Гидравлический демпфер для сцепного устройства поезда, обеспечивающий подавление отдачи
HYDRAULIC DAMPER FOR A TRAIN COUPLING DEVICE, PROVIDING FOR RECOIL SUPPRESSION

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Предложенное изобретение относится к гидравлическим демпферам такого типа, которые могут быть встроены в сцепные устройства поездов. В частности изобретение относится к демпферу, который может подавлять отдачу и рывки путем поглощения ударной нагрузки, возникающей как при сжатии, так и при удлинении демпфера.
ПРЕДПОСЫЛКИ И УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Гидравлические демпферы, также называемые в данной области техники буферами, обычно устанавливают в центральных буферных сцепках, предназначенных для соединения рельсовых транспортных средств. В центральной буферной сцепке демпфер может эффективно поглощать ударные нагрузки, возникающие как при сжатии, так и при удлинении демпфера, при этом уменьшая рывки и обеспечивая плавный процесс езды для пассажиров.
Основная функция и конструкция рассматриваемых гидравлических демпферов включают полый поршень, который расположен в цилиндрическом корпусе с возможностью осевого перемещения. В рабочей камере корпуса содержится объем рабочей текучей среды для гидравлической системы. Рабочая камера сообщается с переливной камерой поршня посредством ограничивающего элемента. При сжатии демпфера, как например, в случае, когда ударная нагрузка превышает умеренную, которая толкает поршень далее в корпус, рабочая текучая среда гидравлической системы выдавливается через ограничивающий элемент в переливную камеру, так как объем рабочей камеры уменьшается. Разделительный элемент, который свободно скользит в полом поршне, смещается под напором текучей среды, таким образом, увеличивая объем переливной камеры. Разделительная стенка смещается против действия сжимаемой пружины, которая нагружается, поглощая основную часть или всю энергию, образованную в результате сжатия демпфера. Данная пружина обычно представляет собой газовый объем, который при умеренных нагрузках поглощает энергию, образованную при сжатии демпфера. При удлинении демпфера пружина высвобождает накопленную ею энергию, возвращая рабочую текучую среду гидравлической системы, находящуюся в переливной камере, обратно в рабочую камеру. Как правило, обратный поток проходит по другому маршруту, обходя ограничивающий элемент, при этом обеспечивая свободный возврат поршня в его ненагруженное положение. Для исключения сильной отдачи, при возврате поршня в вытянутое положение, может быть выполнена дополнительная камера, предназначенная для приема меньшего объема рабочей текучей среды гидравлической системы в процессе сжатия, при этом возвращая тот же самый объем через ограниченный проход во время удлинения демпфера, тем самым, уравновешивая растяжение газовой пружины и демпфера.
Демпферы этого типа известны из ранее опубликованных документов. В публикации ЕР 1352802 В1 описан демпфер для устройства центральной буферной сцепки, в котором расположена компенсационная камера, образованная в кольцевом пространстве между цилиндром и поршнем, установленным в цилиндре с возможностью перемещения. В проточной части, соединяющей рабочую камеру цилиндра с переливной камерой поршня, расположено асимметричное средство дросселирования потока текучей среды в компенсационной камере. Другими словами, асимметричное средство дросселирования расположено по одной линии с ограничивающим элементом, который обеспечивает регулирование потока, протекающего из рабочей камеры в переливную камеру. Асимметричное средство дросселирования включает радиально образованные впускные и выпускные каналы, при этом во впускном канале расположен невозвратный клапан, а выпускной канал имеет уменьшенный диаметр.
В публикации DE 1455227 A1 описано устройство газогидравлического демпфера, в котором компенсационная камера ограничена в кольцевом пространстве, образованном между поршнем и цилиндром, в котором расположен поршень. Компенсационная камера сообщается с рабочей камерой посредством осевого канала, проходящего через большую концевую пластину, закрывающую конец поршня. Дросселирующий эффект, обеспечивающий возврат потока из компенсационной камеры в рабочую камеру, достигается посредством свободно перемещаемого кольца, расположенного в компенсационной камере, при этом в процессе возвратного хода поршня кольцо перемещается по направлению к концевой пластине в результате перепада давления между компенсационной и рабочей камерами. Выпускной канал, образованный в кольце, расположен в согласовании с впускным каналом, имеющим такой же диаметр и проходящим через концевую пластину поршня, таким образом, удлиняя траекторию потока рабочей текучей среды гидравлической системы при обратном движении указанной текучей среды.
