Упругий демпфер

 

Изобретение относится к области машиностроения. Данный упругий демпфер содержит корпус с установленным в нем плунжером, имеющим полость, заполненную сжатым газом и отделенную от остального объема демпфера плавающим поршнем, причем плунжер имеет внутренний торец, выполненный в виде диафрагмы с отверстием, в которое входит профилированное веретено, закрепленное в дне корпуса. При этом рабочая полость корпуса, а также часть полости плунжера заполнены высоковязкой сжимаемой "квазижидкостью" - эластомером, а плавающий поршень выполнен в виде двух стаканов, вставленных один в другой, причем внешние бурты стаканов выполнены контактирующими с поверхностью внутренней полости плунжера, при этом полость между буртами стаканов заполнена эластомером и изолирована от остальных полостей уплотнениями, а внутренняя полость между стаканами заполнена воздухом под давлением, близким к атмосферному. Кроме того, в диафрагме плунжера установлен обратный клапан, соединяющий рабочую полость корпуса и внутреннюю полость плунжера, причем обратный клапан выполнен таким, что при сжатии демпфера клапан закрыт, а при обратном ходе - открыт. Обратный клапан может быть установлен в отверстии диафрагмы, выполнен в виде шарика с возможностью его перемещения вдоль оси демпфера и снабжен ограничителем хода его перемещения. Обратный клапан может быть выполнен в виде пластины с центральным отверстием и боковыми каналами и размещен в проточке диафрагмы, выполненной коаксиально ее отверстию, а его ход ограничен гайкой, ввернутой в диафрагму. На дне плунжера выполнен упор-ограничитель хода плавающего поршня. Технический результат - обеспечение высокой энергоемкости, высоких статических силовых характеристик и высокого коэффициента необратимого поглощения энергии при одновременном обеспечении высокой надежности, долговечности, безопасности и относительно низкой себестоимости. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области общего машиностроения, а более конкретно - к газо-жидкостным и эластомерным устройствам, поглощающим энергию ударов и колебаний.

Известен эластомерный упругий демпфер по патенту РФ N 2071002, МКИ F 16 F 9/30, 1993 г., содержащий заполненный эластомером корпус с крышкой, имеющей отверстие, и размещенные в корпусе пропущенный через отверстие в крышке шток с кольцевым выступом, а также поршень с буртом и внутренней полостью.

Такой демпфер, работающий по принципу жидкостной пружины, хотя и позволяет стабилизировать максимальную силу демпфирования, но имеет довольно высокий уровень рабочих давлений в эластомере (порядка 4000 ... 5000 кГс/см²), обусловленный тем, что при относительно низкой сжимаемости эластомера требуется большой потребный ход штока для обеспечения высокой потребной энергоемкости демпфера. Такие рабочие давления в свою очередь требуют применения высокопрочных материалов и деталей из таких материалов с большими габаритными размерами по сечению, а также предъявляют высокие требования к точности и чистоте обработки рабочих поверхностей узла подвижного уплотнения штока.

Кроме того, для такого демпфера требуется относительно большой объем дорогостоящей сжимаемой высоковязкой "квазижидкости" - эластомера, поскольку объем эластомера определяет возможный рабочий ход демпфера и, следовательно, его энергоемкость.

Все это в совокупности обуславливает высокую себестоимость изготовления и эксплуатации демпфера такой конструкции.

Наиболее близким к заявляемому решению по технической сущности и достигаемому аффекту от его использования является известная конструкция газо-жидкостного упругого демпфера фирмы "ОЛЕО" (Великобритания), описанного в книге: В. В. Коломийченко, Н. А. Костина, В.Д. Прохоренков, В.И. Беляев "Автосцепное устройство железнодорожного подвижного состава", М., Транспорт, 1991, стр.75, рис. 67. Такой демпфер содержит корпус, заполненный жидкостью, плунжер с плавающим поршнем, причем полость плунжера заполнена сжатым газом, а внутренний торец плунжера выполнен в виде диафрагмы с отверстием, в которое входит профилированное веретено, закрепленное в дне корпуса.

