ФРИКЦИОННЫЙ АМОРТИЗАТОР

Полезная модель относится к области машиностроения и транспортирования и касается узлов для транспортных средств, преимущественно устанавливаемых между вагонами железнодорожного состава.
Известен фрикционный амортизатор [1, Патент RU 2128301 С1, МПК F16F 7/08, B61G 9/02, приоритет 02.06.1998, опубликовано 27.03.1999], содержащий расположенный на днище своего корпуса пакет установленных друг на друге упруго-эластичных элементов, а также содержащий в горловине корпуса механизм передачи ударных нагрузок или/и сжимающих усилий на пакет упруго-эластичных элементов.
Недостатком такого устройства является неудобство и трудоемкость его сборки-разборки из-за необходимости применения дополнительных громоздких приспособлений для предварительного сжатия многотонным усилием его пакета упруго-эластичных элементов при монтаже устройства, и последующего разжатия такого пакета при демонтаже устройства, например, для замены упруго-эластичных элементов.
Эти недостатки устранены во фрикционном амортизаторе [2, Патент RU 2338100 С1, МПК F16F 7/08, B61F 5/12, B61G 11/04, конвенционный приоритет 18.04.2006, PL-379484, опубликовано 10.11.2008]. Он содержит те же элементы, что и у аналога [1], а также расположенный на днище своего корпуса пакет установленных друг на друге упруго-эластичных элементов, сквозь который пропущен закрепленный в корпусе стяжной стержень. В горловине корпуса такого амортизатора размещен механизм передачи ударных нагрузок или/и сжимающих усилий на пакет упруго-эластичных элементов. При этом пакет упруго-эластичных элементов предварительно поджат через часть механизма передачи ударных нагрузок гайкой, накрученной на резьбовую часть упомянутого стержня, что позволяет легко и без специальных дополнительных приспособлений производить сборку-разборку устройства.
Однако такое устройство - аналог [2] имеет недостаточный ресурс наработки на отказ.
Дело в том, что на днище корпуса фрикционного амортизатора [2] выполнен выступ для стяжного стержня, что увеличивает внутренний диаметр двух нижних упруго-эластичных элементов и снижает их срок службы при многократных циклических нагрузках.
Этот недостаток устранен во фрикционном амортизаторе [3, Поглощающий аппарат ПМКП-110 (рис. 8.18)/ Электронный ресурс - http://1jelesnodorojnik.ru/2012-10-09-03-46-57/67-8-/250-83 - Дата доступа 10.10.2015], принятом за прототип.
Такое устройство-прототип [3] содержит корпус с горловиной, образованной его стенками и днищем, на котором расположено предварительно поджатое возвратно-подпорное устройство, сверху которого через опорную плиту расположен фрикционный узел, состоящий из воспринимающего воздействующую на фрикционный амортизатор внешнюю силу нажимного клина, контактирующего с фрикционными клиньями, контактирующими с опорной плитой и с направляющими пластинами, контактирующими в свою очередь с подвижными пластинами, контактирующими со стенками корпуса. Фрикционными клиньями и нажимным клином образованы углы расклинивания, обеспечивающие возникновение нормальной силы, состоящей из вертикальной составляющей и горизонтальной составляющей, действующей в направлении стенки корпуса при движении нажимного клина.
Предварительно поджатое возвратно-подпорное устройство может быть выполнено в виде пакета вставленных друг в друга пружин сжатия или в виде пакета упруго-эластичных элементов. В первом случае, фрикционный амортизатор-прототип [3] имеет худшую рабочую характеристику, но более простую конструкцию. Во втором случае, его рабочие характеристики улучшены за счет устранения упомянутого недостатка аналога [2], путем того, что два расположенных сразу от днища корпуса друг за другом упруго-эластичных элемента установлены таким образом, что ими образован контур, расширяющийся к днищу корпуса. Т.е. упруго-эластичный элемент, расположенный на днище корпуса, охватывая выступ в нем для стержня, имеет большее центральное отверстие и выполнен больше по периметру, чем следующий за ним упруго-эластичный элемент и все остальные элементы из этого пакета.
