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.

Известен амортизатор, выполненный в виде спиральной пружины [2]. 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 (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 = 0,15 •σ_т• d³ для круглого сечения диаметром d на уровне напряжения текучести σ_т предельное усилие T_к = 2M_к/D = 0,3σ_т•d³/D при диаметре D витков. При растяжении такого же сечения имеем предельное усилие T_к = 0,79•σ_т•d² , или в T_т/T_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 необходимости получить большое усилие будут велики габариты и масса. Зато это устройство очень простое по конструкции.

Предлагаемое устройство также отличает простота конструкции, но оно обладает большой жесткостью и дает большую силу сопротивления деформированию при значительном рабочем ходе.

В предложенном устройстве амортизирующей стяжки, содержащей ПДЭ с проушинами по концам для его крепления, это достигается тем, что ПДЭ выполнен в виде по крайней мере двух отрезков проволоки, скрученных между собой от середины таким образом, что на одной половине длины проволоки завивка правая, а на другой половине - левая.

Сущность изобретения поясняется чертежом и последующим описанием. На фиг. 1 показан общий вид амортизирующей стяжки в исходном состоянии (А), в промежуточном растянутом состоянии (Б) и в предельном состоянии (В) при выбранном ходе, позициями обозначены: 1 - ПДЭ из проволоки, 2 - проушины.

Амортизирующая стяжка содержит по крайней мере два проволочных ПДЭ 1, заделанных по концам в проушины 2. Проволока скручена при изготовлении от середины таким образом, что одна половина длины имеет правую завивку, а вторая половина - левую.

При срабатывании амортизирующей стяжки она растягивается за проушины 2 и угол подъема спирали, по которой завита проволока, возрастает, соответственно уменьшается кривизна спиральной оси проволоки, что приводит к пластическому изгибу. При пластической деформации поглощается энергия удара.

Технология получения свивки следующая. В исходном состоянии (фиг. 1В) параллельные отрезки проволоки заделаны в проушины. Посередине длины между проволоками вставляется стержень-ворот и проволоки скручиваются до заданного укорочения стяжки. Скручивание должно вестись под некоторой растягивающей нагрузкой, приложенной к стяжке. После скручивания можно провести отжиг.

Устройство отличает полнота использования прочностных свойств материала. Чтобы показать это, получим расчетную оценку силы сопротивления растяжению стяжки с ПДЭ из круглой проволоки диаметром 2r.

Ось проволоки представляет собой винтовую линию, ее кривизна равна κ = r/(r²+S²), где S - шаг подъема винтовой линии (И.Н.Бронштейн, К.А.Семендяев. Справочник по математике. - М.: Наука, 1988). Введем угол α подъема винтовой линии tg( α )=S/r, тогда кривизну можно записать в виде κ = cos²(α)/r .

Обозначим усилие растяжения одной проволоки из свивки как Т, предельный момент изгиба как M_т, причем M_к = 4/3σ_т•r³ (см., например, цитированный выше источник по теории пластичности), здесь σ_т , - предел текучести. При растяжении свивки она раскручивается, увеличивается шаг S и, соответственно, под действием изгибающего момента M_т уменьшается кривизна. Из равенства работы внешней силы и энергии пластического деформирования получаем уравнение T•dZ = M_т•d_κ•L где dZ - элементарное удлинение свивки, L - полная длина одной проволоки; данное уравнение распространяется на обе половины проволоки, деформациями центрального участка свивки пренебрегаем. Кроме того, пренебрегаем скручиванием проволоки вокруг оси (помимо кривизны винтовая линия имеет еще и кручение), это слишком усложнит задачу, так как потребует учета совместного действия изгиба и кручения поперечного сечения. Отсюда имеем T = M_т•Ldκ/dZ и поскольку получаем T= 2M_т/r•sin( α ). Нас больше интересует относительная величина t=T/T_т, где T_т = σ_т•π•r² есть предельное усилие растяжения прямой проволоки. После подстановок получаем .

Удлинение W свивки, т.е. ход равен W=Z-Z₀, где начальная длина Z₀ свивки при начальном угле подъема винтовой линии α_o есть Z_o = L•sin(α_o) . Тогда относительное удлинение ω = W/L равно ω(α) = sin(α) - sin(α_o) .

Силовая характеристика t( ω ) стяжки при растяжении в пределах рабочего хода задана формулами t(α) и ω(α) параметрически. Она линейна, на фиг.2 показана расчетная зависимость для свивки с начальным углом = 45^o. Величина W_max рабочего хода зависит от начального угла свивки. При α_o = 45^o имеем
W_max/L=1-sin(45^o)≈0,29
Существенной положительной чертой данной конструкции является высокая степень использования прочности материала проволоки, - более 60% (величина t). К тому же силовая характеристика сравнительно постоянна, постоянство силовой характеристики есть оптимум для ударозащитного 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 простой конструкции отличается большой жесткостью и большой силой сопротивления деформированию при значительном рабочем ходе. Это достигается тем, что в амортизирующей стяжке, содержащей пластически деформируемый элемент 1 с проушинами 2 по концам для его крепления, пластически деформируемый элемент 1 выполнен в виде по крайней мере двух отрезков проволоки, скрученных между собой от середины таким образом, что на одной половине длины проволоки завивка правая, а на другой половине - левая. 2 ил.

Амортизирующая стяжка, содержащая пластически деформируемый элемент с проушинами по концам для его крепления, отличающаяся тем, что пластически деформируемый элемент выполнен в виде по крайней мере двух отрезков проволоки, скрученных между собой от середины таким образом, что на одной половине длины проволоки завивка правая, а на другой половине левая.