СПОСОБ ПОСТОЯННОЙ РЕГУЛИРОВКИ НАПРЯЖЕНИЯ ПРУЖИННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ В УСЛОВИЯХ ДИНАМИЧЕСКИХ НАГРУЗОК
METHOD FOR CONSTANT ADJUSTMENT OF SPRING ELEMENTS VOLTAGE FOR USE UNDER CONDITIONS OF DYNAMIC LOADS

Настоящее изобретение относится к способу постоянной регулировки напряжения пружинных элементов с помощью болта и гайки, в дальнейшем также называемых двухкомпонентным болтом в сборе, для применения в системе механизма защиты при срыве многоразового использования стрел шлагбаума.
Из описания патентного документа Польши PL223989 известно устройство для безопасного и неразрушающего отсоединения элементов оборудования, в частности, элементов стрелы шлагбаума, подверженных внезапным внешним воздействиям, таким как удары. После превышения значения силы, установленной с помощью регулировочного винта, происходит отсоединение соединения стрелы шлагбаума от держателя и отрыв стрелы шлагбаума. Для повторной установки стрелы шлагбаума необходимо выполнить – сложную операцию высвобождения пружин, размещения соединения стрелы шлагбаума в держателе и натяжения пружин с помощью болтов, однако, при этом способ регулировки силы срыва в этом случае не определяется, при этом процедура регулировки осуществляется на основе напряжения пружин с помощью болта постоянной длины.
Недостаток такого известного решения заключается в том, что при выталкивании стрелы шлагбаума, например, вследствие удара, для того, чтобы присоединить ее обратно, необходимо выполнить сложную операцию калибровки значения напряжения, и такая операция должна выполняться квалифицированным персоналом, который необходимо вызывать специально для этой цели.
В других шариковых устройствах защиты от отрывания многоразового использования, применяемых, например, в механизмах защиты при срыве стрелы шлагбаума, необходимо использовать тарельчатые пружины для достижения настолько высокого значения силы срыва, на сколько это необходимо. Тарельчатые пружины, размеры которых определены, например, в стандарте DIN 2093 «Disc springs – Quality specifications», отличаются высоким значением силы сжатия при небольшой деформации пружины. Для обеспечения требуемых характеристик упругости, например, увеличения деформации пружины, пружины располагаются одна над другой. Благодаря суммированию допусков размеров окончательный набор пружин может иметь различную высоту и, как следствие, его сила напряжения в отношении определенной деформации отличается соответственно.
o
i
o
o
o
o
Например, одиночная пружина (DIN 2093) D450.305.175 (фиг. 1) с номинальными размерами, наружным диаметром D=45 мм, внутренним диаметром D=22,4 мм, общей свободной высотой l=3,05 мм, и толщиной t=1,75 мм и максимальной высотой конуса h=1,3 мм, при высоте конуса 0,75h позволяет достичь сил в диапазоне допусков F=3650 Н+15%: -7,5%. Допуски размеров от размера пружины составляют dt=+0,04: -0,12 мм по отношению к толщине и dl=+0,15: -0,08 мм по отношению к общей свободной высоте.
op
op
op
Когда 8 шт. (DIN 2093) D450.305.175 (фиг. 2) располагаются одна над другой, значение допусков умножается. Номинальная высота набора составляет 24,4 мм и диапазон допусков общей свободной высоты набора l составляет от 23,76 мм до 25,6 мм, и, следовательно, учитывая возможную деформацию общей свободной высоты набора, l=1,84 мм, т. е. значение больше толщины одной пружины. В номинальной ситуации смещение до 75% максимальной высоты конуса набора (высота 16,6 мм) создает силу в 3650 Н. Благодаря нижнему пределу допуска по высоте уменьшение высоты конуса на 0,64 мм приводит к получению силы в 3430 Н, при этом увеличение высоты конуса на 1,2 мм приводит к получению силы в 4040 Н. Следовательно, лишь благодаря допуску на общей свободной высоте набора l возникающие силы могут находиться в диапазоне от -6% до +11%. Отклонение от номинального значения находится в пределах допустимых допусков силы (DIN 2093), однако, это большая абсолютная разница (17%).
На практике суммарные допуски варианта гнезда, в котором работают пружины и прижимной элемент, наряду с допусками пружин, делают невозможным достижение повторяемости значения напряжения в системе.
