Устройство для поглощения энергии движущегося тела

 

Использование: для защиты движущегося тела и элементов конструкций, с которыми оно сталкивается, от разрушения. Сущность изобретения: устройство для поглощения энергии движущегося тела содержит ударную и опорную плиты и расположенные между ними сопряженные между собой с натягом тормозные элементы. Тормозные элементы выполнены в виде цилиндрических стержней и втулок, при этом стержни установлены на части высоты втулок, составляющей величину не менее половины диаметра стержня, а втулки выполнены высотой, не превышающей величину, равную четырем диаметрам стержня. Кроме того, стержень выполнен двухступенчатым и имеет на сопряженной со втулкой длине меньший диаметр, чем на остальной своей длине. Технический эффект - создание минимальной величины силы сопротивления, возникающей в момент движущегося тела. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к машиностроению, а именно к устройствам для поглощения энергии движущегося тела, и предназначено для защиты движущегося тела и элементов конструкций, с которыми оно сталкивается, от разрушения.

Известно устройство для поглощения энергии движущегося тела, содержащее цилиндрическую трубу, выполненную из пластичного материала, например, из отожженной стали, и цилиндрический стержень, выполненный из твердого материала, например, из закаленной стали. Стержень выполнен с большим диаметром, чем внутренний диаметр трубы и имеет полусферический конец. Стержень полусферическим концом установлен в трубу за счет ее пластической деформации на глубине, приблизительно равной величине внутреннего диаметра трубы. Труба установлена на опорной плите и прикреплена к ней (см. патент США, N 1351735, МПК F 16 F 7/12, 1974 г.).

Известное устройство работает следующим образом. При ударе движущегося тела о стержень, последний перемещается по трубе и пластически ее деформирует, при этом в стенке трубы возникают напряжения на уровне предела текучести, но не превышающие предела прочности. Поглощение энергии движущегося тела происходит за счет пластической деформации стенки трубы и за счет силы трения между сопряженными поверхностями трубы и стержня. При этом сила трения возрастает по мере перемещения стержня внутри трубы за счет непрерывного увеличения площади сопряженных поверхностей трубы и стержня.

Недостатком известного устройства является большая сила сопротивления, которая возникает в момент удара движущегося тела, вследствие чего движущееся тело испытывает повышенные нагрузки. Это объясняется большой площадью сопряженных поверхностей трубы и стержня в первоначальный момент до удара. Поскольку площадь сопряженных поверхностей постоянно увеличивается по мере продвижения стержня по трубе, то постоянно возрастает и нагрузка на движущееся тело. Кроме этого, недостатком известного устройства является невозможность предварительного точного расчета тормозного пути, поскольку затруднен расчет пластических свойств трубы вследствие ее структурной неоднородности и колебаний размеров стенки по длине трубы.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к изобретению является устройство для поглощения энергии движущегося тела, содержащее ударную и опорную плиты, между которыми подвижно относительно поверхности плит установлены тормозные элементы. Тормозные элементы выполнены в виде клиновых элементов, часть из которых парами установлены на опорной плите, при этом остальные клиновые элементы по одному установлены с натягом в образованные между парами клинообразные впадины. Каждая пара клиновых элементов отделена от соседней пары упругими элементами. Упругие элементы могут быть выполнены из резины или в виде спиральных пружин, или в виде упругих скобообразных элементов с прорезями (см. а.с. СССР N 1312278, МПК F 16 F 7/08, 1986 г.).

Известное устройство работает следующим образом. При ударе движущегося тела о поверхность ударной плиты последняя перемещается по направлению движущегося тела, при этом клиновые элементы, установленные в клинообразные впадины, раздвигают пары клиновых элементов, которые сжимают упругие элементы. Поглощение энергии движущегося тела происходит за счет трения между клиновыми элементами, а также за счет сжатия упругих элементов. После поглощения энергии движущегося тела, когда ударная и опорная плиты находятся в максимально сближенном состоянии друг относительно друга и с максимально сжатыми упругими элементами, последние начинают восстанавливать свою первоначальную форму, частично возвращая поглощенную энергию ударной плите. Ударная плита передает эту энергию остановленному телу, которое испытывает при этом повторную нагрузку.

