АМОРТИЗИРУЮЩАЯ СТЯЖКА Российский патент 1998 года по МПК F16F7/12 

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к деталям машин, а именно к амортизаторам однократного действия с пластически деформируемыми элементами (ПДЭ), и может быть использовано, например, на железнодорожном транспорте в креплении контейнеров со взрывоопасными грузами для снижения вероятности взрыва при столкновении поездов в железнодорожной аварии.

Известно устройство для поглощения растягивающих усилий [1], состоящее из гибкого элемента, пропущенного через изогнутую трубу с криволинейной центральной осью. Труба имеет свободные концевые части, направленные в противоположные стороны, и упруго деформируется так, что препятствует выпрямлению гибкого элемента.

Такое устройство не позволяет амортизировать большие нагрузки, возникающие, например, при резком, ударном торможении транспорта при аварии. В этом устройстве энергия удара поглощается за счет упругой деформации рабочего элемента - трубы, при упругой работе прочностные свойства материала используются лишь в очень малой мере по сравнению с пластическим течением.

Кроме того, рабочее тело для поглощения энергии удара в виде изогнутой трубы и силовой элемент в виде троса разделены, в то время как можно совместить обе функции в одном элементе и этим упростить конструкцию.

Такое совмещение функций силового и энергопоглощающего элементов осуществлено в известном амортизаторе, выполненном в виде спиральной пружины [1]. В этом амортизаторе один конец пластически деформируемого элемента (ПДЭ) прикреплен к металлической опоре посредством стяжки. Другой конец прикреплен к ленте, охватывающей трубопровод через промежуточный элемент. При расширении и сжатии амортизатора меняется шаг его витков, и при значительной величине его хода он может перемещаться с минимальным сопротивлением.

Это устройство выбрано за прототип.

По существу данное устройство есть обычная пружина, но работающая за пределами упругости. Определим рабочее усилие сопротивления устройства деформированию по отношению к предельному усилию для растягиваемого поперечного сечения. Здесь и далее используются формулы и положения теории пластичности (см. , например, Н.Н.Малинин. Прикладная теория пластичности и ползучести. - М. : Машиностроение, 1975). Поперечное сечение пружины растяжения-сжатия работает на кручение, предельный момент кручения равен M_к = 0,15σ_т•d³ для круглого сечения диаметром d на уровне напряжения текучести σ_т ; предельное усилие P_к = 2M_к/D = 0,3σ_т•d³/D при диаметре D витков. При растяжении такого же сечения имеем предельное усилие P_т = 0,79•σ_т•d² или в P_т/P_к=2,6•D/d раз больше. У пружин D/d >>1, поэтому предельное усилие пружины гораздо меньше предельного усилия при простом растяжении той же проволоки.

Для пружины характерны гораздо большая упругая податливость и гораздо меньшая предельная сила сопротивления по сравнению со случаем растяжения проволоки той же длины, что и пружина. Указанная совокупность свойств может быть полезной при каких-то применениях, но во многих случаях требуется жесткое крепление и большая сила сопротивления деформированию.

Недостаток устройства-прототипа при использовании в качестве амортизирующей стяжки заключается, таким образом, в том, что оно имеет большую упругую податливость и относительно малое усилие сопротивления при срабатывании, а при достаточно большом усилии габариты и масса будут велики.

В этой связи рассмотрим простейшую конструкцию амортизирующей стяжки - точки крепления на основании и на защищаемом грузе соединены прямым стержнем (проволокой). При действии удара выше заданного уровня стержень пластически растягивается. Пока стержень деформируется равномерно по длине и сечению, он представляет собой оптимальное решение задачи. Действительно, обе точки крепления соединены кратчайшим путем - по прямой, что требует минимального количества материала, и прочность материала используется в полной мере - весь объем материала загружен предельно, пластически течет. Однако рабочий ход такой стяжки ограничен и поэтому ограничена энергоемкость, поскольку по достижении некоторого вытяжения теряется устойчивость равномерного пластического течения, образуется шейка и далее стержень рвется. Для низкоуглеродистых сталей удлинение при разрыве стандартных образцов составляет около 30%, относительная деформация в точке предела прочности несколько меньше. При амортизации скоростного удара ход будет еще меньше, поскольку пластическая деформация распространяется волнами от мест концентрации напряжений - от мест крепления в рассматриваемом случае, деформация не будет успевать выравниваться по длине стяжки. Поэтому в качестве амортизирующей стяжки просто прямой стержень малопригоден.

Здесь надо подчеркнуть то известное обстоятельство, что предел прочности ("временное сопротивление") не является, по существу, характеристикой прочности материала, - это характеристика стандартного образца при растяжении. В точке предела прочности сравнивается скорость деформационного упрочнения материала и скорость разупрочнения при утонении растягиваемого образца, отчего происходит потеря устойчивости силового нагружения. В шейке, например, разрушающие напряжения много больше предела прочности. Что касается относительного удлинения, то оно тоже не имеет отношения к предельной деформации при растяжении материала, - последняя может быть больше во много раз. Особо показателен в этом отношении пластический изгиб - за счет одного изгиба полосу из низкоуглеродистой стали разрушить практически невозможно, как бы ни был мал радиус R сгиба и соответствующая максимальная деформация ε_max =h/R (здесь толщина листа обозначена как 2h).