В патенте США №4973854 А описан гаситель вибраций, содержащий две рабочие камеры, одна из которых расположена в цилиндре, а другая в кольцевом пространстве, образованном между цилиндром и поршнем, который может перемещаться в цилиндре. Кольцевая камера сообщается с рабочей камерой цилиндра посредством впускных/выпускных каналов, проходящих через радиальный фланец, образованный во внутреннем конце поршня. Представленный гаситель вибраций имеет клапаны одностороннего действия, установленные в каналах. В документе упомянуты средства дросселирования, расположенные в каналах, но подробное описание и детальное изображение указанных средств на чертежах не приводится.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Цель предложенного изобретения заключается в создании такого демпфера для сцепного устройства поезда, который имеет альтернативную конструкцию и улучшенные характеристики подавления отдачи.
Другая цель предложенного изобретения заключается в создании демпфера, гидравлический контур которого имеет усиленную защиту от среды, окружающей демпфер снаружи.
Одна или более из указанных целей достигаются путем создания демпфера, предназначенного для поглощения ударной нагрузки как при сжатии, так и при растяжении, при этом демпфер содержит:
цилиндрический корпус, в котором с возможностью осевого перемещения расположен полый поршень,
гидравлическую рабочую камеру переменного объема, выполненную в корпусе,
гидравлическую переливную камеру переменного объема, выполненную в поршне,
пружинное средство, заключенное в камере переменного объема, выполненной в поршне,
средство дросселирования, расположенное в проточном проходе между рабочей камерой и переливной камерой и выполненное в форме устройства ограничения потока, которое изменяется вместе с положением поршня относительно корпуса,
гидравлическую компенсационную камеру переменного объема, образованную в кольцевом пространстве между поршнем и корпусом,
при этом демпфер также содержит:
скользящее кольцо, расположенное на головке поршня на его внутреннем конце, при этом указанное кольцо обеспечивает опору поршня в корпусе и отделяет компенсационную камеру от рабочей камеры;
по меньшей мере один впускной канал, проходящий через скользящее кольцо и обеспечивающий прямой поток из рабочей камеры в компенсационную камеру при сжатии демпфера; и
по меньшей мере один выпускной канал, обеспечивающий ограниченный поток через скользящее кольцо из компенсирующей камеры в рабочую камеру при удлинении демпфера.
В результате использования скользящего кольца, которое действует в качестве отдельного элемента для поддержки поршня в корпусе и также участвует в двунаправленном сообщении между компенсационной камерой и рабочей камерой, обеспечивается преимущество выбора материала скользящего кольца и высокая точность при изготовлении, что приводит к более качественному управлению размерами для лучших уплотнительных и опорных качеств, а также уменьшенному износу опорных поверхностей в демпфере.
Уплотнение корпуса обеспечено скользящим опорным элементом, расположенным на внешней периферии скользящего кольца и обеспечивающим опору переднего конца поршня, который может возвратно-поступательно перемещаться в корпусе. В предпочтительном варианте выполнения, на внешней периферии скользящего кольца сформировано посадочное место для скользящего опорного элемента, который также обеспечивает уплотнение между рабочей камерой и компенсационной камерой.
Скользящее кольцо, сформированное как отдельный и заменяемый элемент, дополнительно обеспечивает преимущество широкой универсальности при компоновке и выполнении впускных и выпускных каналов.
В одном варианте выполнения скользящее кольцо взаимосвязано с тарелкой клапана, расположенной в компенсационной камере напротив той стороны скользящего кольца, которая обращена к компенсационной камере. В данном варианте выполнения выпускные каналы могут быть выполнены в виде отверстий уменьшенного диаметра, проходящих через тарелку клапана в соответствии с впускными каналами, расположенными в скользящем кольце.
