ЦЕЛЬНОМЕТАЛЛИЧЕСКИЙ ФРИКЦИОННЫЙ АМОРТИЗАТОР ДЛЯ АВТОСЦЕПНОГО УСТРОЙСТВА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ
ALL-METAL FRICTION DAMPER FOR RAILWAY VEHICLE AUTOMATIC COUPLING DEVICES

Изобретение относится преимущественно к железнодорожному транспорту и касается фрикционных поглощающих аппаратов железнодорожных транспортных средств.
Известен фрикционный амортизатор, содержащий полый корпус, в котором размещены нажимной клин, фрикционные клинья, контактирующие с поджатой пружинами опорой, подвижные и неподвижные фрикционные пластины, снабженные износоустойчивыми металлокерамическими элементами, и пружинный комплект (см. авт. св. СССР №198382, МПК B61G 9/04).
Недостатком этого фрикционного амортизатора является низкая надежность и долговечность, обусловленная скалыванием и обмятием кромок металлокерамических элементов.
Известен фрикционный амортизатор, содержащий корпус, в котором размещены нажимной клин, фрикционные клинья, расположенные в контакте с поджатой пружинами опорой, пружинный комплект, подвижные фрикционные пластины и неподвижные фрикционные пластины с разгружающими выступами, между которыми закреплены износоустойчивые металлокерамические элементы (см. авт. св. СССР №906762, МПК B61G 9/04).
Недостатком этого фрикционного амортизатора является нестабильность силовой характеристики, проявляющаяся в форме скачкообразного характера изменения силы при ударном сжатии и связанная с фрикционными автоколебаниями при скольжении, чему способствуют большие углы наклона поверхностей нажимного клина, которые необходимо задавать при использовании малоэнергоемкого пружинного комплекта.
Известен фрикционный амортизатор для автосцепного устройства железнодорожных транспортных средств, содержащий корпус, в котором размещены нажимной клин, фрикционные клинья, расположенные в контакте с поджатой упругим массивом опорой, подвижные фрикционные пластины и неподвижные фрикционные пластины с износоустойчивыми элементами. С целью повышения эффективности работы упругий массив выполнен в виде комплекта самоустанавливающихся упругих блоков, состоящих из нескольких осесимметричных эластомерно-металлических элементов с криволинейной боковой поверхностью, несимметричной относительно их срединной плоскости, разделенных центрирующими чашеобразными металлическими пластинами, скользящими по выполненным в корпусе продольным центрирующим ребрам (см. патент РФ №2128301, МПК F16F 7/08, B61G 9/02).
Недостатком этого фрикционного амортизатора является низкая демпфирующая способность упругого полимерного массива, вследствие чего, для обеспечения заданного уровня поглощающей способности поглощающего аппарата в целом, приходится применять нажимной клин с фрикционными клиньями, работающими в условиях больших контактных давлений. Это, в свою очередь, приводит к интенсивному износу фрикционных клиньев, изменению характеристик амортизатора в процессе эксплуатации. Кроме того, упругая характеристика применяемых эластомеров (резина, полиуретан) существенно зависит от температуры, что ухудшает безопасность движения транспортных средств в зимнее время эксплуатации. Еще одним существенным недостатком данного фрикционного амортизатора является сложность конструкции и высокая стоимость.
Известны также конструкции резинофрикционных амортизаторов РФ1 и РФ2, содержащих корпуса, в которых размещены нажимные клинья, расположенные в контакте с подпорным упругим массивом резинометаллических шайб, чередующихся с металлическими чашками, образующими совместно с корпусом пары трения (см. Никольский Л.Н., Кеглин Б.Г. «Амортизаторы удара подвижного состава». - М.: Машиностроение, 1986, с.52-54).
Недостатками резинофрикционных амортизаторов являются невозможность обеспечения рабочего хода амортизатора, превышающего 100 мм, без значительного увеличения продольных размеров поглощающего аппарата, а также все перечисленные ранее недостатки, присущие резинометаллическим фрикционным амортизаторам - старение резины, ухудшение свойств с падением температуры в зимний период эксплуатации.
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому техническому решению является конструкция резинометаллического амортизатора удара, состоящего из корпуса, комплекта резинометаллических шайб или пластин, установленных в корпус с предварительным натягом. Боковые поверхности шайб или пластин имеют вогнутые радиусные очертания для обеспечения поперечной деформации без заклинивания по корпусу (см. Болдырев А.П., Кеглин Б.Г. «Расчет и проектирование амортизаторов удара подвижного состава». - М.: Машиностроение-1, 2004, с.74, рис.35, б - прототип).
Недостатком устройства, принятого в качестве прототипа, является недостаточный уровень энергоемкости, составляющий 45 кДж при максимальной нагрузке 1,5 МН. Данному резинометаллическому амортизатору присущи и такие недостатки аналогов, как старение резины, ухудшение свойств с падением температуры в зимний период эксплуатации.
Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое техническое решение, является повышение эффективности работы амортизатора, обеспечение независимости его упругодемпфирующих свойств от температуры, а также стабильности его силовых характеристик при эксплуатации.
