

я =------.

где: J 3 — момент инерции коромысла относительно оси вращения, кг ⋅ м²; w₃ — предударная угловая скорость коромысла, рад/с.

Сравнивая экспериментальное значение энергии удара с расчетным, можно сказать, что расчетное значение энергии удара выше от экспериментального значения энергии удара на 25%, что объясняется низкими параметрами электрической сети (напряжение ниже 220 в).

При экспериментальных исследованиях также были получены диаграммы изменения угловой скорости инструмента перфоратора (Рисунок 4) в процессе его работы.

Диаграмма угловой скорости инструмента показывает, что инструмент имеет максимальную угловую скорость при φ кр ≈100°, равную ω пм =15 с^-1, в режиме рабочего хода инструмента, что соответствует работе инструмента перфоратора в рабочем ходе, однако с окончанием рабочего хода, инструмент не останавливается и в режиме холостого хода инструмент также имеет минимальную угловую скорость. Видимо, это связано наличием вибрации при работе перфоратора.

Рисунок 4. Диаграмма экспериментальных значений угловой скорости инструмента

Выводы

На основе выполненных работ по проведению экспериментальных исследований опытного образца электромеханического перфоратора с ударно-поворотным механизмом позволило сделать следующие выводы:

• —    Создан экспериментальный стенд и разработана методика проведения исследований динамики электромеханического перфоратора;

• —    Диаграмма угловой скорости кривошипа, полученная экспериментальным путем, показывает, что угловая скорость кривошипа в конце цикла достигает максимального значения, что необходимо для получения требуемой энергии удара;

• —    Диаграмма угловой скорости инструмента показывает, что она имеет максимальную угловую скорость при φ кр ≈100°, равной ω пм =15 с^-1, в режиме рабочего хода инструмента, что соответствует работе инструмента в рабочем ходе;

— На основе анализа результатов экспериментальных исследований электромеханического перфоратора определены целенаправленные пути, направленные на совершенствование конструкций его основных деталей и узлов, улучшение надежности и долговечности работы опытного образца перфоратора.