Однако для нормальной работы такого пакета упруго-эластичных элементов требуется их одинаковая жесткость (для равномерного распределения нагрузки между упруго-эластичными элементами и, как следствие, уменьшения вероятности разрушения одного из элементов), что обуславливает соблюдение соразмерных объемов материала в упруго-эластичных элементах. Но этого в устройстве-прототипе [3] не предусмотрено. Поэтому, в процессе сжатия пакета, нагрузка распределяется в его упруго-эластичных элементах неравномерно, и они получают неодинаковую деформацию. Так как наружный диаметр одного из упруго-эластичных элементов с увеличенным центральным отверстием при одной и той же нагрузке всегда будет больше, чем у остальных упруго-эластичных элементов, то это может привести к его разрушению из-за того, что часть такого упруго-эластичного элемента, контактирующая с пластиной, перемещается за ее габарит и работает на срез о край этой пластины. В результате, резко увеличивается вероятность как пластичного, так и хрупкого его разрушения (особенно при низких отрицательных температурах), и, как следствие, увеличивается вероятность снижения эффективности работы и даже поломка устройства.
Если же для предупреждения таких разрушений выполнять упруго-эластичный элемент вблизи от днища корпуса из термоэластопласта повышенной твердости, то это будет негативно сказываться на остальных упруго-эластичных элементах пакета, т.к. они при одинаковой нагрузке получат большую деформацию (т.е. они будут больше сжиматься вдоль оси фрикционного амортизатора и больше увеличиваться по периметру), что при экстремальных условиях может также вызвать их разрушение.
Выполнение центрального отверстия увеличенного диаметра в упруго-эластичном элементе, смежном с выступом на днище корпуса устройства-прототипа [3], вызывает пластичную деформацию некоторых опорных пластин между соседними упруго-эластичными элементами. При этом упруго-эластичные элементы с меньшим центральным отверстием стремятся «продавить» упруго-эластичный элемент с большим центральным отверстием.
Применение в аналогах [1 и 2] и в прототипе [3] металлокерамических накладок на направляющих пластинах, контактирующих с фрикционными клиньями, позволяет повысить коэффициент их взаимного трения, увеличивая тем самым силу трения и энергоемкость динамически нагруженного фрикционного амортизатора. Однако применение металлокерамики повышает стоимость аппарата, с одной стороны. С другой стороны, металлокерамические накладки чувствительны к ударам, особенно при низких температурах, что может приводить к скалыванию кромок и выкрашиванию фрикционных поверхностей. В дополнение, для достижения такого результата (высокой силы трения и энергоемкости) требуется взаимное расположение фрикционных клиньев и нажимного клина под углом, обеспечивающим передачу нормальной силы на каждую из стенок корпуса аппарата, величина горизонтальной составляющей которой более 28% от внешней силы, воздействующей непосредственно на нажимной клин со стороны автосцепного устройства вагона. В противном случае, применение металлокерамики теряет смысл, потому что возникающая нормальная сила будет не способна создать силы трения, вызывающие повышение энергоемкости до уровня, требуемого стандартами. К тому же, увеличение упомянутых углов повышает риск заклинивания аппарата, как на ходе сжатия, так и при обратном ходе.
Поэтому задачей полезной модели является достижение технического результата, направленного на повышение надежности работы фрикционного амортизатора путем устранения заклинивания фрикционного амортизатора при его ходе сжатия или при обратном его ходе.
Поставленная задача решается тем, что фрикционный амортизатор, содержащий, корпус с горловиной, образованной его стенками и днищем, на котором расположено предварительно поджатое возвратно-подпорное устройство, сверху которого через опорную плиту расположен фрикционный узел, состоящий из воспринимающего воздействующую на фрикционный амортизатор внешнюю силу нажимного клина, контактирующего с фрикционными клиньями, контактирующими с опорной плитой и с направляющими пластинами, контактирующими в свою очередь с подвижными пластинами, контактирующими со стенками корпуса, при этом фрикционными клиньями и нажимным клином образованы углы расклинивания, обеспечивающие возникновение нормальной силы, состоящей из вертикальной составляющей и горизонтальной составляющей, действующей в направлении стенки корпуса при движении нажимного клина, отличающийся тем, что упомянутые углы расклинивания образованы с возможностью возникновения упомянутой нормальной силы, величина горизонтальной составляющей которой не более 28% от величины внешней силы, воздействующей на нажимной клин.