Задача заключается в том, чтобы при сохранении всех преимуществ амортизирующей стяжки в виде полосы, - предельная простота конструкции, жесткость, большое усилие сопротивления, полнота использования прочности материала, - обеспечить достаточную энергоемкость (рабочий ход) за счет устойчивости растяжения стяжки.

Для этого в амортизирующей стяжке, содержащей ПДЭ для поглощения энергии удара, заделанный по концам в проушины, ПДЭ выполнен в виде полосы, скрученной вокруг прямолинейной центральной оси полосы таким образом, что на одной половине длины полосы завивка правая, а на другой половине левая.

Сущность изобретения поясняется чертежом и последующим описанием. На чертеже показан общий вид амортизирующей стяжки в исходном состоянии (А), в промежуточном растянутом состоянии (Б), и в конечном растянутом состоянии (В), позициями обозначены: 1 - ПДЭ, 2 - проушины.

Амортизирующая стяжка содержит ПДЭ 1 в виде полосы, скрученной вокруг прямолинейной центральной оси сечения полосы 1 от середины полосы 1 таким образом, что на одной половине длины завивка правая, а на другой половине длины - левая. Концы ПДЭ 1 заделаны в проушины 2.

При растяжении амортизирующей стяжки за проушины 2 ПДЭ 1 растягивается. Одновременно ПДЭ 1 раскручивается, за счет чего пластическая деформация распределяется по сечению таким образом, что исключается потеря устойчивости (образование шейки), - вплоть до полного распрямления завивок, по крайней мере.

Поясним механику работы стяжки.

Из геометрии стяжки следует, что меньшую длину имеют продольные волокна, расположенные посередине поперечного сечения, и наибольшую - расположенные по краям ширины сечения. Наружные волокна получают остаточное удлинение при завивке в процессе изготовления стяжки (соответствующий наклеп можно снять отжигом, при необходимости). При растяжении стяжки в той же мере растягиваются лишь волокна у центральной оси сечения, при удалении к краю ширины сечения удлинение волокон сходит на нет. Волокна на краю ширины сечения вовсе не растягиваются вплоть до распрямления завивок. Это следует хотя бы из "кинематической" предельной теоремы теории пластичности (см. цитированный выше источник), согласно которой ото всех кинематически возможных полей течения действительное поле деформации отличается тем, что обеспечивает минимальное рассеяние энергии, - при наличии течения по краям ширины полосы рассеяние энергии больше действительного. Пренебрегая упрочнением (что сказывается лишь на количественных результатах), можно считать, что по всему поперечному сечению действуют практически одни и те же продольные напряжения σ_т , как и в случае растягиваемого прямого стержня из того же идеально пластичного материала, поскольку величина напряжения здесь не зависит от степени деформации (в действительности напряжения будут немного меньше, поскольку характер деформации сложнее).

Таким образом, при растяжении стяжки эпюра распределения деформации по сечению данной стяжки сходна с таковой у изгибаемого стержня, - с той лишь разницей, что при изгибе деформация максимальна по краям сечения, а здесь - по середине. Эта разница, между прочим, идет в пользу стяжки в плане сохранения прочности материала при больших деформациях, поскольку с краев больше дефектов, нежели по середине, а трещины начинаются с дефектов.

Указанная особенность распределения деформации объясняет устойчивость пластического растяжения стяжки. Одновременно видна разница в механике работы предложенной стяжки и пружины растяжения (поперечное сечение пружины работает в основном на кручение).

Длина хода до распрямления завивок определяется углом подъема спиральной завивки и шириной сечения. При отношении ширины поперечного сечения к толщине полосы, например, равном 5, и при угле подъема 45^o (вид А на чертеже) удлинение равно примерно 30% исходной длины стяжки. Это означает, что в сравнении с растяжением прямого стержня имеем как минимум удвоение рабочего хода и энергоемкости амортизатора.

Использование: изобретение относится к машиностроению, в частности к деталям машин, а именно к амортизаторам однократного действия с пластически деформируемыми элементами, и может быть использовано, например, на железнодорожном транспорте в креплении контейнеров со взрывоопасными грузами для снижения вероятности взрыва при столкновении поездов в железнодорожной аварии. Сущность изобретения: данное устройство обеспечивает при предельной простоте конструкции жесткость, большое усилие сопротивления растяжению, полноту использования прочности материала, большую энергоемкость (рабочий ход) за счет устойчивости пластического растяжения полосы. Это достигается тем, что в амортизирующей стяжке, содержащей пластически деформируемый элемент 1 для поглощения энергии удара, заделанный по концам в проушины 2, пластически деформируемый элемент 1 выполнен в виде полосы, скрученной вокруг прямолинейной центральной оси полосы таким образом, что на одной половине длины полосы завивка правая, а на другой половине левая. 1 ил.

Амортизирующая стяжка, содержащая пластически деформируемый элемент для поглощения энергии удара, заделанный по концам в проушины, отличающаяся тем, что пластически деформируемый элемент выполнен в виде полосы, скрученной вокруг прямолинейной центральной оси полосы таким образом, что на одной половине длины полосы завивка правая, а на другой половине левая.