АМОРТИЗАТОР ДЛЯ СИСТЕМ УДАРОЗАЩИТЫ
SHOCK ABSORBER FOR SHOCK PROTECTION SYSTEMS

Изобретение относится к машиностроению, в частности к системам амортизации, предназначенным для ударозащиты амортизируемых объектов.
Известны поршневые гидропневматические амортизаторы, используемые в подвесках большегрузных автомобилей, например, по авторскому свидетельству СССР №572110, 5B60P 1/02. Односторонний амортизатор содержит силовой гидравлический цилиндр. Нижняя полость между цилиндром и штоком залита маслом. В верхней полости непосредственно над поршнем расположен слой масла, верхняя часть этой полости занята сжатым газом, который играет роль упругого элемента. Между полостями имеются обратные клапаны (клапаны сжатия) и клапан отбоя, выполненный в виде штока с продольным пазом переменного сечения.
Амортизатор работает следующим образом: при сжатии шток с поршнем перемещается вверх, сжимая газ, причем жидкость перетекает в полость, расположенную под поршнем, как через клапан отбоя, так и, отжимая пружины, через обратные клапаны. При обратном ходе жидкость перетекает через клапан отбоя - по продольному пазу переменного сечения, что создает перепад давлений, способствующий гашению колебаний. Обратные клапаны при этом закрыты.
При ударном нагружении на сжатие вследствие инерции обратных клапанов жидкость не успевает перетекать, в результате чего в полости под поршнем возникает вакуум, что может привести к гидроудару при обратном ходе поршня. При ударном нагружении на обратном ходе (на отбой) вследствие того, что сечение клапана отбоя зависит только от положения поршня, при больших скоростях движения поршня на клапане возникает повышенный перепад давления, что приводит к забросу давления, увеличению силы, развиваемой амортизатором, и динамическим нагрузкам на амортизируемый объект.
В литературе «Энциклопедия. Колесные и гусеничные машины, т. IV-15, под общей редакцией В.Ф.Платонова. - М., Машиностроение, 1997»; «Труханов В.М. Справочник по надежности специальных подвижных установок. - М.: Машиностроение, 1997» приводится описание односторонних пневмогидравлических амортизаторов, в которых в качестве упругого элемента используется пневмогидравлический аккумулятор с гибкой мембраной. В этих конструкциях аккумулятор давления соединен с силовым гидроцилиндром через обратный клапан и дроссель постоянного сечения.
В книге «И.Рампель. Шасси автомобиля, конструкции подвесок - М.: Машиностроение, 1989» приводится описание одностороннего пневмогидравлического амортизатора, в котором в качестве упругого элемента используется пневмогидравлический аккумулятор с гибкой мембраной, соединенный с силовым гидроцилиндром через обратный клапан, дроссель постоянного сечения и переливной клапан.
В книге «Проектирование полноприводных колесных машин, том 2, под редакцией А.А.Полунгяна М.: Изд-во МГТУ им Н.Э.Баумана. 2000.» приведена схема пневмогидравлического амортизатора с двумя упругими поршневыми элементами (аккумуляторами), подключенными к силовому цилиндру параллельно друг другу. Начальное давление во втором аккумуляторе больше, чем в первом, поэтому на начальных этапах движения поршня в силовом цилиндре перемещается только поршень в первом аккумуляторе. Начиная с определенного положения поршня силового цилиндра, перемещаются поршни в обоих аккумуляторах. Это существенно уменьшает прогрессивность упругой характеристики амортизатора.
Теория ударозащиты «Круглов Ю.А., Туманов Ю.А. Ударовиброзащита машин, оборудования и аппаратуры. - Л.: Машиностроение, 1986» позволяет сформулировать следующие требования к амортизаторам, используемым в системах ударозащиты: так, при ударном нагружении развиваемая амортизатором сила на начальном участке перемещения должна монотонно увеличиваться, после чего либо оставаться постоянной, либо увеличиваться незначительно. Протяженность участка быстрого увеличения силы определяется характеристиками, прежде всего собственными частотами, амортизируемого объекта. Увеличение протяженности этого участка сверх необходимого значения приводит к увеличению полного хода амортизаторов. При перемене знака скорости сила, развиваемая амортизатором, должна быстро уменьшаться и изменять знак. Кратковременное (импульсное) увеличение силы, развиваемой амортизатором (например, при забросе давления), превышающее предельно допустимое значение, недопустимо.
