Шариковый замок и способ выбора его геометрических параметров и силовых характеристик
Владельцы патента RU 2583767:
Закрытое акционерное общество "Уральский турбинный завод" (RU)
Предложен шариковый замок. Он содержит шарики, размещенные в радиальных отверстиях боковой поверхности штока, заклинивающиеся между конусной поверхностью неподвижного упора с образующей конуса, выполненной под углом наклона больше угла трения скольжения, максимально возможного для материалов, из которых выполнены упор и шарики, и конусной поверхностью подпружиненного подвижного золотника. С целью упрощения конструкции и надежной фиксации замка при минимальном усилии на его открытие, угол наклона образующей конуса золотника больше угла трения качения, но меньше угла трения. Также предложен способ выбора геометрических параметров и силовых характеристик шарикового замка. Способ заключается в том, что задают угол наклона образующей конусной поверхности упора, усилием, действующим на закрывание замка, определяют для ряда значений угла наклона образующей конуса золотника, включая значение, при котором происходит самооткрывание замка, соответствующие этим значениям усилия на открывание замка, после чего определяют угол трения в соединении, и из ряда этих усилий на открывание замка выбирают требуемое и соответствующее ему значение угла наклона образующей конуса золотника. 2 н.п. ф-лы, 1 табл., 3 ил.
Изобретение относится к области машиностроения, в частности к быстродействующим гидропневмоприводам, и может быть использовано при осуществлении фиксации их поступательно движущихся элементов в крайних или промежуточных положениях.
Известна конструкция замка для стопорения поршня в гидроцилиндре (см. авторское свидетельство №143283, кл. 47F, 19/01, 1960 г.), в которой поверхности основного плунжера и подпружиненного стакана выполнены коническими с шариками между ними, с углом наклона образующей большим угла трения качения, а для фиксации основного плунжера предусмотрен вспомогательный шариковый замок.
Недостатком вышеуказанного устройства является сложность его конструкции, наличие, кроме основного, вспомогательного шарикового замка. Это вызвано тем, что угол наклона образующей конуса основного плунжера не только превышает угол трения качения, но и угол трения, обеспечивающий самозаклинивание шариков между основным плунжером и стаканом. Поэтому возникает усилие, превышающее силу трения и выталкивающее основной плунжер, для удержания которого в контакте с шариками основного замка введен дополнительный замок.
Наиболее близким по технической сущности является конструкция фиксирующего устройства (см. авторское свидетельство №631697, кл. F16B 2/16, 1977 г.), в которой угол между касательными к шарикам в точках их контакта с поверхностями поворотного вала и упора выполнен меньше угла трения. Недостаток такого решения заключается в неопределенности усилия на открывание (расфиксацию) устройства. Так, если значение угла между касательными к шарикам в точках их контакта с поверхностями поворотного вала и упора будет максимально близким к значению угла трения, то устройство будет зафиксировано не надежно. Какие-либо воздействия извне или в самом устройстве, например незначительная вибрация, будут приводить к самопроизвольной расфиксации устройства. И наоборот, если значение угла между касательными к шарикам в точках их контакта с поверхностями поворотного вала и упора будет минимальным, т.е. существенно меньше угла трения, например меньше угла трения качения, усилие на расфиксацию устройства будет столь значительным, что может привести к повреждению поверхностей поворотного вала или (и) упора, а для создания такого усилия может потребоваться использование мощного механизма.
Задачей заявленного изобретения является оптимизация усилия на открывание (расфиксацию) шарикового замка, упрощение его конструкции.
Указанная задача достигается тем, что поверхности элементов замка, между которыми происходит заклинивание шариков, выполнены конусными с углами наклона образующей конуса неподвижного упора больше угла трения скольжения, а образующей конуса золотника больше угла трения качения, но меньше угла трения (угла, при котором происходит самооткрывание замка), причем конкретное значение угла наклона образующей конуса золотника выбирается способом, заключающимся в задании ряда значений углов наклона образующей конуса золотника, определении усилий на открывание замка, соответствующих этим значений углов, угла трения и выборе из этого ряда углов значение, меньшее угла трения, соответствующее нужному усилию на открывание замка.
