Гидромеханический фиксатор подвижного цилиндрического соединения деталей
HYDROMECHANICAL FIXATOR OF THE MOVABLE CYLINDRICAL CONNECTION OF PARTS

Изобретение относится к области машиностроения и касается устройств периодической фиксации деталей машин в их цилиндрических стыках, характерных для гидропневмоцилиндров в грузоподъемных, рулевых, тормозных и опорных механизмах.
Известны силовые гидроцилиндры с гидромеханической фиксацией штока в его крайних положениях (см. патенты RU №№2278304 и 2458817). Они содержат механизм фиксации штока в корпусе гидроцилиндра, содержащий соединяющие эти детали шариковые или сегментные засовы-сухари и перемещающий их в стопорную канавку штока, управляющий гидроцилиндр с подпружиненным поршнем.
Их недостатки:
- высокие массогабаритные показатели, связанные с малым числом и площадью контакта таких засовов по периметру стопорной канавки;
- большие размеры стопорных канавок, в которые заходят засовы при фиксации, так как в функцию стопорной канавки входит и выталкивание засовов при снятии фиксации, для чего они содержат дополнительные конические участки, увеличивающие их ширину и допустимый шаг между канавками и фиксированными положениями деталей;
- отсутствие элементов удержания засовов в расфиксированном положении при вибрациях цилиндра создает шум.
Известны принятые за прототип гидромеханические фиксаторы с цанговыми засовами (см. Шумилов И.С. "Системы управления рулями самолетов" М.: Издательство МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2009 г., стр. 260, рис. 5.32).
Фиксаторы с цанговыми засовами более компактны в радиальном направлении, имеют меньшую глубину и ширину стопорных канавок и способны удерживать засов в положении постоянного поджима к поршню, что исключает шумообразование.
Недостатки гидромеханических фиксаторов с цанговыми засовами:
- пониженная сила фиксации при нагрузке в сторону сжатия тонкостенных цанг, вызванная потерей их устойчивости при сжатии;
- большие осевые размеры цанг, связанные с обеспечением необходимого упругого радиального хода их концов;
- сложность изготовления и крепления цангового засова в фиксаторе из-за его конфигурации;
- сложность изменения давления срабатывания фиксатора, так как диаметр поршня имеет конструктивные ограничения;
- невозможность в готовой конструкции изменить функцию с нормально зафиксированного состояния (без давления жидкости в гидроцилиндре) на нормально расфиксированное состояние.
Технической задачей изобретения является создание более эффективной конструкции гидромеханического фиксатора (далее фиксатора) и расширение его функциональных возможностей.
Технический результат состоит в уменьшении массогабаритных показателей и издержек производства, обеспечении надежности функционирования и простоты изменения давления срабатывания фиксатора и выполнении дополнительных функций - индикации положения фиксатора и возможности в готовой конструкции изменить функцию с нормально зафиксированного состояния (без давления жидкости в гидроцилиндре) на нормально расфиксированное состояние.
Сущность изобретения состоит в том, что гидромеханический фиксатор подвижного цилиндрического соединения содержит охватывающую и охватываемую соосно сопряженные детали в стыке цилиндрической формы и засов, находящийся в постоянном зацеплении с одной из этих деталей с возможностью перемещения в стопорную канавку другой детали под воздействием поршня управляющего гидроцилиндра, связанного с каналом подвода давления управления. Засов выполнен в виде пружинного стопорного кольца, радиально подвижно установленного в кольцевой прорези детали, находящейся в постоянном зацеплении с ним, при этом поршень гидроцилиндра выполнен кольцевым и установлен с возможностью взаимодействия со стопорным кольцом по его кольцевому периметру.
В частных случаях реализации поршень выполнен в виде цилиндрической продольно подвижной втулки, а гидроцилиндр связан с каналом подвода давления управления со стороны одного из торцов втулки, подпружиненной с противоположного торца, при этом цилиндрическая поверхность подвижной втулки выполнена с профилированной вдоль ее оси направляющей выемкой переменной глубины для радиального взаимодействия со стопорным кольцом по его кольцевому периметру. Кроме того, гидроцилиндр размещен в детали, находящейся в постоянном зацеплении с со стопорным кольцом, установленным в кольцевой прорези, которая выполнена сквозной между внутренней полостью гидроцилиндра и стыком сопряженных деталей с возможностью перемещения стопорного кольца между направляющей выемкой втулки и стопорной канавкой другой детали. При этом управляющий гидроцилиндр снабжен уплотнительным кольцом, установленным у торца втулки со стороны канала подвода давления управления, а края профилированной выемки втулки расположены относительно ее торцов на разных расстояниях, различающихся на величину толщины стопорного кольца. В изложенном случае исполнения управляющий гидроцилиндр может быть выполнен с окном для визуального контроля положения втулки.