Такие отличительные признаки позволяют исключить возможность заклинивания фрикционного амортизатора при его ходе сжатия или при обратном его ходе, что устраняет необходимость применения в нем металлокерамических накладок с высоким коэффициентом трения на направляющих пластинах, как в прототипе [3], а также позволяет применить возвратно-подпорное устройство высокой жесткости, что увеличит усилие начальной затяжки возвратно-подпорного устройства фрикционного амортизатора.
Дополнительные отличительные признаки:
- величина упомянутых углов расклинивания от 24° до 34°;
- контакт фрикционных клиньев с направляющими пластинами выполнен под углом в диапазоне от 1,5° до 3°.
- контакт фрикционных клиньев с опорной плитой выполнен под углом в пределах от 0° до 25°;
- возвратно-подпорное устройство выполнено из пакета полимерных упругих элементов, воздействующих на опорную плиту в конце полного рабочего хода нажимного клина силой не менее чем в 44-е килоНьютона;
- пакет полимерных упругих элементов сформирован в виде геометрической фигуры с расширяющимся к днищу корпуса контуром;
- внутри своей горловины корпус снабжен выступами со скосами, контактирующими ими со скосами, выполненными на сопряженных с этими выступами торцах направляющих пластин;
- в местах контакта упомянутых скосов расположена смазка;
- в выборках поверхностей фрикционных клиньев установлены вставки твердой смазки;
- нажимной клин и стенки корпуса выполнены с зацепами, по которым обеспечен контакт нажимного клина со стенками корпуса.
Сущность полезной модели поясняется иллюстрациями, где на фиг. 1-3 представлены соответственно, фронтальный вид с местным разрезом, вид А сверху по фиг. 1 и профильный разрез В-В по фиг. 2 фрикционного амортизатора с предварительно поджатым с помощью стяжного стержня с гайкой возвратно-подпорным устройством - пакетом упруго-эластичных элементов, где направляющие пластины фиксируются в корпусе с помощью загибов; на фиг. 4 и 5 показаны, соответственно, фронтальный вид с местным разрезом и вид С сверху по фиг. 4 фрикционного амортизатора с предварительно поджатым с помощью зацепов корпуса и нажимного клина возвратно-подпорным устройством без применения центрирующего элемента; на фиг. 6 и 7 показаны, соответственно, фронтальный вид с местным разрезом и вид D сверху по фиг. 6 фрикционного амортизатора с предварительно поджатым с помощью зацепов корпуса и нажимного клина возвратно-подпорным устройством с применением центрирующего элемента; на фиг. 8 и 9 показаны профильные разрезы фрикционного амортизатора с применением в качестве его возвратно-подпорного устройства, соответственно, пружин сжатия и пакета упруго-эластичных элементов; на фиг. 10 показан общий вид фрикционного амортизатора по фиг. 9 со схемой взаимного расположения внутри него фрикционного узла и возвратно-подпорного устройства; на фиг. 11 показана верхняя часть фрикционного амортизатора по фиг. 9 в момент начала приложения к его нажимному клину внешней силы F, на фиг. 12 и 13 показаны варианты расположения вставок твердой смазки (бронзы) в выборках на поверхностях деталей фрикционного узла.
Фрикционный амортизатор (фиг. 1-13), содержит корпус 1 с горловиной 2, образованной его стенками 3 и днищем 4, на котором расположено предварительно поджатое возвратно-подпорное устройство 5, сверху которого через опорную плиту 6 расположен фрикционный узел 7.
Возвратно-подпорное устройство 5 может быть выполнено в виде вставленных друг в друга пружин сжатия 8 (фиг. 8) или в виде пакета упруго-эластичных элементов 9 (фиг. 3, 9-13), расположенных друг за другом таким образом, что ими образован контур G (фиг. 3, 9), расширяющийся к днищу 4 корпуса 1. Этот контур G образован более чем двумя расположенными друг за другом упруго-эластичными элементами 9 разной длины, с возможностью их размещения в любом месте возвратно-подпорного устройства 5 в зависимости от механизма передачи нагрузок на него и в зависимости от конструкции корпуса 1. Такая установка описанного пакета упруго-эластичных элементов 9 позволит обеспечить соблюдение их равного объема за счет постепенного увеличения их габаритов.
