Тенденции и перспективы развития ручных шлифовальных пневматических машин

Введение

Ручные шлифовальные пневматические машины широко применяют во многих отраслях промышленности для механизации трудоемких ручных работ, таких как зачистка сварных швов, удаление сварочного грата и литейного облоя, обработка фасок, обрезка литников, доводка прессформ и штампов и т.д.

Первые шлифовальные машины появились еще в конце XIX века и в течение длительного времени их конструкция и параметры оставались практически неизменными. Однако за последние несколько десятков лет произошло стремительное развитие практически всех областей науки и техники, что отразилось и на такой традиционной, даже консервативной отрасли, как производство пневматического инструмента.

Современные шлифовальные пневматические машины стали намного легче, мощнее, эргономичнее и экономичнее своих предшественниц.

В настоящее время мировыми лидерами в производстве ручных шлифовальных пневматических машин являются крупные многопрофильные корпорации, такие как Atlas Copco, Chicago Pneumatic, Daewoo, Ingersall Rand, а также специализированные фирмы - Air Turbine Tools, ATA-group, Banko, Вiax, Deprag, Dezoutter, Dynabrade, Fuji, Gison, Kawasaki, Lukas, Pferd и многие другие.

В Китае и на Тайване есть десятки действующих фирм по производству пневмоинструмента, при этом ежегодно появляется несколько новых фирм.

В РФ остались всего несколько производителей пневматического инструмента, среди которых можно отметить Томский электромеханический завод, ПК «Резолит», Челябинск, ООО «Катран-пневмо», СПб, НПО "СудоРПМ", СПб.

Все отечественные предприятия выпускают традиционные шлифовальные машины с ротационно-пластинчатым приводом, прототипы которых были разработаны и производились еще в СССР.

1. Параметры, выбранные для оценки эволюции машин

Выявить тенденции развития шлифовальных пневматических машин можно оценив результаты эволюции их параметров на протяжении значительного интервала времени. С этой целью сопоставим параметры современных машин с требованиями ГОСТ 12634-80 «Машины ручные шлифовальные пневматические. Технические условия» [1], в котором зафиксированы основные параметры ручных шлифовальных пневматических машин, достигнутые в отрасли к 1980 году.

Для сравнения машин выбраны три наиболее информативных параметра:

удельная мощность , кВт/кг, где - эффективная мощность двигателя, кВт; m – масса машины, кг.
удельный расход воздуха /(мин*кВт), где Q - объемный расход воздуха при нормальных условиях, м³/мин.
частота вращения ротора машины n, об/мин.

2. Определение тенденций развития шлифовальных машин

Внесем в таблицу 1 параметры машин, зафиксированные в ГОСТе [1], а также параметры современных машин, приведенные в каталогах ведущих фирм-производителей [2, 3, 4, 5], расположив их в порядке возрастания номинальной мощности. Определим также средние значения величин и q для рассматриваемых модельных рядов, а также для совокупности всех представленных машин.