В иных случаях реализации управляющий гидроцилиндр и его втулка могут быть выполнены ступенчатыми с образованием кольцевого участка торца втулки, соединенного с каналом подвода давления управления. При этом пружинное стопорное кольцо выполнено с чередующимися радиальными пазами, поочередно выполненными от центра и от периферии, или пружинное стопорное кольцо снабжено охватывающими его секторами, выполненными из кольца П-образного сечения, установленными своим пазом с равномерным шагом по периметру кольца со стороны, обращенной к втулке.
В другом случае реализации управляющий гидроцилиндр выполнен заодно с кольцевой прорезью стопорного кольца, а его поршень выполнен в виде радиально подвижного кольца из эластичного материала, опертого на стопорное кольцо, причем последнее выполнено разрезным с подвижно соединенными внахлест краями разреза, выполненными со скругленными кромками со стороны взаимодействия с кольцом из эластичного материала. Кроме того, в этом случае фиксатор может быть снабжен гидроаккумулятором давления с возможностью периодического подключения к гидроцилиндру через канал подвода давления управления.
На чертежах фиг. 1а, фиг. 1б представлена конструкция нормально зафиксированного (без подачи давления) гидромеханического фиксатора со стопорными канавками в охватываемой детали в зафиксированном (фиг. 1а) и расфиксированном (фиг. 1б) состоянии.
На фиг. 2 - конструкция нормально расфиксированного гидромеханического фиксатора со стопорными канавками в охватываемой детали в расфиксированном состоянии.
На фиг. 3 - конструкция нормально зафиксированного гидромеханического фиксатора со стопорными канавками в охватывающей детали в расфиксированном состоянии.
На фиг. 4 - исполнение пружинного стопорного кольца с чередующимися радиальными прорезями.
На фиг. 5 - исполнение пружинного стопорного кольца с секторами, выполненными из кольца П-образного сечения.
На фиг.6 - конструкция гидромеханического фиксатора со стопорным кольцом с секторами, выполненными из кольца П-образного сечения по фиг. 5, и ступенчатым поршнем.
На фиг. 7 - конструкция гидромеханического фиксатора, в котором поршень выполнен в виде радиально подвижного кольца из эластичного материала.
На фиг. 8 - разрез А-А по фиг. 7.
На фиг.9 - конструкция гидромеханического фиксатора, в котором поршень выполнен в виде радиально подвижного кольца из эластичного материала с подводом к нему давления управления через отключаемый гидроаккумулятор.
Гидромеханический фиксатор подвижного цилиндрического соединения содержит охватывающую и охватываемую соосно сопряженные детали 1, 2, образующие стык 3 цилиндрической формы и засов 4, находящийся в постоянном зацеплении с одной из этих деталей с возможностью периодического возвратно-поступательного перемещения в стопорную канавку 6 другой детали под воздействием поршня 7 с уплотнительным кольцом 8 и пружиной 9 управляющего гидроцилиндра 10, связанного с каналом 11 подвода давления управления.
Засов выполнен в виде пружинного стопорного кольца 4 круглого, прямоугольного или иного сечения, радиально подвижно установленного в кольцевой прорези 5 детали 1, находящейся в постоянном зацеплении с ним, при этом поршень 7 гидроцилиндра 10 выполнен кольцевым и установлен с возможностью взаимодействия со стопорным кольцом 4 по его кольцевому периметру (фиг. 1-9).
В частных случаях исполнения поршень выполнен в виде цилиндрической продольно подвижной поршневой втулки 7, а гидроцилиндр 10 связан с каналом 11 подвода давления управления со стороны одного из торцов втулки 7, подпружиненной пружиной 9 с противоположного торца. При этом цилиндрическая поверхность подвижной втулки 7 выполнена с профилированной вдоль ее оси направляющей выемкой 18 переменной глубины для радиального взаимодействия со стопорным кольцом 4 по его кольцевому периметру (фиг. 1-3, 6). Кроме того, гидроцилиндр 10 размещен, как правило, в детали 1, находящейся в постоянном зацеплении со стопорным кольцом 4, установленным в кольцевой прорези 5, которая выполнена сквозной между внутренней полостью гидроцилиндра 10 и стыком 3 сопряженных деталей 1, 2 с возможностью перемещения стопорного кольца 4 между направляющей выемкой 18 втулки 7 и стопорной канавкой 6 другой детали (фиг. 1-3, 6).