Фрикционный узел 7 (фиг. 1-9, 11-13) состоит из нажимного клина 10, воспринимающего воздействующую на фрикционный амортизатор внешнюю силу F (фиг. 11) и контактирующий с фрикционными клиньями 11 (фиг. 2, 3, 5, 7, 8, 9, 11-13), контактирующими с опорной плитой бис направляющими пластинами 12.
Направляющие пластины 12 контактируют в свою очередь с подвижными пластинами 13, контактирующими со стенками 3 корпуса 1.
Фрикционными клиньями 11 и нажимным клином 10 образованы углы расклинивания α (фиг. 11), обеспечивающие возникновение горизонтальной составляющей n1 и вертикальной составляющей n2, и нормальной силы N, действующей в направлении стенки 3 корпуса 1 при движении нажимного клина 10 под воздействием внешней силы F, прилагаемой к нажимному клину 10 фрикционного амортизатора, установленного, например, в сцепном устройстве вагона.
При этом упомянутые углы расклинивания α образованы с возможностью возникновения упомянутой нормальной силы N, величина горизонтальной составляющей n1 которой не более 28% от величины внешней силы F, воздействующей на нажимной клин 10.
Для достижения данного эффекта необходимо, чтобы фрикционные клинья 11, подвижные пластины 13 и направляющие пластины 12 были выполнены из термообработанной стали (показано на фиг. 12, 13).
Также рекомендуется, чтобы величина упомянутых углов (фиг. 11) расклинивания α была в диапазоне от 24° до 34°, а контакт фрикционных клиньев 11 с опорной плитой 6 и с направляющими пластинами 12 был бы выполнен под углами, соответственно β и γ в диапазоне, соответственно от 0° до 25° и от 1,5° до 3°.
Возможно расположение в горловине 2 фрикционного амортизатора (фиг. 4 и 5) возвратно-подпорного устройства 5 без его центровки по оси, а также с такой центровкой с помощью направляющего стержня 14 (фиг. 6, 7), закрепленного (не показано) в днище 4 корпуса 1 и пропущенного сквозь опорную плиту 6 с расположением свободного конца в нажимном конусе 10. Возможно применение в качестве центрирующего элемента стяжного стержня 15 (фиг. 1-3, 8-9, 11-13) также закрепленного в днище 4 корпуса 1 (фиг. 3, 8, 9). На резьбовом конце стяжного стержня 15 накручена гайка 16, удерживающая возвратно-подпорное устройство 5 в сжатом состоянии.
Для фиксации положения направляющих пластин 12 (фиг. 3) их концы ближе к днищу 4 корпуса 1, могут быть выполнены с загибами 17, расположенными в отверстиях 18 стенок 3 корпуса 1.
С целью улучшения силовых характеристик, повышения долговечности работы фрикционного амортизатора (уменьшения износа его фрикционных клиньев 11, направляющих пластин 12 и подвижных пластин 13, стенок 3 корпуса 1) полезно применять вариант, когда положение направляющих пластин 12 может быть зафиксировано без загибов 17 (фиг. 3). Направляющие пластины 12 при этом выполняются без загибов (фиг. 8-10) и фиксируются в корпусе 1 с помощью своих буртов 27 (фиг. 10), наподобие элементов из зацепления «Т-образный зацеп», расположенных на их концах ближе к днищу 4 корпуса 1. Это сделано для увеличения площади контакта подвижных пластин 13 с направляющими пластинами 12 за счет введения своеобразного «Т-образного зацепа» в нижней их части.
Внутри горловины 2 корпус 1 может быть снабжен (фиг. 8, 9) выступами 19 со скосами 20, контактирующими ими с аналогичными скосами (не обозначены), выполненными на сопряженных с этими выступами торцах направляющих пластин 12. Выступы 19 корпуса 1 являются опорными площадками для направляющих пластин 12, а с другой стороны упорами препятствующими вытягиванию направляющей пластины 12 из корпуса 1 при обратном ходе, за счет зацепления с буртами 27.