Такой демпфер, хотя и обеспечивает эффективное поглощение энергии ударов и колебаний, однако его использование ограничено тем, что, во-первых, надежность его работы относительно низка из-за относительно низкой надежности работы уплотнений, защищающих зазоры между подвижными деталями демпфера от прорыва жидкости и газа при высоких требованиях к энергоемкости демпфера и к статическим силовым параметрам (к начальным и конечным силам при медленном перемещении плунжера, когда гидравлическое сопротивление дросселирования мало и эти силы определяются давлением сжатого газа). Это в свою очередь обусловлено тем, что для обеспечения вышеупомянутых высоких характеристик требуются высокие давления (в сотни атмосфер) в рабочих средах, что затрудняет защиту от их прорыва с помощью традиционных уплотнений даже при высокой точности и чистоте обработки уплотняемых поверхностей, поскольку длительная работа демпфера приводит к естественному износу уплотнений и к утечкам через них высокотекучих рабочих сред - жидкости и тем более газа.

Во-вторых, такой демпфер довольно опасен в эксплуатации из-за того, что при его повреждении в связи с высоким рабочим давлением газа его осколки разлетаются с очень большими скоростями и становятся опасными для окружающих людей и оборудования.

В-третьих, такой демпфер имеет довольно низкий коэффициент необратимого поглощения энергии (отношение необратимо поглощенной энергии к воспринятой) при статическом (малоскоростном) нагружении, т.к. в демпферах такой конструкции этот режим определяется в основном сжатием газа, при котором не происходит значительного теплового рассеивания энергии, что в свою очередь ведет, например, к длительным незатухающим колебаниям демпфируемой массы.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение технико-экономической эффективности демпфера путем увеличения надежности поглощения энергии соударяемых объектов и, следовательно, повышения их сохранности, а также за счет увеличения межремонтных сроков работы демпфера и снижения себестоимости его изготовления.

Данная задача решается с помощью технического результата от использования заявляемого изобретения, заключающегося в обеспечении высокой энергоемкости, а также высоких статических силовых характеристик и высокого коэффициента необратимого поглощения энергии во всех режимах работы демпфера при одновременном обеспечении его высокой надежности, долговечности, безопасности и относительно низкой себестоимости.

Указанный результат достигается тем, что в известном упругом демпфере, содержащем корпус с установленным в нем плунжером, имеющим полость, заполненную сжатым газом и отделенную от остального объема демпфера плавающим поршнем, причем плунжер имеет внутренний торец, выполненный в виде диафрагмы с отверстием, в которое входит профилированное веретено, закрепленное в дне корпуса.

Рабочая полость корпуса, а также часть полости плунжера заполнены высоковязкой сжимаемой "квазижидкостью" - эластомером, при этом плавающий поршень выполнен в виде двух стаканов, один из которых входит в другой, при этом внешние бурты стаканов выполнены контактирующими с внутренней поверхностью полости плунжера, причем полость между буртами заполнена эластомером и изолирована от остальных полостей уплотнениями, а внутренняя полость между стаканами заполнена воздухом под давлением, близким к атмосферному.

Кроме того, для дополнительного повышения эффективности демпфера в отверстии диафрагмы установлен с возможностью перемещения вдоль оси демпфера обратный клапан, соединяющий рабочую полость корпуса и внутреннюю полость плунжера и выполненный таким образом, что при сжатии демпфера клапан закрыт, а при обратном ходе - открыт.

В первом варианте исполнения обратного клапана он установлен в отверстии диафрагмы и выполнен в виде шарика с возможностью его перемещения вдоль оси демпфера и снабжен ограничителем хода его перемещения.

Во втором варианте обратный клапан выполнен в виде пластины с центральным отверстием и боковыми каналами, причем он размещен в проточке диафрагмы, выполненной коаксиально ее отверстию, а его ход ограничен гайкой, ввернутой в диафрагму.

Кроме того, на дне плунжера выполнен упор-ограничитель хода плавающего поршня, а в упоре-ограничителе расположен зарядный клапан.

Особое конструктивное выполнение основных узлов упругого демпфера позволяет существенно повысить эффективность его работы и безопасность его эксплуатации, а также снизить себестоимость его изготовления.

Заявляемое изобретение пояснено чертежами, на которых: - на фиг. 1 показан продольный разрез предлагаемого упругого демпфера с демонстрацией удержания демпфера в исходном положении от полного возможного выдвижения плунжера из корпуса с помощью внешнего устройства, являющегося частью демпфируемого объекта, например, с помощью автосцепного устройства железнодорожного вагона (показанного тонкими линиями); - на фиг.2 показано исполнение обратного клапана в виде пластины с центральным отверстием, размещенной в проточке диафрагмы, выполненной коаксиально отверстию в ней; - на фиг.3 представлена диаграмма работы предлагаемого демпфера.