Тарельчатая пружина может обеспечивать поджатие тарелки клапана по направлению к скользящему кольцу и, таким образом, заблаговременное ограничение обратного потока через выпускные каналы еще до возникновения отдачи или рывка.
В одном варианте выполнения тарелка клапана поджата по направлению к скользящему кольцу посредством тарельчатой пружины, которая прикреплена к поршню при помощи стопорного кольца, заглубленного в окружной канавке, выполненной на наружной поверхности поршня.
Преимущество данной конструкции заключается в ее простоте и минимальной машинной обработке, необходимой для установки тарельчатой пружины и тарелки клапана на поршне.
В одном варианте выполнения на внутреннем конце поршня расположена головка, соединенная с поршнем, причем в присоединенном положении головка поршня удерживает скользящее кольцо в фиксированном положении, прижатым к поршню.
Головка поршня имеет проходы, которые обеспечивают проточное сообщение между рабочей камерой и переливной камерой, включая компоненты средства дросселирования, невозвратный клапан и один или более проходов для обратного потока. На поршне может быть выполнена наружная резьба, обеспечивающая зацепляющее взаимодействие с внутренней резьбой поршня. Зажимание скользящего кольца между концом поршня и головкой поршня, как предложено, обеспечивает преимущество установки указанного кольца, которое может быть выполнено без необходимости модификации конструкции поршня или его головки.
Согласно предложенному изобретению, компенсационная камера ограничена в осевом направлении скользящим кольцом на одном своем конце и уплотнительным кольцом на другом конце. Уплотнительное кольцо содержит уплотняющие элементы, обеспечивающие уплотнение относительно поршня и корпуса. Уплотнительное кольцо зафиксировано относительно корпуса, но может скользить относительно поршня.
Уплотнительное кольцо вместе с уплотняющими элементами обеспечивает технический эффект, который заключается формировании данным кольцом первого и внутреннего барьера, который с одной стороны, предотвращает утечку рабочей текучей среды гидравлической системы через компенсационную камеру, а с другой стороны препятствует проникновению посторонних веществ снаружи, которые в противном случае могли бы вызвать загрязнение указанной текучей среды.
Уплотнительное кольцо зафиксировано в осевом направлении относительно корпуса, путем зажатия его между радиальным выступом, сформированным на внутренней периферии корпуса, и внутренним концом цилиндра, покрывающим внутреннюю периферию корпуса.
Вариант выполнения обеспечивает преимущество, заключающееся в простоте конструкции и установки в корпусе демпфера.
В соответствии с одним вариантом выполнения изобретения гидравлический контур в демпфере, содержащий компенсационную камеру, рабочую камеру и переливную камеру, защищен от окружающей среды внутри второго и наружного барьера, который образован опорным элементом скольжения, обеспечивающим уплотнение и опору поршня в конце корпуса. Данный опорный элемент скольжения расположен в посадочном месте, связанном с соединительным кольцом, которое зафиксировано на конце корпуса, и обеспечивает уплотнение относительно части поршня, выступающей из данного конца корпуса.