Таблица 1

№№ п/п		Индекс модели машины	Наименование параметров
			Удельная мощность, кВт/кг	Удельный расход, м³ / (мин*кВт)		Частота вращения, об/мин
						n
		1	2	3		4
Модельный ряд машин по ГОСТ 12634-80 (в качестве индекса машины использована величина ее номинальной мощности Nₑ, кВт)
1	0,03		0,03/0,3 = 0,10	3,00		79 583
2	0,16		0,16/0,8 = 0,20	1,55		29 844
3	0,25		0,25/1,0 = 0,25	1,90		19 100
4	0,35		0,35/1,4 = 0,25	2,00		19 100
5	0,50		0,50/1,9 = 0,26	2,04		12 127
6	0,70		0,70/2,6 = 0,27	1,75		9 550
7	0,85		0,85/3,5 = 0,24	1,55		7 640
8	1,3		1,30/4,8 = 0,27	1,40		6 112
9	1,5		1,50/5,4 = 0,28	1,35		5 093
10	1,7		1,70/7,0 = 0,24	1,30		3 820
Среднее арифметическое значение параметров модельного ряда			0,24	1,78		-
Модельный ряд фирмы Biax, машины с ротационным приводом
1	TSD 385		0,10/0,19 = 0,53	0,17/0,10 = 1,7		85 000
2	SARD 830		0,26/0,50 = 0,52	0,40/0,26 = 1,5		30 000
3	SRD 8-20/2		0,30/0,57 = 0,53	0,50/0,30 = 1,7		20 000
4	SRH 10-15/2		0,40/0,97 = 0,41	0,70/0,40 = 1,7		15 000
Среднее значение параметров ряда			0,50	1,65		-
Модельный ряд фирмы ATA-group, машины с ротационным приводом
1	SP75R		0,11/0,15 = 0,73		0,20/0,11 = 1,8	75 000
2	SD45R		0,15/0,24 = 0,63		0,23/0,15 = 1,5	45 000
3	S50		0,19/0,36 = 0,53		0,45/0,19 = 2,4	50 000
4	SD37L		0,30/0,46 = 0,65		0,57/0,30 = 1,4	37 000
5	S22L		0,63/0,93 = 0,68		0,85/0,63 = 1,4	22 000
6	SV27LR		0,75/0,85 = 0,88		0,92/0,75 = 1,2	25 000
Среднее значение параметров ряда			0,68		1,61	-
Модельный ряд фирмы Atlas Copco, машины с ротационным приводом
1	LSF18 S300-1		0,50/0,50 = 1,00		0,68/0,50 = 1,4	30 000
2	LSF28 S250		0,86/0,80 = 1,08		1,11/0,86 = 1,3	25 000
3	LSF38 S250E-01		1,35/1,50 = 0,90		1,68/1,35 = 1,2	25 000
4	LSR48 S090-CW		1,50/2,30 = 0,65		1,70/1,50 = 1,1	9 000
5	LSR48 S060-15		2,30/5,40 = 0,43		2,46/2,30 = 1,1	6 000
6	LSR64 S100-15		2,90/5,80 = 0,50		3,18/2,90 = 1,1	10 000
Среднее значение параметров ряда			0,76		1,20	-
Модельный ряд фирмы Air Turbine Tools, машины с турбинным приводом
1	201SV		0,15/0,17 = 0,88		0,20/0,15 = 1,32	40…90 000
2	204XSV		0,30/0,23 = 1,30		0,26/0,30 = 1,17	30…50 000
3	525SV		0,34/0,40 = 0,85		0,56/0,34 = 1,63	30…40 000
4	202DM		0,41/0,37 = 1,11		0,57/0,41 = 1,36	30…65 000
5	525XDM		0,68/0,58 = 1,17		0,85/0,68 = 1,25	30…40 000
Среднее значение параметров ряда			1,06		1,35	-
Среднее значение для всех машин			0,76		1,44	-

Оценим величину изменения рассматриваемых параметров модельных рядов машин, представленных в таблице 1, по отношению к параметрам модельного ряда машин, соответствующих ГОСТу [1]:

Фирма Biax, шлифмашины с ротационным приводом:

увеличилась в 2,1 раза; q снизился на 7%.

Фирма ATA-group, шлифмашины с ротационным приводом:

увеличилась в 2,8 раза; q снизился на 9,5%.

Фирма Atlas Copco, шлифмашины с ротационным приводом:

увеличилась в 3,2 раза; q снизился на 32%.

Фирма Air Turbine Tools, шлифмашины с турбинным приводом. Тип турбины – центробежная реактивная турбина:

увеличилась в 4,4 раза; q снизился на 24%.

Средние значения и q для рассматриваемых модельных рядов машин отображены гистограммами на рисунке 1.1.


а	б

а - удельная мощность машин, , кВт/кг; б - удельный расход воздуха q, м³ / (мин*кВт). Обозначение модельного ряда: 1- ГОСТ [15]; 2 - Biax; 3 - ATA-group; 4 - Atlas Copco; 5 - Air Turbine Tools.

Рисунок 1.1 Средние значения параметров модельных рядов машин

Проведенный ретроспективный анализ изменения параметров выявил две значимые тенденции в эволюции ручных шлифовальных пневматических машин - повышение удельной мощности машин и снижение удельного расхода воздуха q. За рассматриваемый интервал времени удельный расход воздуха q снизился в среднем на 20%, при этом средняя удельная мощность увеличилась в 3,2 раза.

