Пружина поглощающего аппарата

Полезная модель относится к деталям рельсовых транспортных средств и может использоваться при проектировании и изготовлении пружин для поглощающих аппаратов автосцепного устройства железнодорожных транспортных средств.
Использование пружин в поглощающих аппаратах широко известно из уровня техники.
Известно, что пружины, используемые в поглощающих аппаратах таких типов как ПМК-110 (ПМК-110А), Ш-1-ТМ, Ш-2-Т, Ш-2-В, Ш-6-ТО-4, Ш-6-ТО-4У-120, ПМК-110К-23, являются цилиндрическими и традиционно изготавливаются из сталей следующих марок: 55С2, 55С2А, 60С2, 60С2А, 60С2ХА, 60С2ХФА, и другие марки по ГОСТ 14959-79.
Известен фрикционный амортизатор по патенту на полезную модель RU 112881, в котором описан поглощающий аппарат со стальным корпусом в виде прямоугольного стакана, содержащим пружинное возвратно-подпорное устройство, которое представляет собой одну или две параллельные цилиндрические винтовые пружины сжатия жесткостью не более 920 кН/м.
Сходное решение содержится и в патенте на изобретение RU 2350500.
Достоинством этих решений является использование стальных пружин, которые намного более долговечны, чем эластичные элементы.
Недостатком же указанных решений является выполнение винтовой пружины цилиндрической. Такие пружины имеют ограниченный запас хода и относительно быстро достигают предела сжатия, а при его достижении способны к деформации и даже полному разрушению.
Задачей, на решение которой направлена заявленная полезная модель, является получение пружины с улучшенными свойствами, за счет выбранной формы и материала. Требуется пружина с увеличенной жесткостью, увеличенным запасом (ходом) сжатия (относительно пружины с равными характеристиками диаметра прутка, количества витков и межвиткового расстояния), уменьшением количества используемого материала (относительно пружины с равными характеристиками диаметра прутка, количества витков и межвиткового расстояния), увеличением несущей способности пружины.
Под несущей способностью пружины понимается ее способность к сопротивлению при сжатии, в том числе и горизонтальном. Такую способность также называют поглощающей (поглощательной) или нагрузочной способностью.
Увеличение несущей способности пружины влечет увеличение усилия, требуемого для сжатия пружины.
Решение поставленной задачи достигается путем исполнения пружины поглощающего аппарата сцепного устройства грузового вагона конусообразной, при этом пружина имеет термическую обработку на твердость в пределах 375-444 НВ и выполнена из стали 60С2ХФА-Д-3Б.
Химический состав в % материала сталь 60С2ХФА-Д-3Б
С
0.56-0.64
Si
1.4-1.8
Mn
0.4-0.7
Ni
до 0.25
S
до 0.025
Р
до 0.025
Cr
0.9-1.2
V
0.1-0.2
Cu
до 0.2
Железо (Fe) и примеси
остальное.
Техническим результатом полезной модели является повышение жесткости и несущей способности пружины, получение силовых характеристик, для обеспечения требуемой энергоемкости поглощающего аппарата для класса Т1. Дополнительным техническим результатом является большая компактность такой пружины по сравнению с цилиндрической.
Конусообразные (то же, что и конусные, конические) пружины повышают стабильность силовых характеристик поглощающего аппарата путем устранения фрикционных автоколебаний.
Коническая пружина отличается от цилиндрической тем, что при одном и том же количестве витков коническая пружина допускает большее сжатие. Известно, что конические пружины применяются в случаях, когда требуется получить нелинейную силовую характеристику (нелинейность обеспечивает непериодичность колебаний и уменьшает опасность резонанса). Конические пружины в отличие от цилиндрических имеют переменный диаметр витков, который возрастает от одного конца (торца) к другому.
Может использоваться пружина как с постоянным, так и с переменным шагом витков. Предпочтительным является постоянный шаг.
Может использоваться пружина как с равномерным изменением диаметра витков D, так и с неравномерным. Предпочтительным является равномерное изменение такого диаметра.
Наиболее оптимальным диаметром d прутка пружины при выполнении его круглым в сечении является d от 32 до 40 мм. Предпочтительным диаметром d1 является d1=36.
Пруток пружины в рабочих витках может быть в сечении как круглым, так и овальным, эллипсообразным, уплощенным, квадратным, прямоугольным.