Именно на эти требования ориентирован амортизатор по патенту РФ №2277651, МПК F16F 9/04. Амортизатор состоит из двух пневматических упругих элементов на основе эластичных герметических оболочек (ЭГО) и параллельно расположенных двух пар гидродемпферов. С одной стороны к каждой ЭГО прикреплен подвижный поддон, с противоположной стороны каждая ЭГО прикреплена к ресиверу, который жестко связан с основанием. Между поддонами расположен (зажат) амортизируемый объект. При этом полости ресивера и ЭГО соединены между собой посредством дросселя постоянного сечения и обратного клапана. Ресиверы соединены с атмосферой посредством перепускного клапана с пневматическим управлением.
При внешнем ударном воздействии основание амортизатора начинает перемещаться, сжимая газ в ЭГО, который через дроссель и обратный клапан перетекает в ресивер. При повышении давления до расчетной величины перепускной клапан открывается, выпуская сжатый газ из ресивера и ЭГО в атмосферу. Благодаря тому, что газ выпускается в атмосферу, энергия удара не накапливается в рабочих полостях амортизатора, а рассеивается. Так как шток гидродемпфера пропущен через отверстие в поддоне и снабжен концевым ограничителем, то на прямом ходу гидродемпфер в создании усилия не участвует. При этом шток перемещается под действием пружины в том же направлении, но с отставанием от поддона. На окончательных этапах воздействия относительная скорость амортизируемого объекта уменьшается, и концевые ограничители хода штоков гидродемпферов догоняют поддон.
При движении основания в обратную сторону поддон упирается в концевые ограничители хода штоков гидродемпферов, выдвигая при этом штоки из гидродемпферов. За счет сопротивления гидродемпферов поддон отстает от амортизируемого объекта. При этом силовое воздействие данной ЭГО существенно уменьшается или полностью прекращается, и амортизируемый объект перемещается только под действием противоположной ЭГО. В связи с тем, что характеристики ударного воздействия могут отличаться, при некоторых условиях упор поддона может догнать амортизируемый объект после изменения знака относительной скорости, это может привести к дополнительным динамическим нагрузкам.
За счет отключения гидродемпфера на прямом ходе амортизатор может функционировать и при экстремальных условиях нагружения, когда основание практически мгновенно приобретает значительную скорость более 5-10 м/с, когда в гидроцилиндрах демпферов происходят волновые процессы (гидроудар). В таких условиях никакие гидродемпферы эффективно работать не могут.
К недостаткам данной конструкции, помимо появления вышерассмотренных динамических нагрузок, следует отнести и пульсации давления при срабатывании обратного и перепускного клапана. Не всегда возможно расположить амортизаторы вокруг амортизируемого объекта. К недостаткам амортизатора следует также отнести необходимость его дозаправки сжатым газом после каждого ударного воздействия.
По этой причине для наиболее распространенных условий эксплуатации (максимальные скорости 5-7 м/с) целесообразно использовать амортизаторы, в которых гидродемпфер расположен между силовым цилиндром и пневматическим упругим элементом (пневмогидравлическим аккумулятором).
В книге «Б.Н.Белоусов, С.Д.Попов. Колесные транспортные средства особо большой грузоподъемности. - М.: Изд-во МГТУ им Н.Э.Баумана. 2006» приводится схема двухстороннего амортизатора, принятая в качестве ближайшего аналога. В данной схеме упругие элементы выполнены в виде поршневых пневмогидравлических аккумуляторов давления, соединенных с силовым гидроцилиндром через дроссели с регулируемым расходом жидкости, который объединяет дроссель постоянного сечения и переливной клапан. При малых скоростях нагружения жидкость из полости силового гидроцилиндра, где происходит сжатие, через дроссель постоянного сечения перетекает в аккумулятор, сжимая находящийся в нем газ, а из второго аккумулятора жидкость через дроссель постоянного сечения поступает в полость силового цилиндра, давление в которой понижается. Перепад давления на дросселе постоянного сечения способствует гашению колебаний. При повышенных скоростях в полости давления открывается переливной клапан, ограничивая усилие, развиваемое амортизатором. При ударном нагружении, из-за инерции переливного клапана, возникает значительный заброс давления, что приводит к росту динамических нагрузок.