Третий параметр, выбранный для сравнения машин - это частота вращения ротора n. В отличие от первых двух параметров - удельной мощности и удельного расхода воздуха вычисление средней величины частоты вращения ротора для рассматриваемых модельных рядов не производилось, поскольку такая характеристика для модельного ряда машин не имеет физического смысла. Тем не менее, ретроспективный анализ изменения частоты вращения позволил сделать важные выводы в отношении перспектив развития шлифовальных машин. Отметим, что весь приведенный ниже анализ относится исключительно к машинам с ротационно-пластинчатым двигателем, которые в настоящее время занимают доминирующее положение (более 99%) в парке ручных шлифовальных машин.

Рассмотрим вначале модельный ряд машин по ГОСТ [1]. Их частоты вращения приведены в колонке 4 таблицы 1 и отображены гистограммой на рисунке 1.2 а.


а	б

а – гистограмма частот вращения машин, соответствующих ГОСТ [1];

б – соотношение мощности и частоты вращения машин по ГОСТ [1].

Рисунок 1.2 Поле параметров машин модельного ряда по ГОСТ [1]

Весь гостовский модельный ряд состоит из 10 машин с диапазоном изменения частоты вращения от 3 820 об/мин (модель №10) до 79 583 об/мин (модель №1). Отметим, что величина частоты вращения у 9 моделей из 10 имеющихся, находится в интервале от 3 000 об/мин до 30 000 об/мин.

Следовательно, в интервале частот вращении машин от 30 000 об/мин до 75 000 об/мин ГОСТом [1] не предусмотрено ни одной модели машины. Границы свободной ниши обозначены на рисунке 1.2 а и на рисунке 1.2 б.

Эта ситуация сохраняется и в настоящее время - в каталогах ведущих производителей пневмоинструмента [2, 3, 4, 5] практически отсутствуют шлифовальные машины с частотой вращения выше 30 000 об/мин, за исключением тривиальных случаев высокооборотных машин малой мощности [2, 3] и немногочисленных машин с турбинным приводом [5, 6].

Таким образом, в течение уже более 40 лет остается практически не занятой ниша высокооборотных машин повышенной мощности, несмотря на то, что потенциально это весьма перспективный и востребованный класс шлифовальных машин, способных реализовать методы высокоскоростного шлифования [7] и, в результате, многократно повысить производительность процесса шлифования и качество обрабатываемой поверхности.

3. Перспективы развития шлифовальных машин

Методы высокоскоростного шлифования базируются на эффекте локального разупрочнения металла в зоне шлифования при достижении определенной величины скорости резания. Этот процесс сопровождается резким снижением величины сил резания и одновременным уменьшением количества теплоты выделяемой в зоне шлифования. При этом основная часть выделяемой теплоты концентрируется в стружке, которая удаляется из зоны резания с высокой скоростью, в результате чего теплота не успевает переходить в заготовку. В результате происходит снижение температуры нагрева обрабатываемой детали и шлифовального круга, что повышает качество обрабатываемой поверхности и увеличивает ресурс режущего инструмента.

Очевидно, что создание нового класса мощных высокооборотных машин является актуальным и перспективным направлением в развитии ручных пневматических шлифовальных машин. При этом следует учесть, что такой класс мощных высокоскоростных машин невозможно создать на базе традиционного для пневмоинструмента ротационно-пластинчатого двигателя.

Необходимое для реализации эффекта высокоскоростного шлифования повышение скорости резания шлифовального круга требует, в свою очередь, соответствующего увеличения частоты вращения и мощности приводного двигателя. Осуществить одновременное увеличение мощности и частоты вращения ротационно-пластинчатого двигателя весьма сложно, поскольку для повышения мощности требуется увеличение диаметра ротора двигателя, а для повышения частоты вращения, наоборот, его уменьшение. Данная особенность рабочего процесса ротационно-пластинчатого двигателя является серьезным барьером на пути создания высокооборотных машин повышенной мощности, поэтому для разработки нового класса мощных высокооборотных машин целесообразно выбрать другой тип приводного двигателя.