В случае размещения пружинного стопорного кольца 4 в охватывающей детали 1 (фиг. 1) оно выполняется с внутренним диаметром большим, чем диаметр стыка 3, и упругие силы его направлены на прижим к поршню 7. В случае размещения кольца 4 в охватываемой детали 2 (фиг. 3) его наружный диаметр выполняется меньше диаметра стыка 3. Стопорные кольца 4 прямоугольного течения в отличие от колец круглого сечения имеют более широкие поверхности контакта при минимальной ширине, что снижает ширину стопорных канавок 6 и, соответственно, габариты фиксатора и минимальный шаг между зафиксированными позициями деталей 1 и 2.
Предпочтительно в данном исполнении управляющий гидроцилиндр 10 снабжен уплотнительным кольцом 8, установленным у торца втулки 7 со стороны канала 11 подвода давления управления, а края профилированной выемки 18 втулки 7 расположены относительно ее торцов на разных расстояниях, различающихся на величину толщины стопорного кольца 4 (фиг. 1-3). Если выемка 18 выполнена с конической образующей своей поверхности (как на фиг. 1-3), то такое исполнение поршневой втулки 7 (при , см. фиг. 1) позволяет при повороте ее на 180° в гидроцилиндре 10 (т.е. другим концом) изменять функцию фиксатора с нормально зафиксированного (фиг. 1) на нормально расфиксированное состояние стыка 3 (фиг. 2). При этом уплотнительное кольцо 8 может выполняться без крепления к втулке 7, что упрощает конструкцию и позволяет одним лишь разворотом втулки 7 изменять нормальное исходное состояние фиксатора.
Управляющий гидроцилиндр 10 может быть выполнен с окном 12 для визуального контроля положения втулки 7 (фиг. 1, 2).
В ином частном случае исполнения фиксатора управляющий гидроцилиндр 10 и его втулка 7 выполнены ступенчатыми с образованием кольцевого участка торца втулки 7, соединенного с каналом 11 подвода давления управления (фиг. 6). В этом случае подвод жидкости по каналу 11 расположен в зоне сопряжения ее ступеней, что позволяет изменением разности диаметров ступеней получать площадь давления жидкости на втулке 7 с минимальными значениями, необходимыми для срабатывания фиксатора для выхода засова 4 (расфиксации стыка 3), только при заданных высоких давлениях жидкости.
Пружинное стопорное разрезное кольцо 4 может иметь поперечный разрез, прямой или ступенчатый, с образованием концов 13, соединенных внахлест (фиг. 8), или быть без разреза (фиг. 4) с прорезями 14, поочередно идущими с противоположных сторон поперечного сечения кольца 4. Такое стопорное кольцо 4 имеет повышенный упругий ход по сравнению с разрезными вариантами, что требуется при малых диаметрах стыка 3. Для повышения прочности на срез стопорное кольцо 4 может снабжаться охватывающими его секторами 15 (фиг. 5), выполненными из кольца П-образного сечения и установленными своим пазом с равномерным шагом по периметру кольца 4 со стороны, обращенной к втулке 7 (фиг. 6).
Фиксатор может быть реализован в конструкции, в которой управляющий гидроцилиндр выполнен заодно с кольцевой прорезью 5 стопорного кольца 4, а его поршень выполнен в виде радиально подвижного кольца 16 из эластичного материала, опертого на стопорное кольцо 4, причем последнее выполнено разрезным с подвижно соединенными внахлест концами (краями) 13 разреза, выполненными со скругленными кромками со стороны взаимодействия с кольцом 16 из эластичного материала (фиг. 7-9). В данном случае фиксатор может быть снабжен гидроаккумулятором 17 давления с подпружиненным дифференциальным поршнем 19, установленным с возможностью периодического подключения к гидроцилиндру через канал 11 подвода давления управления (фиг. 9).