Недостатком известного устройства является резкое возрастание силы сопротивления после удара движущегося тела, вследствие чего движущееся тело испытывает повышенные нагрузки. Это объясняется непрерывно возрастающей силой сжатия упругих элементов, а также коротким тормозным путем, имеющим крутую характеристику за счет неравномерного сопротивления упругих элементов при их сжатии. Кроме этого, энергия силы сжатия, накопленная упругими элементами, в виде обратного удара передается остановленному телу, которое повторно испытывает повышенные нагрузки и может разрушиться.

Задачей настоящего изобретения является создание устройства для поглощения энергии движущегося тела, обеспечивающего максимальную сохранность движущегося тела как в момент удара, так и в процессе его торможения за счет уменьшения воздействующих на него динамических нагрузок.

Техническим результатом настоящего изобретения является минимальная величина силы сопротивления, возникающей в момент удара движущегося тела, которая объясняется малой площадью сопряженных поверхностей втулки и стержня, затем плавное возрастание величины силы сопротивления до определенного значения за счет равномерного увеличения площади сопряженных поверхностей втулки и стержня и последующее сохранение этого значения на оставшемся тормозном пути за счет сохранения постоянной площади сопряженных поверхностей втулки и стержня. Кроме этого, техническим результатом настоящего изобретения является точность расчета кривой силы сопротивления (энергии поглощения) от длины тормозного пути, что позволяет осуществить подбор тормозных элементов устройства для движущихся тел, которые имеют разную стойкость к динамическим нагрузкам.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном устройстве для поглощения энергии, содержащем ударную и опорную плиты и расположенные между ними сопряженные между собой с натягом тормозные элементы.

Тормозные элементы выполнены в виде цилиндрических стержней и цилиндрических втулок, при этом стержни установлены на части высоты втулок, составляющей величину не менее половины диаметра стержня, а втулки выполнены высотой, не превышающей величину, равную четырем диаметрам стержня.

Кроме этого, стержень выполнен двухступенчатым и имеет на сопряженной со втулкой длине меньший диаметр, чем на остальной своей длине.

Кроме этого, устройство содержит направляющие элементы, которые выполнены в виде буртика на ударной плите, охватывающего опорную плиту с возможностью осевого перемещения ударной плиты или в виде соосно расположенных штанг и направляющих отверстий, при этом штанги жестко соединены с ударной плитой, а отверстия выполнены в опорной плите.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен общий вид устройства для поглощения энергии движущегося тела, на фиг. 2 изображен фрагмент устройства для поглощения энергии движущегося тела после воздействия на него массы движущегося тела, а на фиг. 3 показано устройство для поглощения энергии движущегося тела с направляющими элементами в виде штанг.