Ситуация усложняется, если пружины работают в непосредственной близости от точки, в которой они распрямляются. Минимальная высота одного примерного набора, который вызывает распрямление пружин, составляет 10,4 мм, тем не менее, это дает номинальную силу напряжения 4475 Н. Дальнейшее смещение невозможно и вызывает неограниченное увеличение сил в системе, что приводит к повреждению. В случае нижнего предела допуска минимальная высота набора пружин составляет 9,2 мм и создает силу в 4100 Н. Однако, принимая во внимание верхний предел допуска, набор распрямляется. Возникающая в связи с этим невозможность сжатия при дальнейшем перемещении приводит к неконтролируемому росту сил в системе во время работы, что является опасной ситуацией.
Для достижения более высокой точности и защиты от нежелательного распрямления квалифицированный персонал должен провести времязатратную и дорогостоящую процедуру проверки. Проверка должна основываться на предварительных измерениях высоты набора, толщины отдельных элементов и силы, а затем на проведении регулировки напряжения, например, путем установки или снятия соответствующих прокладок.
Решением, которое позволит устранить недостатки известных решений, а также трудоемкого процесса измерения и регулировки, является применение способа согласно изобретению, который приводит к формированию комплекта двухкомпонентного болта в сборе с регулируемой высотой. Один пример болта с внутренним шестигранным гнездом 10 (ISO 2936) и двумя правосторонними резьбами с различными диаметрами имеет нижнюю резьбу диаметром M35x1,5, которая служит для вкручивания в держатель и создания давления на набор пружин, сжимаемых этим болтом. Верхняя резьба болта с диаметром M30x1,5 предназначена для постоянного крепления гайки, контрующей и фиксирующей прижимную резьбу. Гайка изготавливается с выемкой, обеспечивающей постоянное соединение с болтом.
Таким образом, целью изобретения является разработка способа постоянной регулировки напряжения пружинных элементов с помощью болта и гайки, которые в данном документе также называются как двухкомпонентный болт в сборе, предназначенный для использования в механизме защиты при срыве многоразового использования стрелы шлагбаума.
Данная цель достигается посредством способа согласно изобретению, при котором пружинные элементы размещены в держателе, и производится первая соответствующая затяжка болта с помощью динамометрического ключа, при этом значение момента затяжки предварительно определяют экспериментально или аналитически с помощью анализа соотношения между моментом затяжки и натяжением болта и оно эквивалентно достижению высоты вкручивания болта, отвечающей целевому и пиковому напряжению пружинных элементов, и это значение находится в диапазоне от 30 до 150 Нм. Затем от этого значения производится откручивание болта на определенное число оборотов, для поддержания соответствующего рабочего шага шара и прокладки, которые поджимаются пружинами, и этот рабочий шаг напрямую зависит от характеристики устройства, для обеспечения беспрепятственного отрывания части шарового механизма защиты при срыве. С этой целью, болт фиксируется, чтобы предотвратить изменение фиксированного положения и откручивания, с помощью гайки; образуя один сборный и монолитный болт.
В способе согласно изобретению предпочтительно гайка постоянно прикреплена к болту с помощью клея либо клина или механического повреждения резьбы, тем самым исключая возможность изменения их взаимного положения относительно пружин и обеспечивая возможность многократного использования болта без необходимости повторного проведения процедуры регулировки высоты болта и напряжения элементов.
Значение момента затяжки болта предпочтительно находится в диапазоне от 90 до 120 Нм.
Число оборотов откручиваемого болта предпочтительно выбирается на основе результата умножения числа поворотов ключа на шаг резьбы болта, однако в случае шага резьбы болта M35x1,5 количество оборотов составляет 3–3,5 оборота, предпочтительно 3,25, что соответствует рабочему пространству 4,5–5,25 мм, предпочтительно 4,8 мм.
Благодаря применяемому способу, исключается влияние допуска на рабочее пространство, и полученное таким образом рабочее пространство обеспечивает более высокую точность, по сравнению с использованием болта с постоянной высотой без измерений.