Бурт 27 упирается (фиг. 10) в нижнюю часть выступов 19 (фиг. 8-10, на фиг. 8 и 9 показаны пунктирной линией), отлитых вместе с корпусом 1. Опорные площадки 19 выполнены со скосами 20, контактирующими с аналогичными скосами (не показаны) направляющих пластин 12.
В местах контакта упомянутых скосов 20 полезно располагать смазку, например, на основе масел, силиконов, порошков, красок, других типов, наносимых напылением, орошением, растиранием или другим способом.
Удержание смазки на скосах 20 и упомянутых поверхностях может производиться ее застыванием, адгезией, или с помощью микрошероховатостей, микроскопических канавок, выборок, шагреней, что зависит от консистенции выбранного типа смазки, ее способности к отверждению, застыванию и прочее. Наличие такой смазки позволит увеличить распорное усилие в первое время работы не приработанных деталей фрикционного амортизатора, предотвратить схватывания фрикционных поверхностей, приваривания, срывы у фрикционного узла 7 в не приработанном состоянии. Характеристика такого устройства отличается высокой энергоемкостью в состоянии поставки, после чего смазка истирается и удаляется, а высокая энергоемкость достигается за счет поглощения энергии на уже приработанных к этому моменту поверхностях фрикционных клиньев 11, направляющих и подвижных пластин 12, 13 и стенок 3 корпуса 1.
На поверхности направляющих пластин 12 могут быть установлены вставки 21 (фиг. 3, 8, 9, 11) из металлокерамики. Это сделано для повышения стабильности характеристик, уменьшения автоколебаний фрикционного узла 7 и уменьшения износа его трущихся поверхностей с повышением коэффициента трения и, соответственно, силы трения и энергопоглощения.
Если в качестве возвратно-подпорного устройства 5 применен пакет упруго-эластичных элементов 9 (фиг. 3, 9-13), то он собран с возможностью воздействия на опорную плиту силой не менее чем в 44-е килоНьютона в конце хода нажимного клина 10 под действием на него внешней силы F (фиг. 11). Применение такого возвратно-подпорного устройства 5 повышенной жесткости направлено на компенсацию уменьшения углов расклинивания α. Таким образом, исключается возможность заклинивания фрикционного амортизатора при прямом или обратном ходе его нажимного клина 10, а вставки 21 из металлокерамики (фиг. 3, 9, 11) на поверхности направляющих пластин 12 могут применяться без опасности выкрашивания и разрушения, потому что за счет снижения угла α снижается действующая на них нормальная сила N (фиг. 11). Поэтому, увеличивается и усилие затяжки возвратно-подпорного устройства 5 в сравнении с аналогами [1, 2], прототипом [3], что повышает энергоемкость фрикционного амортизатора.
Если применяются направляющие пластины 12 из термообработанной стали, и без металлокерамических накладок, то в поверхностях фрикционных клиньев 11, обращенных к направляющим пластинам 12, могут быть выполнены выборки 22 (фиг. 12, 13). В них могут быть помещены вставки из твердой смазки 23, например, чугуна или бронзы специального состава. Такие же выборки 22 и вставки из твердой смазки 23 могут быть выполнены (фиг. 12) и в подвижных пластинах 13, на поверхностях, обращенных к направляющим пластинам 12 и/или к стенкам 3 корпуса 1. Выборки 22 и вставки из твердой смазки 23 могут быть выполнены (фиг. 13) и в направляющих пластинах 12, на поверхностях, обращенных к фрикционным клиньям 11 и/или подвижным пластинам 13.
Фиксация фрикционного узла и возвратно-подпорного устройства в корпусе амортизатора может выполняться и без стяжного стержня. Стенки 3 корпуса 1 выполнены с зацепами 24 возле нажимного клина 10, который выполнен со своими зацепами 25 и фиксируется ими за зацепы 24 в корпусе 1 от выпадения. Применение зацепов 24 и 25 в конструкции фрикционного амортизатора в вариантах исполнения по фиг. 4-7 делает процесс его разборки неразрушающим, быстрым и безопасным, а положение в исходном состоянии - стабильным.