Другим недостатком данного амортизатора является то, что упругий пневматический элемент имеет прогрессивную характеристику. Это определяется политропическими процессами, происходящими при сжатии газа. Такая характеристика соответствует требованиям, предъявляемым к автомобильным амортизаторам, но, как показано выше, не является оптимальной для амортизаторов, предназначенных для целей ударозащиты, так как существенно увеличивает потребные ходы амортизаторов при заданных ограничениях на динамические нагрузки.
Задачей заявляемого изобретения, предназначенного для целей ударозащиты, является получение такой характеристики амортизатора, которая бы исключала кратковременные забросы силы, развиваемой амортизатором при ударном нагружении, обеспечивала требуемую (в том числе и достаточно малую) протяженность участка нарастания силы, поддержание постоянной или незначительно увеличивающейся силы на последующем участке воздействия, обеспечивала быстрое изменение знака силы при изменении знака относительной скорости.
Указанная задача решается за счет того, что используется амортизатор двухстороннего действия, в котором каждая из полостей гидроцилиндра через систему клапанов соединена со своим основным упругим элементом - пневмогидравлическим аккумулятором давления. Каждая полость гидроцилиндра дополнительно соединена через нормально открытый обратный клапан и дроссель постоянного сечения с пневмогидравлическими аккумуляторами высокого давления и через нормально открытый обратный клапан и дроссель постоянного сечения - с пневмогидравлическими аккумуляторами низкого давления.
Каждый переливной клапан, расположенный между полостью гидроцилиндра и основным упругим элементом, с одной стороны имеет газовую полость управления, а с другой стороны в него упирается сжатая пружина. Из газовой полости основного упругого элемента выходит трубка, которая через обратный клапан и дроссель постоянного сечения соединена с газовой полостью управления переливного клапана.
Техническим результатом изобретения является получение характеристик амортизатора, оптимальных для целей ударозащиты, а также удобство применения и использования (располагается с любой стороны объекта, не требует подзарядки после ударного воздействия).
Благодаря тому, что все клапаны нормально открытые отсутствуют забросы давления, связанные с нестационарными процессами открытия клапанов при ударном воздействии.
Благодаря наличию дополнительных аккумуляторов высокого и низкого давления обеспечивается участок постоянной или незначительно увеличивающейся силы, причем увеличивая объем газовых баллонов, можно дополнительно уменьшать интенсивность увеличения силы.
Благодаря возможности при заправке изменять объем воздушной полости основного упругого элемента можно регулировать в широких пределах протяженность участка нарастания силы.
Благодаря наличию управляемого переливного клапана, расположенного между полостью гидроцилиндра и основным упругим элементом, обеспечивается эффективное гашение колебаний на завершающем участке воздействия.
Благодаря возможности размещения с любой стороны объекта и отсутствию необходимости в подзарядке после ударного воздействия амортизатор удобен в использовании и применении.
На чертеже приведена общая схема амортизатора.
Амортизатор состоит из силового гидроцилиндра, имеющего две рабочие полости 1 и 2, которые разделяются поршнем 3. С поршнем 3 соединен шток, который заканчивается проушиной 5. Гидроцилиндр соединен с проушиной 6. К одной из проушин крепится амортизируемый объект, другая проушина крепится к основанию.