Другими словами, длина поршня, которая при сжатии проходит уплотнительное кольцо и толкается в компенсационную камеру, находится в буферной камере, которая выровнена в осевом направлении с компенсационной камерой в кольцевом пространстве, образованном между корпусом и поршнем. Длина буферной камеры достаточна для защиты указанной длины поршня и в максимально удлиненном состоянии демпфера. Иначе говоря, длина буферной камеры по меньшей мере равна максимальной длине хода поршня. Указанные параметры способствуют продолжительному сроку службы демпфера посредством обеспечения точного и эффективного уплотнения между уплотнительным кольцом и поршнем, при этом подверженная воздействию длина поршня защищена от любого рода внешних повреждений и износа.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Далее приведено описание демпфера со ссылкой на сопроводительные схематические чертежи, на которых:
на фиг. 1 представлена схема, изображающая принцип работы демпфера, обеспечивающего подавление отдачи, и
на фиг. 2 представлен один вариант выполнения демпфера согласно настоящему изобретению, в разрезе по продольному центру.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ВЫПОЛНЕНИЯ
Как изображено на фиг. 1, основные конструктивные компоненты гидравлического демпфера, обеспечивающего гашение отдачи, включают поршень 1, расположенный в цилиндрическом корпусе 2 с возможностью осевого перемещения в направлениях сжатия и удлинения. Рабочая камера 3 в корпусе 2, вмещающая объем рабочей текучей среды гидравлической системы, проточно сообщается с внешней переливной камерой 4 посредством устройства 5 ограничения потока и невозвратного клапана 6. Устройство 5 ограничения потока формирует средство дросселирования, которое может представлять собой отверстие переменной площади для регулирования подачи гидравлической текучей среды. На практике степень ограничения потока рабочей текучей среды гидравлической системы, обеспечиваемая устройством 5 ограничения потока, может зависеть от текущего положения поршня в корпусе. Продувной клапан 7, регулируемый давлением, расположен последовательно с устройством 5 ограничения потока и открывается в ответ на повышение заранее заданного давления, образованного в объеме рабочей камеры, в котором находится рабочая текучая среда гидравлической системы, в результате внешней силы, действующей на поршень и корпус в процессе сжатия. В таком случае, газовый объем 8 переливной камеры 4 сжимается и находится под нагрузкой, когда рабочая текучая среда гидравлической системы перемещается из рабочей камеры в переливную камеру. Когда нагрузка на поршень прекращает действовать, газ 8 расширяется, смещая текучую среду, находящуюся в переливной камере, обратно в рабочую камеру посредством невозвратного клапана 6 при отдаче, следующей после компрессионной ударной нагрузки.
Для замедления возвратного движения поршня в процессе расширения предусмотрен гидравлический контур 9, служащий в качестве компенсатора для газового объема переливной камеры. Гидравлический контур 9 содержит компенсационную камеру 10, которая проточно сообщается с рабочей камерой 3 посредством невозвратного клапана 11 и устройства 12 ограничения потока. При сжатии, когда поршень толкается в корпус, рабочая текучая среда гидравлической системы по существу без ограничения перемещается из рабочей камеры в компенсационную камеру 10 посредством невозвратного клапана, тогда как при расширении текучая среда возвращается через устройство 12 ограничения потока при существенно меньшем потоке, таким образом подавляя отдачу и вибрацию.
Как изображено на фиг. 2, демпфер 100, выполненный согласно настоящему изобретению, содержит полый поршень 101, который с возможностью осевого возвратно-поступательного перемещения расположен в цилиндрическом корпусе 102. В корпусе 102, между корпусом и внутренним концом поршня образована рабочая камера 103, содержащая рабочую текучую среду/масло гидравлической системы. Рабочая камера 103 проточно сообщается с переливной камерой 104 переменного объема, расположенной внутри полого поршня 101. Переливная камера ограничена между головкой 105 поршня, соединенной с внутренним концом поршня 101, и разделительной стенкой 106, выполненной с возможностью свободного скольжения внутри полого поршня. Разделительная стенка 106 отделяет рабочую текучую среду гидравлической системы, находящуюся в переливной камере, от пружины 107 сжатия. Пружина 107 заключена в камере 108 переменного объема, ограниченной между разделительной стенкой 106 и концевой частью 109, соединенной с наружным концом поршня, выступающим из корпуса. Как правило, пружина 107, расположенная в камере 108, представляет собой объем газа, который вводится посредством клапана 110 одностороннего действия, расположенного в концевой части 109.
В процессе сжатия демпфера поток рабочей текучей среды гидравлической системы, выходящий из рабочей камеры 103 в переливную камеру 104, проходит через средство дросселирования. Средство дросселирования содержит отверстие 111 постоянного диаметра, выполненное в головке 105 поршня, и калибровочный стержень 112, проходящий через отверстие 111 от места своего соединения с концевой части 113, соединенной с концом корпуса 102 демпфера. В данном контексте следует отметить, что изобретение не ограничено устройствами дросселирования, включающими представленный на чертеже конический калибровочный стержень, и что возможны другие альтернативные варианты, такие как, например, прямолинейные и перфорированные калибровочные стержни. Тем не менее, может быть предпочтительным устройство ограничения потока, изменяющееся вместе с положением поршня относительно корпуса цилиндра.