Представленное техническое решение также позволяет непосредственно использовать держатель механизма защиты при срыве для выполнения процесса растяжения пружин в их держателе, тем самым позволяя избежать явления усадки пружин со временем. С этой целью болт затягивается в держателе с моментом затяжки, вызывающим натяжение пружин сверх предела пластичности. В случае (DIN 2093) D.315.163.175 и болта M35x1,5 момент затяжки находится в диапазоне 100–200 Нм, предпочтительно 130 Нм, и такое состояние должно поддерживаться в течение достаточно длительного времени, по меньшей мере 48 ч. По истечении этого периода общая свободная высота пружин немного уменьшается, при этом внутреннее напряжение в материале, из которого выполнены пружины, высвобождается, что положительно влияет на срок службы этих элементов и повторяемость рабочих параметров пружин: деформация пружины и жесткость пружины.
С помощью способа согласно изобретению решаются следующие технические проблемы:
• регулировка глубины, на которую закручивают винты, и деформации пружины является произвольной,
• возможность опосредованного контроля силы прижима путем измерения момента затяжки динамометрического ключа,
• устранение необходимости контроля размеров пружин и взаимодействующих элементов,
• возможность предварительного напряжения набора пружин непосредственно в их держателе, где они установлены,
• после использования гайки, постоянно соединенной с болтом получение болта постоянной высоты, обеспечивая многократное откручивание и закручивание без процедуры регулировки,
• дополнительная защита частей соединения и держателя от влаги с помощью прокладки или О-образного уплотнительного кольца,
• возможность использования различных пружинных элементов для регулировки напряжения, таких как тарельчатые пружины, спиральные пружины, резиновые упругие элементы и т. д.,
• сокращение времени регулировки и повторного монтажа.
Способ регулировки согласно настоящему изобретению является универсальным и может использоваться для установки напряжения пружин любого диаметра путем соответствующего подбора диаметров болтов с помощью гаек с соответствующим шагом резьбы.
Предмет изобретения представлен в виде примера одного варианта, приведенного в графических материалах, где на фиг. 1 представлены параметры одной тарельчатой пружины, на фиг. 2 показано поперечное сечение пружин, расположенных: a) параллельно, b) последовательно и c) в комбинации, и на фиг. 3 показана часть механизма шлагбаума со стрелой шлагбаума с видимым болтом согласно изобретению, вкрученным в держатель шарового механизма защиты при срыве: а) общий вид, b) изометрическое изображение соединения и c) продольное сечение.
На фиг. 3 представлена часть механизма шлагбаума со стрелой шлагбаума. Болт 1 с гайкой 2, используемый в механизме шлагбаума, расположен в держателе 3 шарового механизма защиты при срыве, в котором под болтом дополнительно расположен набор пружинных элементов 5. Пружинными элементами могут быть пружины различных типов, например, тарельчатые, спиральные, резиновые, полимерные и т. д. Под пружинными элементами 5 находится прокладка для пружинных элементов 6. Сверху прокладка упирается в шарик 7, расположенный в выемке пластины защелки 8 механизма защиты при срыве. Пластина защелки прикреплена к стреле 4 шлагбаума, которая срывается в аварийных ситуациях.
Способ подготовки постоянно регулируемого болта многократного применения для напряжения пружин включает следующие этапы:
2
После установки пружинных элементов 5 в держатель 3 вкручивается болт 1, который закрывает этот держатель. Резьба болта должна быть покрыта смазкой для болтов, чтобы уменьшить трение, например, смазка, содержащая MoS. Затем болт 1 затягивается окончательно, чтобы заставить пружины распрямиться. Это затягивание осуществляется с помощью динамометрического ключа, который вводит ограничения вызываемой силы прижима и, таким образом, защищает элементы механизма от перегрузки. Значение момента затяжки обычно предварительно подбирается экспериментально или аналитически путем анализа взаимосвязи между моментом затяжки и напряжением болта и зависит, главным образом, от набора сжимаемых пружин. Например, в случае набора пружин 8x2 (DIN 2093) D.315.163.175 и болта M35 или болта M36 оптимальный момент затяжки находится в диапазоне 30–150 Нм, но предпочтительно использовать 100 Нм. Значение момента затяжки означает достижение высоты вкручивания болта, соответствующей целевому, пиковому напряжению пружинных элементов. Предпочтительно в «целевой момент» витки пружин становятся распрямленными, что делает невозможным физическое перемещение болта при попытке дальнейшего закручивания, но не ограничивает рост силы прижима. Требование использования динамометрического ключа для измерения момента затяжки не всегда обязательно, но его применение предпочтительно во избежание срезания внутренней фрезерованной резьбы в более слабом материале гайки болта, и с целью уменьшения явления «заклинивания резьбы» в болтах из нержавеющей стали, закручиваемых с высокой скоростью и большой силой, предотвращая при этом повреждения зажимаемых элементов, например, прокладок шарового элемента и т. д. Таким образом, подходящее значение момента затяжки для выбранного диаметра будет зависеть от многих параметров, набора пружин, геометрии резьбы, размера болта, коэффициентов трения, количества витков, на которых работает это соединение. Тем не менее, можно однозначно определить необходимое значения для конкретной регулировки.