Каждая из симметричных полостей гидроцилиндра 1 и 2 соединена с основными упругими элементами - пневмогидравлическими аккумуляторами 7 и 8. На чертеже показан пневмогидравлический аккумулятор, имеющий диафрагму-разделитель газовой и гидравлической полостей 9, однако возможно использование и поршневых пневмогидравлических аккумуляторов, в которых роль разделителя играет поршень. Полости 1, 2 также соединены через нормально открытые обратные клапаны 10 и 11 и дроссели постоянного сечения (которые выполнены в тарелках клапанов) с пневмогидравлическими аккумуляторами низкого давления 12 и 13, также имеющими диафрагму-разделитель. Полости 1 и 2 также соединены через нормально открытые обратные клапаны 14 и 15 и дроссели постоянного сечения (которые выполнены в тарелках клапанов) с пневмогидравлическими аккумуляторами высокого давления 16 и 17, также имеющими диафрагму-разделитель (возможно использование поршневых пневмогидравлических аккумуляторов). Газовые полости аккумуляторов низкого давления 12 и 13 постоянно соединены с газовым баллоном низкого давления - ресивером 18, а газовые полости аккумуляторов высокого давления 16 и 17 - с газовым баллоном высокого давления - ресивером 19.
Переливные нормально открытые клапаны 20 и 21 колпачкового типа, расположенные между рабочими полостями гидроцилиндра 1, 2 и основными упругими элементами 7 и 8, поджимаются к седлу давлением газа со стороны газовой полости. Седла клапанов располагаются в перегородках 22, 23. Для повышения быстродействия клапаны имеют минимальный вес. Для герметизации клапана могут использоваться резиновые уплотнительные кольца либо сильфоны.
С противоположной стороны в клапаны упираются пружины 24 и 25. Седла обратных нормально закрытых клапанов 26 и 27 также расположены в перегородках 22, 23. Для повышения быстродействия обратные клапаны также имеют минимальный вес.
Из газовых полостей основных упругих элементов 7, 8 выходят воздушные трубки 28, 29, которые через обратные клапаны 30, 31 и расположенные параллельно им дроссели постоянного сечения 32, 33 соединены с газовыми полостями управления переливными клапанами 20, 21.
При горизонтальном расположении амортизатора начальное давление в полостях цилиндра одинаковое. Начальное давление обеспечивается закачкой сжатого газа в газовые полости аккумуляторов 7 и 8. При вертикальном расположении амортизатора начальное давление в полостях цилиндра различное, что уравновешивает вес амортизируемого объекта. Начальное давление в ресивере 19, соединенном с аккумуляторами высокого давления 16 и 17, в несколько раз выше начального давления, а давление в ресивере 18, соединенном с аккумуляторами низкого давления 12 и 13, в несколько раз ниже начального давления. Разность давления подбирается исходя из площади поршня и максимально допустимой силы, развиваемой амортизатором. В связи с тем, что давление в ресивере высокого давления 19 больше, чем начальное давление в цилиндре, диафрагмы аккумуляторов высокого давления 16, 17 прилегают к верхним стенкам аккумуляторов (чтобы диафрагму не выдавило в полость клапана, полость соединяется с аккумулятором посредством большого числа малых отверстий, а сама диафрагма в этом месте имеет увеличенную толщину). В связи с тем, что давление в ресивере низкого давления 18 меньше, чем начальное давление в полостях цилиндра 1, 2, диафрагмы прилегают к нижней стенке аккумулятора. Обратные клапаны 10, 11, 14 и 15 под действием пружин малой жесткости открыты.
Так как между газовыми полостями амортизаторов 7, 8 и газовыми полостями клапанов 20, 21 имеются дроссели постоянного сечения 32 и 33, то давление со стороны газа, действующее на клапан, равно давлению, действующему на клапан со стороны жидкости. Поэтому под действием пружин 24 и 25 клапаны 20 и 21 находятся в открытом состоянии.
Амортизатор работает следующим образом.
При движении поршня, например, налево жидкость из полости 1 проходит через открытый переливной клапан 20 и попадает в аккумулятор 7, сжимая газ в газовой полости. Повышение давления в газовой полости аккумулятора 7 вызывает течение газа в трубке 28, открывается обратный клапан 30, повышенное давление распространяется в газовую полость переливного клапана 20. Однако это давление не превышает давление жидкости в районе клапана, поэтому клапан под воздействием пружины остается открытым.