Наиболее оптимальным для воплощения пружины является правое направление навивки, однако левое также является допустимым.
Число рабочих витков n1 может варьироваться от 5 до 8. Наиболее оптимальное значение n1 = 6,5.
Число витков полное n2 также может варьироваться в зависимости от количества рабочих витков. Наиболее оптимальное значение n2 = 8,48 (коррелирует n1 = 6,5).
Длина развернутой части пружины может варьироваться от 2550 мм до 4100 мм. При оптимальных величинах n1, n2 и d1 длина развернутой части пружины составит 3324 мм.
Диаметр широкого опорного витка D1 может варьироваться от 170 мм до 180 мм. Наиболее оптимальное значение D1 = 174 мм.
Диаметр узкого опорного витка D2 может варьироваться от 142 мм до 152 мм. Наиболее оптимальное значение D2 = 147 мм.
После термообработки допускается упрочнение пружины наклепом дробью.
Желательно, чтобы разность между минимальным и максимальным значением шага пружин составляла не более 3 мм.
Желательно, чтобы допуск плоскостности обработанных поверхностей опорных витков составлял не более 1 мм.
Желательно, чтобы допуск перпендикулярности оси пружины относительно опорных поверхностей составлял не более 8 мм.
Желательно, чтобы глубина обезуглероженного слоя пружины составляла не более 2 мм.
Допускается покрытие готовой пружины грунтовкой (например, ГФ-0119 по ГОСТ 22343-78) и/или эмалью (например, ПФ-115 по ГОСТ 6565-76).
Термическая обработка пружины на твердость предпочтительно выполняется следующим образом: Термообработка пружин состоит из закалки и отпуска; при закалке пружины нагреваются в нефтяных или электрических печах до 800°-830°С с выдержкой при этой температуре в течение 5-30 мин в зависимости от размеров пружины; пружины охлаждаются в масле или нефти, пружины из листов значительной толщины - в воде; отпуск ведется при температуре 390-430°С в свинцовой ванне, реже - в нефтяной печи. При указанных температурах пружины выдерживаются 5-30 мин, в зависимости от размеров, а затем охлаждаются на воздухе.
На фиг. 1 показана пружина поглощающего аппарата в горизонтальном положении. На изображении показана пружина, выполненная из стального круглого в сечении прутка путем спиральной навивки прутка. Навивка прутка образует рабочие витки 1 и опорные витки 2 (широкий) и 3 (узкий) пружины. Каждый указанный опорный виток имеет сужающийся (например, конусообразный, или сплющенный, или срезанный) конец прутка 4. Одновременно опорные витки являются торцами (широким и узким), образующими опорные поверхности концов пружины.
Поглощающий аппарат, содержащий предлагаемую пружину, работает следующим образом. Под действием сжимающей нагрузки и подпорного усилия происходит процесс ударного сжатия амортизатора, при этом фрикционные элементы (подвижные фрикционные пластины, фрикционные клинья, неподвижные пластины с металлокерамическими (или композитными) накладками и коническая пружина делают такое сжатие плавным и гасят энергию столкновения. Дальнейшее разжатие (возврат в исходное состояние) происходит благодаря распрямлению пружины.
Таким образом, конусообразная пружина воспринимает нагрузки, возникающие при приближении друг к другу вагонов и других элементов железнодорожного состава, соединенных посредством аппарата поглощения.
Благодаря конической форме пружины и выбранному материалу пружина имеет повышенную жесткость, сниженную вибрацию, больший ресурс использования.
Пружина остается в нормальном режиме работы при температуре внешней среды от минус 60°С до плюс 50°С, и может использоваться в различных климатических поясах.
В результате повышения несущей способности пружины обеспечено уменьшение ударных нагрузок в поглощающем аппарате, что позволяет уменьшить износ самой пружины, элементов поглощающего аппарата, сцепных и буферных элементов подвижного состава.
Проводимые в настоящее время предварительные испытания опытных образцов поглощающего аппарата предлагаемой конструкции с одной основной конусообразной пружиной в возвратно-подпорном устройстве подтверждают стабильность работы пружины и соответствие поглощающих аппаратов по показателям энергоемкости требованиям, предъявляемым к аппаратам класса Т1.