На фиг. 1 показан общий вид предлагаемой конструкции замка во взведенном положении привода (элементы привода зафиксированы замком - замок закрыт). На фиг. 2 - выноска A, на которой изображена схема заклинивания шарика в увеличенном масштабе. На фиг. 3 - положение штока (шарикового держателя) с шариками, когда производится взвод или срабатывание привода (замок открыт).
Предлагаемый шариковый замок содержит шарики 1 (см. фиг. 1), размещенные в радиально расположенных отверстиях штока (шарикового держателя) 2, соединенного с подвижными элементами привода. Внутренняя поверхность нижней части стакана 3 для штока 2 с шариками 1 служит направляющей. В верхней части стакана 3 размещена направляющая втулка 4, внутри которой находится золотник 5, поджатый пружиной 6, а также упор 7. Стакан 3 с размещенными в нем деталями крепится к цилиндру 8, внутри которого имеется силовая пружина 9.
Рабочие поверхности упора 7 и золотника 5 выполнены конусными с углами наклона образующей конусов соответственно α и β (см. фиг. 2), причем угол α выполнен больше угла трения скольжения, а угол β больше угла трения качения, но меньше угла трения φ.
Фиксация подвижных элементов привода в его взведенном положении осуществляется за счет заклинивания шариков 1 между упором 7 и золотником 5, что достигается выполнением конуса золотника 5 с углом наклона образующей конуса β меньше угла трения φ, обеспечивающего условие заклинивания шариков 1.
Во взведенном положении привода (см. фиг. 1 и 2) его подвижные части удерживаются шариковым замком в верхнем положении. Давление в подпоршневой полости цилиндра 8 отсутствует.
Для срабатывания привода, т.е. освобождения его подвижных частей от фиксации, золотник должен получить перемещение вверх, например, с помощью электромагнита (усилие S на открывание замка), при этом подвижные части привода вместе со штоком 2 и шариками 1 за счет усилия Q на закрывание замка сжатой силовой пружины 9 переместятся вниз, т.е. привод сработал (замок открыт) (фиг. 3).
Для взвода привода в подпоршневой полости цилиндра 8 создается давление и подвижные элементы привода вместе со штоком 2 и шариками 1 перемещаются вверх. Дойдя до золотника 5, шарики 1 приподнимут его до тех пор, пока усилие от массы золотника плюс усилие пружины 6 не окажутся достаточными, чтобы шарики 1 сместились в своих радиально расположенных отверстиях штока 2 от центра к периферии, т.е. к упору 7. Ограничение хода подвижных элементов привода вверх выполняет стакан 3. После снятия давления в подпоршневой полости цилиндра 8 под действием усилия сжатой силовой пружины 9 шарики 1 окажутся заклиненными между упором 7 и золотником 5. Таким образом, подвижные элементы привода окажутся зафиксированы в верхнем положении, а привод взведен.
Важным этапом создания работоспособного шарикового замка является выбор геометрии узла заклинивания шариков и оптимальных усилий на открывание замка.
Предлагается способ выбора геометрических параметров и силовых характеристик шарикового замка, заключающийся в том, что задают угол наклона образующей конусной поверхности упора, необходимым усилием, действующим на закрывание замка, определяют для ряда значений угла наклона образующей конуса золотника, включая значение, при котором происходит самооткрывание замка, соответствующие этим значениям усилия на открывание замка, после чего определяют угол трения в соединении, и из ряда значений усилий на открывание замка выбирают требуемое усилие и соответствующее ему значение угла наклона образующей конуса золотника больше угла трения качения, но меньшее угла трения для данного соединения.