Таким образом, поток из рабочей камеры 103 проходит в переливную камеру 104 только через устройство 111-112 ограничения потока средства 111-112 дросселирования. Невозвратный клапан 114 может быть расположен в проточном проходе от рабочей камеры к переливной камере для предотвращения прохождения обратного потока через средство 111-112 дроселирования. На клапан 114 действует пружина, которая удерживает клапан в закрытом положении до тех пор, пока рабочая текучая среда гидравлической системы, находящаяся в рабочей камере, не достигнет заранее заданного давления открытия. Обратный поток из переливной камеры в рабочую камеру проходит по другому пути, через головку 105 поршня, например, через один или более односторонних проходов 114'.
В демпфере 100 радиальное расстояние между поршнем и корпусом ограничивает компенсационную камеру 115. Компенсационная камера 115 находится в прямом проточном сообщении с рабочей камерой 103 посредством нескольких впускных каналов 116. Впускные каналы 116 проходят через скользящее кольцо 117, которое удерживается на внутреннем конце поршня 101. Размеры впускных каналов 116 обеспечивают по существу неограниченный поток текучей среды гидравлической системы из рабочей камеры в компенсационную камеру в процессе сжатия демпфера.
Скользящее кольцо 117 представляет собой элемент, выполненный способом прецизионной машинной обработки, наружный диаметр которого соответствует внутреннему диаметру корпуса цилиндра. В посадочном месте, проходящем по окружности и выполненном на наружной периферической поверхности скользящего кольца, расположен кольцеобразный, имеющий низкий коэффициент трения, скользящий опорный элемент 118, обеспечивающий уплотнение относительно внутренней периферии корпуса и опору переднего конца поршня в корпусе. Между передним концом поршня и радиальным плечом 120, образованным на головке 105 поршня, зажат проходящий радиально внутрь фланец 119, расположенный на переднем конце скользящего кольца. В свою очередь, головка 105 поршня соединена с поршнем посредством резьбового взаимодействия между внутренней резьбой, выполненной на поршне, и резьбовой частью, выполненной на наружной поверхности, как правило, цилиндрической головки 105 поршня.
Скользящее кольцо 117 отделяет компенсационную камеру 115 от рабочей камеры 103, таким образом, ограничивая осевую протяженность компенсационной камеры 115 в переднем направлении. В противоположном направлении компенсационная камера ограничена уплотнительным узлом, содержащим уплотнительное кольцо 121. Уплотнительное кольцо 121 зафиксировано в осевом направлении в демпфере, как будет объяснено далее, тогда как скользящее кольцо 117 перемещается вместе с поршнем, тем самым, изменяя длину и объем компенсационной камеры относительно положения поршня в корпусе.
Внутренняя периферическая поверхность уплотнительного кольца 121 соответствует наружному диаметру поршня. На внутренней и наружной периферических поверхностях уплотнительного кольца 121 выполнены посадочные места для размещения уплотняющих элементов 122 и 122', обеспечивающих уплотнение относительно наружной поверхности поршня и внутренней поверхности корпуса, соответственно. Уплотнительное кольцо 121 вместе с уплотняющими элементами 122 и 122' обеспечивает внутренний барьер, который изолирует и защищает от окружающей среды компенсационную камеру и гидравлический контур в демпфере, включающий рабочую камеру, заполненную текучей средой, переливную и компенсационную камеры.
Наружная периферическая поверхность уплотнительного кольца 121 и его диаметр соответствуют возвратной длине, которая имеет увеличенный диаметр, образованный на внутренней периферической поверхности корпуса. Цилиндр 123, покрывающий указанную длину корпуса, фиксирует уплотнительное кольцо 121 относительно плеча 124, которое образует радиальный выступ между длинами разных диаметров на внутренней периферической поверхности корпуса 102 демпфера.