Предлагаемый упругий демпфер содержит корпус 1 с установленным в нем плунжером 2, имеющим полость А, заполненную сжатым газом и отделенную от остального объема демпфера плавающим поршнем 3, причем плунжер 2 имеет внутренний торец, выполненный в виде диафрагмы 4, по внешнему периметру которой установлено уплотнение 5, а в центре имеется отверстие 6, в которое входит профилированное веретено 7, закрепленное в дне 8 корпуса 1.

Кроме того, рабочая полость Б корпуса 1 и полость В плунжера 2 заполнены эластомером, например, марки АДК (который на фиг.1 и 2 показан в виде прозрачной жидкости), а плавающий поршень 3 выполнен в виде двух стаканов 9 и 10, один из которых 9 входит в другой 10, при этом внешние бурты 11 и 12 соответственно стаканов 9 и 10 выполнены контактирующими с поверхностью 13 внутренней полости плунжера 2, причем полость Г между буртами 11 и 12 заполнена эластомером (который на фиг.1 показан в виде прозрачной жидкости) и изолирована от полостей А, В и Д уплотнениями 14, 15 и 16, а внутренняя полость Д между стаканами 9 и 10 заполнена воздухом под давлением, близким к атмосферному. Кроме того, для дополнительного повышения эффективности демпфера в его конструкцию введен обратный клапан.

В первом варианте его исполнения он установлен в отверстии 17 диафрагмы 4, выполнен в виде шарика 18 с возможностью его перемещения вдоль оси демпфера и снабжен ограничителем хода 19. При этом обратный клапан выполнен таким образом, что при сжатии демпфера клапан закрыт, а при обратном ходе - открыт.

Во втором варианте исполнения обратного клапана он выполнен в виде пластины 20 (см. фиг. 2) с центральным отверстием 21 и боковыми каналами 22, причем он размещен в проточке 23 диафрагмы 4, выполненной коаксиально ее отверстию 6. При этом ход пластины 20 ограничен гайкой 24, ввернутой в диафрагму 4.

Кроме того, на дне 25 плунжера 2 выполнен упор-ограничитель 26 хода плавающего поршня 3, а в дне 25 плунжера 2 в упоре-ограничителе 26 расположен зарядный клапан 27.

Работа упругого демпфера предлагаемой конструкции осуществляется следующим образом.

1 этап. Исходное положение. Подготовка к работе.

В исходном положении (см. фиг.1) перед началом работы упругий демпфер устанавливают в рабочую зону, например, в автосцепное устройство железнодорожного вагона, и "заряжают" сжатым газом, например, воздухом или азотом, для чего с помощью компрессора или из баллона (на чертеже не показаны) подают под давлением через зарядный клапан 27 газ в полость А.

После достижения необходимого рабочего давления компрессор или баллон отключают и демпфер готов к работе. При этом если давление при зарядке превысило требуемый уровень, то избыточное давление сбрасывается с помощью зарядного клапана 27.

При заправке сжатый газ в полости А, воздействуя на внутренний стакан 9 плавающего поршня 3, вызывает в эластомере, заполняющем полость Г, давление большее, чем давление самого сжатого газа, поскольку площадь поверхности внутреннего стакана 9, воспринимающая давление сжатого газа в полости А, больше площади его поверхности, воспринимающей давление эластомера в полости Г, которое уравновешивает давление сжатого газа. Это обеспечивает надежное удержание газа в полости А, причем это удержание производится не столько за счет уплотнений 14 и 15 плавающего поршня 3, сколько с помощью сжатого в полости Г эластомера, который в силу своей природы (поскольку он представляет собой так называемую "квазижидкость") не изнашивается, а уплотнение самого эластомера при давлении менее 1000 кГс/см² в силу его высокой вязкости надежно осуществляется при сравнительно низком качестве обработки уплотняемой поверхности 13 и износе уплотнений 14 и 15.

2 этап. Работа демпфера при сжатии.

Во время восприятия рабочих нагрузок со стороны демпфируемой массы демпфер сжимается. При этом происходит перемещение плунжера 2 относительно корпуса 1 и эластомер перетекает из полости Б в полость В, перемещая плавающий поршень 3 и сжимая газ в полости А.