Пружина 9 может изготавливаться из проволоки круглого или прямоугольного сечения, при котором ее конструкция становится более компактной и лучше выполняется дополнительная функция ограничения хода поршня 7.
Использование компактного стопорного кольца 4 простейшей формы вместо цанги, применяемой в прототипе, существенно сокращает массогабаритные показатели фиксатора и издержки его производства и обеспечивает равные допустимые нагрузки при реверсе их направления.
Еще более простая и компактная конструкция фиксатора может быть реализована в случае требования нормально-открытого положения фиксатора, когда его поршень 7 выполнен в виде эластичного кольца 16, установленного в круговой прорези 5 концентрично со стопорным кольцом 4, со стороны, противоположной стыку 3, со сжатием по сечению между стенками прорези 5 (фиг. 7). При этом стопорное кольцо 4 выполняется с соединением его концов 13 внахлест (фиг. 8). Такое совмещение поршневой втулки 7 с его уплотнительным кольцом 8, а пружины 9 - со стопорным кольцом 4 обеспечивает конструкции фиксатора минимальные количество деталей и сокращает издержки производства. Для перевода этой конструкции в нормально закрытое положение к каналу 11 подвода жидкости можно подсоединить отключаемый гидроаккумулятор 17 с подпружиненным дифференциальным поршнем 19 (фиг. 9).
Гидромеханический фиксатор (фиг. 1) работает следующим образом.
При отсутствии давления жидкости Р перед поршневой втулкой 7 пружина 9 толкает ее в крайнее левое положение, и внутренняя коническая поверхность, преодолевая упругие силы стопорного кольца 4, перемещает ее в стопорную канавку 6, фиксируя детали 1 и 2 между собой (фиг. 1а). При подаче давления жидкости через канал 11 к торцу поршневой втулки 7 она перемещается в крайнее правое положение, сжимая пружину 9 и освобождая от сжатия пружинное стопорное кольцо 4, которое благодаря своей упругости выходит из стопорной канавки 6, расфиксируя соединение 3 деталей 1 и 2 (фиг. 1б). Аналогично работает и фиксатор (фиг. 3), у которого канавки 6 выполнены в охватывающей детали 1. В случае установки поршневой втулки 7 в гидроцилиндре 10 так, что его выемка 18 располагается ближе к пружине 9 (фиг. 2), при отсутствии давления в канале 11 стопорное кольцо 4 оказывается под (охвачено) выемкой 18, частично заходит в нее и расфиксирует соединение. Наличие смотрового окна 12 позволяет наблюдать положение поршневой втулки 7 относительно охватывающей детали 1 и соответственно констатировать наличие или отсутствие фиксации деталей 1 и 2 между собой. При выполнении поршневой втулки 7 в виде эластичного кольца 16 (фиг. 7) в периоды отсутствия давления в канале 11 стопорное кольцо 4 за счет своей упругости выходит из канавки 6 и расфиксирует соединение 3. Подача давления в канал 11 приводит к сжатию эластичного кольца 16 по диаметру и выдавливанию стопорного кольца 4 в канавку 6 детали 2 и фиксирует соединение 3. Наличие у разрезного кольца 4 концов 13, соединенных внахлест со скругленными кромками, защищает кольцо 16 от выдавливания в зазор между концами этого кольца даже при высоких давлениях управления фиксатором. В случае подключения к каналу 11 такого фиксатора гидроаккумулятора 17 (фиг. 9) давление от него воздействует на эластичное кольцо 16 и, преодолевая упругость стопорного кольца 4, удерживает его в канавке 6, обеспечивая нормально зафиксированное состояние фиксатора. При подаче давления управления в гидроаккумулятор 17 его дифференциальный поршень 19 перестает создавать давление на кольцо 16, и благодаря упругости стопорного кольца 4 оно выходит из канавки 6, расфиксируя, тем самым, соединение 3.
Технический результат от использования заявляемого изобретения состоит в уменьшении массогабаритных показателей и издержек производства, обеспечении простоты изменения давления срабатывания фиксатора.
Одновременно возможно выполнение дополнительных функций - индикации положения фиксатора и возможности в готовой конструкции изменить функцию с нормально зафиксированного состояния (без давления жидкости в гидроцилиндре) на нормально расфиксированное состояние без увеличения номенклатуры деталей.
Из изложенного следует, что предложенная конструкция фиксатора отличается от прототипа существенно уменьшенными массогабаритными показателями и издержками производства, а также дополнительными функциями.