Устройство для поглощения энергии движущегося тела содержит ударную плиту 1, опорную плиту 2 и тормозные элементы 3, 4, которые выполнены в виде цилиндрических стержней 3 и цилиндрических втулок 4. Стержень 3 выполнен двухступенчатым и имеет длину 55 мм (для исключения жесткого удара ударной плиты о торцы втулок указанная длина стержня рассчитана для тормозного пути, равного 40 мм). Разница между диаметрами первой и второй ступени стержня 3 составляет 10-15 микрон. Втулка 4 выполнена с цилиндрическим отверстием диаметром 9,997 мм и имеет высоту 30 мм и толщину стенки 7,5 мм. Стержень 3 выполнен из углеродистой стали, закаленной до твердости НВ 269-302, а втулка 4 выполнена из углеродистой стали, закаленной до твердости НВ 159-197. В опорной плите 2 выполнены сквозные двухступенчатые отверстия 5, которые равномерно расположены по всей площади опорной плиты 2. Верхняя часть отверстия 5 выполнена с большим диаметром, чем наружный диаметр втулки 4, а его нижняя часть - с большим диаметром, чем диаметр второй ступени стержня 3. Втулки 4 установлены в верхней части отверстий 5. Стержень 3 установлен во втулке 4 с первоначальным натягом величиной 0,022 мм на части ее высоты, равной величине не менее половины диаметра стержня 3, например, на длине 10 мм, при этом на сопряженной со втулкой 4 длине его диаметр равен 10,015 мм, а на остальной длине, равной 45 мм - 10,025 мм. Ударная плита 1 снабжена направляющими элементами 6, 7, которые могут быть выполнены в виде буртиков 6 или штанг 7. Буртик 6 расположен по периметру ударной плиты 1 и охватывает опорную плиту 2 с возможностью осевого перемещения ударной плиты 1 относительно опорной плиты 2. Штанги 7 установлены между ударной плитой 1 и опорной плитой 2. Верхние концы штанг 7 жестко соединены с ударной плитой 1, например, сваркой, а нижние концы штанг 7 установлены в сквозных отверстиях 8 с возможностью осевого перемещения ударной плиты 1 относительно опорной плиты 2. Сквозные отверстия 8 выполнены между двухступенчатыми сквозными отверстиями 5 опорной плиты 2.

Устройство для поглощения энергии движущегося тела работает следующим образом.

При ударе движущегося тела о поверхность ударной плиты 1 его энергия передается ударной плите 1, и последняя начинает перемещаться в осевом направлении. При этом ударная плита 1 преодолевает силу трения между стержнями 3 и втулками 4, величина которой определяется площадью сопряженных поверхностей первой ступени стержня 3 и втулки 4 и величиной первоначального натяга между ними. Поскольку площадь сопряженных поверхностей минимальна, а величина первоначального натяга меньше величины натяга между втулкой и второй ступенью стержня 3, то сила трения в момент удара минимальна. В процессе перемещения ударная плита 1 распределяет полученную энергию равномерно и одновременно по всем стержням 3. По мере перемещения стержней 3 по втулкам 4 происходит равномерное увеличение силы трения между ними за счет равномерного увеличения площади сопряженных поверхностей стержня и втулки. Процесс увеличения силы трения прекращается после выхода концов стержней 3 из отверстий втулок 4, так как площадь сопряженных поверхностей стержня 3 и втулки 4 в процессе перемещения остается постоянной, поскольку эта площадь определяется только внутренней поверхностью втулки 4. При этом величина силы трения остается постоянной до окончания торможения движущегося тела. Направляющие 6 и 7 препятствуют перекосу ударной плиты 1 в случае удара движущегося тела не по ее геометрическому центру.

Формула изобретения

1. Устройство для поглощения энергии движущегося тела, содержащее ударную и опорную плиты и расположенные между ними сопряженные между собой с натягом тормозные элементы, отличающееся тем, что тормозные элементы выполнены в виде цилиндрических стержней и втулок, при этом стержни установлены на части высоты втулок, составляющей величину не менее половины диаметра стержня, а втулки выполнены высотой, не превышающей величину, равную четырем диаметрам стержня.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что стержень выполнен двухступенчатым и имеет на сопряженной со втулкой длине меньший диаметр, чем на остальной своей длине.

3. Устройство по п. 1 или по п. 1 или 2, отличающееся тем, что оно содержит направляющие элементы.

4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что направляющие элементы выполнены в виде буртика на ударной плите, охватывающего опорную плиту с возможностью осевого перемещения ударной плиты.

5. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что направляющие элементы выполнены в виде соосно расположенных штанг и направляющих отверстий, при этом штанги жестко соединены с ударной плитой, а отверстия выполнены в опорной плите.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3