Обратные клапаны (шарик 18 и пластина 20) при этом находятся в положении, показанном на фиг.1 и 2, что определяется соответствующим перепадом давления эластомера на них - превышением давления эластомера в полости Б над давлением в полости В.

2.1. Статическое нагружение демпфера.

Если плунжер 2 перемещается медленно (т.е. имеет место статическое нагружение демпфера, см. фиг.3), то сопротивление сжатию демпфера определяется давлением сжатого газа полости А, трением уплотнениях 5, 14 и 15, трением текущего эластомера о металлические детали и трением эластомера, расположенного в полости Г о поверхность 13 плунжера 2. При этом, поскольку давление эластомера в полости Г превышает давление газа в полости А и это превышение может быть значительным (оно задается соотношением диаметров полостей А и Д), то силы трения плавающего поршня 3 (а именно уплотнений 14 и 15, а также эластомера в полости Г) по внутренней поверхности 13 плунжера 2 уже при начальном сравнительно небольшом давлении газа в полости А могут быть соизмеримы с силой давления газа в этой полости. (Превышение этой силы давления газа над силами трения определяется заданными требованиями к "расталкивающей" силе демпфера (P_{расталк.}, см. фиг.3), т.е. силе, возвращающей демпфер и связанный с ним демпфируемый объект в исходное состояние после снятия нагрузки). Причем большие силы трения плавающего поршня 3 по внутренней поверхности 13 плунжера 2 при сжатии демпфера вызывают рост давления эластомера в полостях В и Б, что в свою очередь ведет к увеличению силы трения и в уплотнении 5. Т.е. при статическом нагружении такого демпфера за счет повышения сил трения возможно достижение заданных высоких статических силовых характеристик (начальной силы - P_{начальн.} и конечной силы - P_{конечн.}, см. фиг. 3) при сравнительно невысоком давлении газа в полости А.

Кроме того, при этом достигается высокий коэффициент необратимого поглощения энергии, т.к. силы трения переводят воспринятую демпфером энергию в тепло, а это в свою очередь исключает возможность возникновения длительных незатухающих колебаний демпфируемой массы в том числе и при статическом (малоскоростном) нагружении.

Дополнительное увеличение конечного статического усилия без роста давления газа в полости А достигается упором плавающего поршня 3 стаканом 9 в упор-ограничитель 26. При этом сжатие газа прекращается, но при нарастании сжимающего усилия и дальнейшем перемещении плунжера 2 происходит объемное сжатие эластомера в полостях Б, В и Г, т.е. демпфер из режима газовой пружины на ходе Y_г.пр. (см. фиг.3) переходит в режим жидкостной пружины на конечном участке рабочего хода плунжера 2 до его упора в дно 8 корпуса 1.

Величина такого участка рабочего хода Y_ж.пр. (см. фиг.3) определяется как потребными статическими силовыми характеристиками, так и прочностью элементов конструкции демпфера, поскольку сопровождается ростом давления в эластомере.

2.2. Динамическое нагружение демпфера.

При быстром перемещении плунжера 2 (т.е. имеет место динамическое нагружение демпфера, см. фиг.3), к силам, имеющим место при статическом нагружении, добавляется сила гидравлического сопротивления, возникающая из-за перепада давления в кольцевом зазоре между стенками отверстия 6 и профилированным веретеном 7 (см. фиг.1) или стенками центрального отверстия 21 обратного клапана 20 и профилированным веретеном 7 (см. фиг.2). При этом происходит перевод энергии, воспринятой демпфером, в тепло. Следует отметить то, что профиль веретена 7 определяет характер изменения гидравлической силы сопротивления сжатию демпфера и подбирается таким образом, чтобы обеспечить на всем ходе перемещения плунжера 2 усилие сжатия, близкое к постоянному - предельно допустимому P_max (см. фиг.3) для демпфируемого объекта при максимальной скорости его воздействия на демпфер.

При этом достигается максимальная энергоемкость демпфера.

3 этап. Возврат демпфера в исходное положение после снятия внешней нагрузки.

После снятия сжимающих демпфер усилий давление сжатого газа в полости А через плавающий поршень 3 воздействует на эластомер в полости В и выжимает его в полость Б, в результате чего происходит обратное перемещение плунжера 2. При этом из-за перепада давления обратный клапан - шарик 18 занимает в отверстии 17 диафрагмы 4 крайнее правое положение, упираясь в ограничитель кода 19. Вследствие этого эластомер получает возможность перетекать из полости В в полость Б не только по кольцевому зазору вокруг веретена 7, но и через дополнительный канал - вокруг обратного клапана - шарика 18, что обеспечивает заданную скорость возврата демпфера и демпфируемой массы в исходное положение.