Сегодня в ручных пневматических шлифовальных машинах находят применение различные типы двигателей: ротационно-пластинчатый, турбинный, аксиально-поршневой, шестеренный, вихревой, а также роторно-вихревой привод, использующий принцип гидромеханической резистивности и т.д. Все двигатели, относящиеся к двигателям объемного типа, имеют те же ограничения, что и ротационно-пластинчатый, а вихревой и роторно-вихревой двигатели не подходят для ручных машин по массо-габаритным ограничениям. В то же время для турбинного двигателя одновременное увеличение мощности и частоты вращения не представляет особых трудностей: для повышения мощности достаточно повысить расход воздуха увеличив, например, высоту или число лопаток соплового аппарата, а частота вращения ротора ограничена только ресурсом подшипников.

Следовательно, единственной реальной альтернативой ротационно-пластинчатому двигателю в классе мощных высокооборотных машин является турбинный привод.

Таким образом, в настоящее время перед разработчиками пневмоинструмента стоит задача создания модельного ряда шлифовальных пневматических машин с турбинным приводом, частота вращения которых варьируется от 30 000 об/мин до 65 000 об/мин, а мощность от 200 Вт до 1 200 Вт.

Для решения поставленной задачи была разработана конструкция турбинного привода на базе турбин специальных кинематических схем, включая такие важные элементы привода как регулятор частоты вращения ротора и автоматический тормоз для ограничения его выбега. Подробно конструкция турбопривода рассмотрена в статье «Разработка турбинного привода для модельного ряда ручных шлифовальных пневматических машин».

Заключение

В настоящее время фирмой «Интурбо» разработаны модельные ряды прямых и угловых шлифовальных машин с инновационным типом микротурбин для судостроительной, авиационной и других отраслей машиностроения.

К реализации предлагаются два модельных ряда машин:

Угловые шлифовальные машины модельного ряда А (angle).
Прямые шлифовальные машины модельного ряда S (straight), которые разделены на четыре типоразмерные группы машин со следующим диапазоном изменения параметров:

шлифовальные машины типоразмерной группы В: мощность 800…1200 Вт; расход 1400...1800 л/мин; частота вращения 25 000…35 000 об/мин; масса 1,1…1,6 кг;
шлифовальные машины типоразмерной группы C: мощность 500...750 Вт; расход 1100...1400 л/мин; частота вращения 35 000...45 000 об/мин; масса 0,75…0,8 кг;
шлифовальные машины типоразмерной группы D: мощность 300 Вт; расход 800 л/мин; частота вращения 40 000...55 000 об/мин; масса 0,5...0,75 кг;
шлифовальные машины типоразмерной группы E: мощность 200 Вт; расход 800 л/мин; частота вращения 65 000 об/мин; масса 0,4...0,6 кг.

Для каждой типоразмерной группы модельного ряда машин потребовалась разработка специальной конструктивной схемы многоступенчатой турбины, обеспечивающей оптимальные условия работы машины.

Каталог всех разработанных моделей машин приведен на данном сайте.

Литература

ГОСТ 12634-80. Машины ручные шлифовальные пневматические. Технические условия. Введ. 1981-01-01 М., 1985, 6с.
BIAX Professional Power. Шлифовальные машины, напильники, машинки для удаления грата [Электронный ресурс] // ST-Group: официальный дилер в России. URL: https://www.s-t-group.com/catalogs/stock/biax/Catalog_01.pdf (дата обращения: 09.04.2021).
Ata tools. Пневматический инструмент [Электронный ресурс] // ООО «ИНСТЕК»: дистрибьютер инструмента в России. URL: https://instek.su/f/katalog-pnevmoinstrumenta-ata-2011.pdf (дата обращения 09.04.2021).
Atlas Copco. Промышленный инструмент для производства, технического обслуживания и ремонта [Электронный ресурс] // Atlas Copco: Производитель инструмента. URL: https://www.atlascopco.com/content/dam/atlas-copco/local-countries/russia/documents/9833-2001-01-f-m-bolting-2020-rus-web.pdf (дата обращения: 09.04.2021).
Шлифмашинки Air Turbine [Электронный ресурс] // ООО «Ветки»: официальный дилер в России. URL: http://www.vetki.ru/assets/files/PDFs/Vendors/AirTurbine_HandToolsSeries_RUS.pdf (дата обращения: 09.04.2021).
Deprag industrial. Каталог промышленный инструмент Deprag.
Филимонов Л.Н. Высокоскоростное шлифование. М.: Машиностроение, Леннгр. отд-ние, 1979. – 248 с.

27.08.2022

Вы здесь

Тенденции и перспективы развития ручных шлифовальных пневматических машин