Ниже на примере шарикового замка, используемого в приводах типа привода пружинного соленоидного (ППС) обратных клапанов типа клапана обратного соленоидного (КОС) паротурбинных установок ЗАО «Уральский турбинный завод», приведен способ определения геометрии узла заклинивания и оптимальных усилий на открывание замка.
На первом образце шарикового замка прикладывается усилие Q, действующее на закрывание замка. Задают поочередно выполненным в упоре углом наклона α (см. фиг. 2) образующей конуса, также поочередно определяют для ряда значений углов наклона β образующей конуса золотника усилия S на открывание замка и угол трения φ. Значение выбранного усилия, с одной стороны, не должно превышать максимально допустимой величины, например, в нашем случае, максимального тягового усилия электромагнита - устройства вытягивающего золотник 5, т.е. устройства, открывающего замок. С другой стороны, значение усилия S не должно иметь слишком малую величину, в противном случае это приведет к ненадежному закрыванию замка, т.е. его самооткрыванию, и ненадежной фиксации элементов привода.
В таблице 1 представлены исходные данные и искомые величины.
Анализируя значения из таблицы 1, для серийного образца привода при усилии Q, равном 1000 кгс, угле α, равном 45°, выбрано усилие на открывание замка S, равное 18 кгс, и соответствующий угол β, равный 5°.
Таким образом, значение усилия открытия, с одной стороны, примерно в пять раз меньше, чем усилие, необходимое для открывания замка при использовании золотника с малым углом β (0≤β≤φкач., где φкач. - угол трения качения; тангенс угла трения качения определяется делением коэффициента трения качения на радиус шарика (см. Детали машин. Сборник материалов по расчету и конструированию, под ред. М.А. Саверина. М., Машгиз, 1951, с. 26, ф.5, табл. 5; для нашего случая φкач=6′) и не превышает максимальное допускаемое усилие на открытие замка, определяемое в конкретном случае максимальным втягивающим усилием электромагнита. С другой стороны, усилие S меньше угла трения и обеспечивает достаточный запас по надежной фиксации замка, исключая возможность его самооткрывания от вибрации, случайных ударов и пр. (при этом не требуется введения дополнительных элементов, удерживающих замок в закрытом состоянии).
В качестве материалов основных элементов замка используются:
- шток 2 и упор 7 - сталь 40Х, HRc 42…46
- золотник 5 - сталь 30X13, HRc 42…46
- шарики 1 - шарик 11,906-20 ГОСТ-3722-81, 6 шт.
Шероховатость сопрягаемых поверхностей указанных деталей Ra 0,8 мкм.
Определение искомых величин расчетным путем с использованием коэффициентов трения в узле заклинивания практически невозможно из-за отсутствия достоверных значений последних для конкретных условий работы замка.
Представленная конструкция замка, способ выбора его геометрических параметров и силовых характеристик реализованы в продукции ЗАО "Уральский турбинный завод".
1. Шариковый замок, содержащий шарики, размещенные в радиальных отверстиях боковой поверхности штока, заклинивающиеся между конусной поверхностью неподвижного упора с образующей конуса, выполненной под углом наклона больше угла трения скольжения, максимально возможного для материалов, из которых выполнены упор и шарики, и конусной поверхностью подпружиненного подвижного золотника, отличающийся тем, что с целью упрощения конструкции и надежной фиксации замка при минимальном усилии на его открытие угол наклона образующей конуса золотника больше угла трения качения, но меньше угла трения.
2. Способ выбора геометрических параметров и силовых характеристик шарикового замка, заключающийся в том, что задают угол наклона образующей конусной поверхности упора, усилием, действующим на закрывание замка, определяют для ряда значений угла наклона образующей конуса золотника, включая значение, при котором происходит самооткрывание замка, соответствующие этим значениям усилия на открывание замка, после чего определяют угол трения в соединении, и из ряда этих усилий на открывание замка выбирают требуемое и соответствующее ему значение угла наклона образующей конуса золотника.