Технический результат достигается тем, что цельнометаллический фрикционный амортизатор для автосцепного устройства железнодорожных транспортных средств, состоящий из корпуса, нажимного устройства и упругого подпорного элемента, при этом упругий подпорный элемент выполнен в виде комплекта шайб или блоков из опрессованного проволочного материала, установленных в корпус с некоторым осевым предварительным натягом, между шайбами или блоками установлены с радиальным натягом фрикционные элементы таврового поперечного сечения, контактирующие по наружным поверхностям полок с внутренней поверхностью корпуса, а по боковым поверхностям ножек и внутренним поверхностям тавровых фрикционных элементов - с поверхностями шайб или блоков из опрессованного проволочного материала, причем для обеспечения заданного уровня энергоемкости амортизатора и минимального износа контактирующих фрикционных элементов и корпуса величина радиального натяга шайб или блоков при установке в корпус обратно пропорциональна линейной функции от координаты осевого расположения каждого из тавровых фрикционных элементов относительно основания корпуса. Для обеспечения заданного закона нагрузочной характеристики амортизатора от величины осадки нажимного устройства плотности дисков или блоков выполнены переменными по оси амортизатора, причем для обеспечения жесткой характеристики наименьшая плотность дисков или блоков выбирается у нажимного устройства, а наибольшая - у основания амортизатора. Для обеспечения мягкой характеристики наименьшая плотность дисков или блоков выбирается у основания амортизатора, наибольшая - у нажимного устройства.
В качестве опрессованного проволочного материала возможно использование нетканого материала MP из металлической проволоки (см. авт.св. СССР №183174, МПК B21F 21/00), а также тканого сетчатого материала из металлической проволоки (см. европейский патент ЕР 0838283, МПК B21F 27/02).
Сущность изобретения поясняется чертежами, где:
- на фиг.1 изображен общий вид цельнометаллического фрикционного амортизатора для автосцепного устройства железнодорожных транспортных средств;
- на фиг.2 изображено поперечное сечение амортизатора цилиндрической формы;
- на фиг.3 изображено поперечное сечение амортизатора прямоугольной формы;
- на фиг.4 показаны примеры распределения радиальных натягов δ и плотностей ρ шайб или блоков по оси амортизатора Y.
Цельнометаллический фрикционный амортизатор (фиг.1) содержит полый корпус 1, в котором расположено нажимное устройство 2, упругодемпфирующие элементы 3, выполненные в виде шайб (фиг.1 и 2) или блоков прямоугольной формы в плане (фиг.3). Между шайбами или блоками 3 установлены с радиальным натягом фрикционные элементы 4 таврового поперечного сечения, контактирующие по наружным поверхностям полок с внутренней поверхностью корпуса 1, а по боковым поверхностям ножек и внутренним поверхностям тавровых фрикционных элементов - с поверхностями шайб или блоков 3 из опрессованного проволочного материала.
Выбор в качестве упругих элементов подпорного блока опрессованного проволочного материала обосновывается тем, что у этого материала коэффициент поперечной деформации очень мал и составляет величину µ≈0,02 (см. Уланов A.M., Пономарев Ю.К. «Упругие константы материала МР». Сб. «Наука и технологии». Том 1. Труды XXVI Российской школы. - М.: РАН, 2006, с.81-86»). Благодаря этому при осевой деформации упругих шайб 3 радиальные натяги в контакте фрикционных элементов 4 с корпусом 1 практически не изменяются. Это обстоятельство обеспечивает стабильность характеристик амортизатора, исключает заклинивание упругих элементов и возникновение остановок и срывов в работе, что обычно имеет место в конструкциях клиновых амортизаторов. Жескостные и демпфирующие характеристики опрессованных проволочных материалов, изготовленных путем холодного прессования заготовки из предварительно изготовленной, растянутой и уложенной специальным образом проволочной спирали, не зависят от изменения температуры, что также важно для амортизаторов удара, применяемых в автосцепных устройствах железнодорожных транспортных средств.
Цельнометаллический фрикционный амортизатор работает следующим образом. Под действием сжимающей нагрузки упругие элементы из опрессованного проволочного материала 3 деформируются, при этом за счет взаимного проскальзывания проволочек спиралей в их объеме рассеивается часть энергии удара. Как правило, эта энергия составляет приблизительно треть всей рассеиваемой энергии. Остальные две трети энергии рассеиваются в контактах фрикционных элементов 4 с корпусом 1.
Для обеспечения заданного уровня энергоемкости фрикционного амортизатора, минимального износа контактирующих фрикционных элементов 4 и корпуса 1, величина радиального натяга δ шайб или блоков 3 при установке в корпус 1 должна быть обратно пропорциональна линейной функции от координаты Y осевого расположения каждого из тавровых фрикционных элементов 4 относительно основания 5 корпуса 1 (кривая 1 на фиг.4). Для обеспечения заданного закона нагрузочной характеристики амортизатора от величины осадки нажимного устройства 2 плотности ρ дисков или блоков выполнены переменными по оси амортизатора, причем для обеспечения жесткой характеристики наименьшая плотность дисков или блоков выбирается у нажимного устройства, а наибольшая - у основания амортизатора (кривая 2 на фиг.4). Для обеспечения мягкой характеристики наименьшая плотность дисков или блоков выбирается у основания амортизатора, наибольшая - у нажимного устройства (кривая 3 на фиг.4).