Жидкость из аккумулятора 8 проходит через открытый клапан 25 в полость силового цилиндра 2. Одновременно открывается обратный клапан 27. Суммарная сила, действующая на поршень на этой стадии, возрастает в соответствии с адиабатическим сжатием газа в полости 7 и расширением газа в полости 8.
После того как давление в аккумуляторе 7 поднимется до давления, равного начальному давлению в баллоне высокого давления 19, жидкость через открытый обратный клапан 14 начинает наполнять и аккумулятор высокого давления 16. Одновременно давление в аккумуляторе 8 падает до давления в баллоне низкого давления 18, и начинается отток жидкости из аккумулятора низкого давления 13 через открытый обратный клапан 11. Так как объемы баллонов (ресиверов) как высокого давления 19, так и низкого давления 18 достаточно большие, то сила, развиваемая амортизатором, возрастает незначительно и близка к предельно допустимой силе. Отметим, что клапаны, через которые проходит жидкость на этой стадии воздействия, открыты, что минимизирует перепады давлений между рабочими камерами гидроцилиндра и аккумуляторами, что практически исключает забросы давления из-за вибрации основания или объекта.
После остановки поршня 3 под действием перепада давления на поршне система начинает возвращаться в исходное состояние. Следует отметить, что на этом этапе от амортизатора уже требуется создание диссипативных сил, способствующих быстрому затуханию колебаний. Скорости течения жидкости всюду меняют знак и обратные клапаны 14 и 11 закрываются. При этом истечение жидкости из аккумулятора 16 и затекание жидкости в аккумулятор 13 происходит через дроссели постоянного сечения, выполненные в тарелках клапанов 14 и 11. Истечение же жидкости из аккумулятора 7 в гидроцилиндр 1 происходит в основном через обратный клапан 26, так как давление в газовой полости аккумулятора падает, и обратный клапан 30 закрывается (площадь дросселя постоянного давления 31 выбирается достаточно малой), что приводит к закрытию клапана 20. После того как давление в газовой полости аккумулятора 7 восстанавливается, восстанавливающая сила, благодаря тому, что клапаны 14 и 11 закрыты, падает до нуля или даже изменяет знак.
После того как поршень пройдет начальное (среднее) положение, диафрагмы аккумуляторов 16 и 13 примут первоначальную форму (положение) и через некоторое время, когда давление в аккумуляторе 8 повысится до давления, равного начальному давлению в баллоне высокого давления 19, начинается наполнение аккумулятора высокого давления 17 через открытый обратный клапан 15. Примерно в этот же момент времени давление в аккумуляторе 7 падает до давления в баллоне низкого давления 18 и начинается отток жидкости из аккумулятора низкого давления 12 через открытый обратный клапан 10.
Благодаря потерям при истечении через дроссели в тарелках обратных клапанов 10, 14, 15 и 11 колебательная скорость уменьшается. Ко второму колебанию, благодаря работе обратных клапанов 30 и 31, давление в газовых полостях переливных клапанов 20 и 21 увеличивается и они закрываются. В дальнейшем, даже при малых амплитудах колебания поршня 3 (когда аккумуляторы 12, 16, 17 и 13 не работают), данные клапаны открываются только тогда, когда давление в соответствующей полости цилиндра превысит давление в воздушной полости соответствующего клапана. Это способствует быстрому затуханию колебаний и на завершающей стадии.
Через некоторое время поршень под действием давления газа в аккумуляторах 7 и 8 останавливается в начальном положении, а давление в газовых полостях переливных клапанов 20 и 21 благодаря течению газа через дроссели 32 и 33 сравнивается с начальным. Под действием пружин 24 и 25 клапаны открываются и амортизатор готов к следующему воздействию.
Таким образом, разработанный амортизатор исключает возникновение кратковременных забросов силы, развиваемой амортизатором при ударном нагружении, обеспечивает требуемую протяженность участка нарастания силы, небольшое увеличение силы на последующем участке и изменение знака силы, при изменении знака относительной скорости, допускает возможность размещения амортизаторов с одной стороны амортизируемого объекта.
Техническим результатом изобретения является возможность защищать оборудование от значительных ударных нагрузок.