Аналогично происходит и перемещение обратного клапана - пластины 20 в крайнее правое положение в проточке 25 диафрагмы 4 (см. фиг.2). При этом эластомер получает возможность перетекать из полости В в полость Б дополнительно к кольцевому зазору вокруг веретена 7, еще и по боковым каналам 22.

При повторном приложении сжимающего усилия обратный клапан - шарик 18 (см. фиг.1) или обратный клапан - пластина 20 (см. фиг. 2) перепадом давления на них возвращаются в исходное положение (изображенное на указанных фигурах) и цикл работы демпфера повторяется.

Использование предлагаемого изобретения позволяет: 1. Обеспечить высокую надежность и долговечность демпфера при одновременном достижении им высокой энергоемкости и высоких статических силовых характеристик за счет повышения надежности работы обычных уплотнений, т.к. в данном устройстве они уплотняют высоковязкую "квазижидкость" - эластомер при относительно невысоких давлениях в нем (< 1000 кгс/см²), а также за счет надежного уплотнения сжатого газа в газовой полости плунжера практически "неизнашиваемым" эластомером, размещенным в плавающем поршне, при давлении в эластомере большем, чем давление сжатого газа.

2. Обеспечить большой коэффициент необратимого поглощения энергии, воспринимаемой демпфером при статическом (малоскоростном) его нагружении за счет создания повышенных сил трения плавающего поршня (его уплотнений и эластомера в нем) по внутренней поверхности плунжера.

3. Обеспечить безопасность эксплуатации демпфера путем значительного уменьшения количества и скоростей разлетающихся осколков при возможном повреждении и разрушении демпфера за счет существенного (от полутора-двухкратного до многократного при объемном сжатии эластомера в конце хода) снижения максимального рабочего давления сжатого газа.

4. Обеспечить относительно низкую себестоимость изготовления демпфера за счет снижения требований к качеству обработки уплотняемых поверхностей деталей демпфера и к состоянию обычных уплотнений по сравнению с газо-жидкостным и чисто эластомерным демпфером, а также за счет снижения требований к качеству (сжимаемости) и количеству (объему) эластомера, к качеству (прочности) и количеству (массе) металла по сравнению с чисто эластомерным демпфером.

Формула изобретения

1. Упругий демпфер, содержащий корпус с установленным в нем плунжером, имеющим полость, заполненную сжатым газом и отделенную от остального объема демпфера плавающим поршнем, причем плунжер имеет внутренний торец, выполненный в виде диафрагмы с отверстием, в которое входит профилированное веретено, закрепленное в дне корпуса, отличающийся тем, что в нем рабочая полость корпуса, а также часть полости плунжера заполнены высоковязкой сжимаемой "квазижидкостью" - эластомером, а плавающий поршень выполнен в виде двух стаканов, вставленных один в другой, причем внешние бурты стаканов выполнены контактирующими с поверхностью внутренней полости плунжера, при этом полость между буртами стаканов заполнена эластомером и изолирована от остальных полостей уплотнениями, а внутренняя полость между стаканами заполнена воздухом под давлением, близким к атмосферному.

2. Упругий демпфер по п.1, отличающийся тем, что в диафрагме плунжера установлен обратный клапан, соединяющий рабочую полость корпуса и внутреннюю полость плунжера, причем обратный клапан выполнен таким, что при сжатии демпфера клапан закрыт, а при обратном ходе - открыт.

3. Упругий демпфер по п.2, отличающийся тем, что обратный клапан установлен в отверстии диафрагмы, выполнен в виде шарика с возможностью его перемещения вдоль оси демпфера и снабжен ограничителем хода его перемещения.

4. Упругий демпфер по п.2, отличающийся тем, что обратный клапан выполнен в виде пластины с центральным отверстием и боковыми каналами, причем он размещен в проточке диафрагмы, выполненной коаксиально ее отверстию, а его ход ограничен гайкой, ввернутой в диафрагму.

5. Упругий демпфер по п.1, отличающийся тем, что на дне плунжера выполнен упор-ограничитель хода плавающего поршня.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3