На следующем этапе болт 1 откручивается на заданное количество оборотов, чтобы ввести соответствующий рабочий шаг шара 7 и прокладки 6. Рабочий шаг напрямую зависит от требуемых характеристик устройства, например, номинальное вертикальное смещение шара механизма защиты при срыве составляет 4,5 мм, поэтому для болта M35x1,5 используется откручивание в диапазоне 3–3,5 оборота, предпочтительно 3,25 оборота, что позволяет получить пространство для перемещения шара в диапазоне 4,5–5,25 мм, предпочтительно 4,8 мм. В случае набора пружин 8x2 (DIN 2093) D.315.163.175 диапазон перемещения соответствует начальной силе прижима в диапазоне 1000–2200 Н, которая задается по мере необходимости. Здесь используется принцип винтовой передачи для повышения контроля над параметром вертикального перемещения, и регулировка последнего параметра и сил напряжения значительно улучшается.
При откручивании болта 1 на необходимое количество оборотов, достигается подходящий шаг работы предварительно распрямленного пружинного элемента. Соответственно, шар механизма защиты при срыве, поджимаемый упругим элементом, во время срыва может подниматься и достигать пикового значения силы срыва (в описанном здесь случае предпочтительное значение силы, требуемой в документации, имеет минимальное ограничение на уровне 8000 Н и не имеет верхнего предела, тем не менее, существует требование, что срыв должен происходить под действием боковых сил), при этом без риска возникновения ситуации, когда пространство для перемещения болта будет слишком малым, что приведет к невозможности срыва.
Последний этап заключается в постоянной фиксации высоты и предотвращении откручивания болта 1. Для этого используется гайка 2, накручиваемая на резьбу M30x1,5 болта 1, выступающую над механизмом. Гайка сконструирована таким образом, что имеет заход, обеспечивающий охват резьбы M35 или M36 в том случае, если после процедуры регулировки она выступает над поверхностью. Гайка может иметь канавку для прокладки. Прокладка используется при необходимости, чтобы обеспечить герметичность соединения. Резьба гайки защищена от откручивания от болта с использованием клея для резьбовых соединений или механического повреждения резьбы болта и гайки через боковое отверстие гайки, или с помощью элемента шплинта или клина.
Благодаря способу согласно настоящему изобретению осуществляется процесс надежной и повторяемой установки частей соединения стрелы в механизме шлагбаума, благодаря чему образуется прочный монолитный болт, высота которого адаптирована к конкретным параметрам стрелы шлагбаума с набором пружин. Благодаря этому, последующее откручивание и затягивание болта исключает необходимость повторной регулировки всего соединения трубы шлагбаума. Благодаря способу согласно изобретению в случае срыва стрелы шлагбаума, например, в результате удара, полученного от транспортного средства, возможен быстрый ремонт всего механизма шлагбаума с использованием обычного шестигранного ключа работником, не имеющим специальной квалификации (например, сторожем), устраняя при этом необходимость использования специализированных инструментов и привлечения квалифицированного персонала, который должен был бы выполнить повторную сложную процедуру калибровки частей стрелы шлагбаума. В результате ремонт поврежденной стрелы может быть осуществлен практически любым пользователем, что сокращает время его выполнения и минимизирует связанные с ним затраты. Поскольку ремонт механизма шлагбаума можно осуществить незамедлительно, устраняется опасность длительного периода бездействия механизма шлагбаума, например, на железнодорожном переезде.