Цилиндр 123 зафиксирован в корпусе посредством соединительного кольца 125, которое прикреплено к корпусу 102. Упорный буртик 125' выполнен на поршне для передачи к корпусу 102, посредством соединительного кольца 125, силы, оказываемой на демпфер при растяжении. Соответственно, на фиг. 2 демпфер 100 показан в частично сжатом состоянии.
Соединительное кольцо 125 обеспечивает посадочное место 126, предназначенное для опорного элемента 127 скольжения. Опорные элементы 118 и 127 взаимодействуют, обеспечивая устойчивую опору для поршня 101 в корпусе 102.
Узел, состоящий из элементов 125-127, дополнительно обеспечивает второй и внешний барьер, который изолирует внутренние части демпфера от наружного окружения. Точнее, внешний и внутренний барьеры 125-127 и 121-122/122' ограничивают между собой камеру 128, в которой размещается и защищена от любого вида повреждения и износа длина 129 поршня 101. Камера 128 образует буфер между компенсационной камерой 115 и окружающей внешней средой. Указанные меры способствуют увеличению срока службы демпфера в результате обеспечения точного и эффективного уплотнения между уплотнительным кольцом 121 и поршнем. Точнее, осевое расстояние d между внутренним уплотнительным узлом 121-122/122' и наружным уплотнительным узлом 125-127, то есть, длина d буферной камеры 128, по меньшей мере равна максимальной длине l хода поршня 101. Таким образом, гарантировано, что никакая часть поршня, который подвержен воздействию рабочей текучей среды гидравлической системы в компенсационной камере при сжатии демпфера, при удлинении демпфера не проходит наружный уплотнительный узел 125-127.
Возврат рабочей текучей среды гидравлической системы из компенсационной камеры 115 в рабочую камеру 103 происходит через один или более выпускных каналов 130 (см. ссылочную позицию 130 в нижней части демпфера на фиг. 2). Выпускные каналы, имеющие уменьшенный диаметр по сравнению с диаметром впускных каналов 116, имеют такие размеры, которые обеспечивают ограничение потока по сравнению с по существу неограниченным потоком, проходящим через впускные каналы 116. Таким образом, при удлинении демпфера 100 выпускные каналы 130 обеспечивают ограничение потока через скользящее кольцо.
В представленном варианте выполнения выпускные каналы выполнены в виде отверстий 130, проходящих через тарелку 131 клапана (см. ссылочную позицию 131 в верхней части демпфера), которая в состоянии «закрытия» прижата к скользящему кольцу 117 в компенсационной камере. Тарелка 131 клапана имеет форму кольца и поджимается посредством тарельчатой пружины 132, имеющей кольцеобразную форму, для упора в скользящее кольцо 117, при этом соответствуя выпускным каналам 130 и впускным каналам 116 на той стороне скользящего кольца, которая обращена к указанной тарелке. Стопорное кольцо 133, заглубленное в окружной канавке, выполненной на наружной поверхности поршня, удерживает тарельчатую пружину 132 в осевом направлении на поршне и в поджимающем контакте с тарелкой 131 клапана.
Размер тарельчатой пружины 132 обеспечивает удерживание тарелки 131 в закрытом положении до тех пор, пока давление в рабочей камере 103 не преодолеет усилие тарельчатой пружины. При достижении заранее заданного давления тарелка 131 клапана отделяется от скользящего кольца 117, так как рабочая текучая среда гидравлической системы, находящаяся под высоким давлением, выталкивается через впускные каналы 116 в процессе сжатия демпфера (см. тарелку 131 в «открытом» положении в верхней части демпфера). При прекращении действия силы сжатия, действующей на демпфер и еще до выравнивания давлений в сообщающихся камерах 103, 104, тарельчатая пружина вытесняет тарелку клапана, плотно прижимая ее к скользящему кольцу и оказывая при этом заблаговременное ограничение обратного потока через выпускные каналы 130, как изображено в нижней части демпфера на фиг. 2.
Другими словами, рывки, возникающие в результате отдачи в демпфере при изменении направления перемещения поршня на противоположное, не только нейтрализованы, но и предотвращены посредством заблаговременной активации ограничения обратного потока из компенсационной камеры в рабочую камеру.