Для повышения амортизирующих свойств пакета упруго-эластичных элементов 9 между ними установлены жесткие пластины 26 (фиг. 9, 10, 12).
Для повышения энергоемкости возвратно-подпорного устройства фрикционного узла, его пакет полимерных упругих элементов 9 может быть сформирован в виде геометрической фигуры, например, конуса или пирамиды, расширяющейся к днищу корпуса. На фиг. 3, 9 и 10 показан контур 28 такого конуса.
Принцип действия фрикционного амортизатора основан на том, что при воздействии внешней силы F (фиг. 11), прилагаемой к нажимному клину 10, например, со стороны сцепного устройства при соударении вагонов, сжимается возвратно-подпорное устройство 5. Одновременно, появляется нормальная сила N, состоящая из вертикальной составляющей n2 и горизонтальной составляющей n1, действующей в направлении стенки 3 корпуса 1. Горизонтальная составляющая n1, действующая в направлении каждой из контактирующих с подвижными пластинами 13 стенки 3 корпуса 1, составляет при заданных углах α не более 28% от действующей на нажимной клин 10 внешней силы F. Поэтому фрикционный амортизатор воспринимает на себя ее значительную часть, амортизирует ее и смягчает воздействие на вагоны.
При этом, за счет выполнения пакета упруго-эластичных элементов 9 (фиг. 3, 9-12), расположенных друг за другом таким образом, что ими образован контур G (фиг. 3, 9), расширяющийся к днищу 4 корпуса 1, обеспечивается одинаковая деформация всех упруго-эластичных элементов 9 в пакете при работе фрикционного амортизатора, что снижает вероятность как пластичного, так и хрупкого разрушения упруго-эластичных элементов 9, особенно при низких отрицательных температурах.
За счет необходимого подбора значений углов расклинивания α, углов контактов β и γ (фиг. 11), фрикционных клиньев 11, соответственно с опорной плитой 6 и с направляющими пластинами 12, снижается вероятность привариваний фрикционных клиньев 11 к направляющим пластинам 12, рабочая характеристика (не показана) фрикционного амортизатора принимает более плавный вид с меньшим количеством пиков, что положительно сказывается на эффективности его работы.
Скосы 20 на опорных площадках 19 (фиг. 8, 9) корпуса 1 позволяют направляющим пластинам 12 под действием фрикционных клиньев 11 и вертикальной составляющей n2 (фиг. 11), соскальзывать вниз к днищу 4 и в сторону к стенкам 3 корпуса 1, прижимая к ним подвижные пластины 13 в той части направляющих пластин 12, где выполнен бурт 27 (фиг. 10). В итоге, прижатие подвижных пластин 13 к стенкам 3 корпуса 1 происходит по всей их увеличенной площади, причем удельное давление на единицу этой площади будет уменьшено в сравнении с аналогами [1, 2] и прототипом [3], что положительно сказывается на износе трущихся поверхностей во фрикционном амортизаторе и повышается долговечность его работы.
Кроме того, растирание частиц твердой смазки вставок 23 (фиг. 12, 13) при многократных циклах воздействия внешней силы F обеспечивает плавное изменение коэффициента трения трущихся поверхностей фрикционного амортизатора. При этом его рабочая характеристика становится также плавной, с меньшими пиками, а процесс изнашивания основного материала его деталей снижается.
Источники информации:
1. Патент RU 2128301 С1, МПК F16F 7/08, B61G 9/02, приоритет 02.06.1998, опубликовано 27.03.1999.
2. Патент RU 2338100 С1, МПК F16F 7/08, B61F 5/12, B61G 11/04, конвенционный приоритет 18.04.2006, PL-379484, опубликовано 10.11.2008.
3. Поглощающий аппарат ПМКП-110 (рис. 8.18)/ Электронный ресурс - http://1jelesnodorojnik.ru/2012-10-09-03-46-57/67-8-/250-83 - Дата доступа 10.10. 2015 /прототип/.