Устройство для поглощения энергии движущегося тела

 

Использование: в различных областях машиностроения для защиты движущегося тела и элементов конструкций, с которыми оно сталкивается, от разрушения. Сущность изобретения: устройство для поглощения энергии движущегося тела содержит втулку с цилиндрическим отверстием и цилиндрический стержень, установленный с натягом в цилиндрическое отверстие втулки на части ее высоты. Часть высоты втулки, сопряженная со стержнем, составляет величину не менее половины диаметра стержня. Стержень выполнен двухступенчатым и имеет на сопряженной со втулкой длине меньший диаметр, чем на остальной своей длине. Разница между диаметрами сопряженной и остальной длин стержня составляет 10-15 мкм. Технический результат - увеличение энергопоглощающей способности устройства без сначкообразного ее увеличения в момент "страгивания" стержня. 2 з.п.ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к машиностроению, а именно к устройствам для поглощения энергии движущегося тела, и предназначено для защиты движущегося тела и элементов конструкций, с которыми оно сталкивается, от разрушения.

Известно устройство для поглощения энергии движущегося тела, содержащее стержень и втулку. Стержень имеет конусообразную форму и выполнен из стали с высокой твердостью, а втулка имеет цилиндрическое отверстие и выполнена из стали с меньшей твердостью, например из стали 3. Стержень установлен над втулкой, а втулка расположена на опоре, которая снабжена отверстием, глубина которого равна или больше длины стержня /Батуев Г.С., Голубков Ю.В., Ефремов А. К. , Федосов А. А. "Инженерные исследования ударных процессов", Москва, "Машиностроение", 1977 г., с. 128, рис. 66/.

При ударе движущегося тела в торец конусообразного стержня, последний входит в цилиндрическое отверстие втулки с натягом и по мере перемещения относительно втулки пластически ее деформирует. При этом происходит поглощение энергии движущегося тела за счет силы трения между стержнем и втулкой и деформации внутренних стенок втулки.

Недостатком известного устройства для поглощения энергии движущегося тела является резкое возрастание силовой характеристики торможения при перемещении стержня относительно втулки, что может привести к резкому увеличению нагрузки на движущееся тело и к его разрушению, например, в случае аварийного падения кабины лифта. Кроме этого, этот недостаток не позволяет предварительно рассчитать величину безопасного тормозного пути движущегося тела.

Известно устройство для поглощения энергии движущегося тела, содержащее втулку и установленный в ней граненый стержень. Втулка выполнена в виде отрезка трубы с внутренним диаметром, большим, чем описанный диаметр стержня. Втулка имеет недеформированный участок, охватывающий граненый стержень с зазором, и деформированные участки, которые параллельны граням стержня и сопряжены с ними с натягом /а.с. СССР N 672080, МПК В 60 R 21/02, заявл. 1977 г./.

При ударе движущегося тела в торец стержня, последний перемещается относительно втулки, при этом поглощение энергии происходит за счет силы трения между гранями стержня и деформированными участками втулки, упруго охватывающими и сжимающими грани стержня перпендикулярно их плоскостям. В момент "страгивания" стержня происходит резкое увеличение (скачкообразно, от 0) энергопоглощающей способности устройства. Затем энергопоглощающая способность устройства уменьшается и в процессе полного перемещения стержня остается на одном уровне.

Недостатком известного устройства для поглощения энергии движущегося тела является его невысокая энергопоглощающая способность при резком ее увеличении (скачке) в момент "страгивания" стержня. Невысокая энергопоглощающая способность устройства объясняется тем, что сила трения между гранями стержня и деформированными участками втулки прямо пропорциональна силе сдавливания между трущимися поверхностями. Но сила сдавливания ограничена силой упругости деформированных участков втулки, следовательно, энергия поглощения может быть увеличена только за счет увеличения площади трущихся поверхностей. Это приведет к увеличению габаритов всего устройства и к невозможности применения таких устройств в стесненных условиях. Резкий скачок энергопоглощающей способности в момент "страгивания" стержня происходит за счет резкого увеличения силы трения (трение покоя), величина которой может превышать до 30 процентов расчетную величину силы трения при движении стержня по втулке (трение скольжения). Увеличение силы трения объясняется большой площадью контакта между втулкой и стержнем в момент "страгивания" стержня. Площадь контакта между втулкой и стержнем в момент "страгивания" стержня и в процессе его перемещения во втулке постоянна. Резкий скачок поглощения энергии может привести к разрушению (травме) защищаемого объекта. Кроме этого, недостатком известного устройства является технологическая сложность как изготовления втулки, так и сопряжения ее со стержнем, что значительно увеличивает стоимость устройства.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к изобретению является устройство для поглощения энергии движущегося тела, содержащее втулку с цилиндрическим отверстием и граненый стержень, установленный с натягом во втулке. Внутренняя цилиндрическая поверхность втулки снабжена узкими продольными канавками, охватывающими с упругим натягом ребра граненого стержня по всей высоте втулки. Остальная, значительная часть внутренней цилиндрической поверхности втулки не контактирует с гранями стержня, при этом между внутренней поверхностью втулки и гранями стержня образованы зазоры сегментного профиля. Наличие зазоров между втулкой и стержнем не позволяет получить большие усилия сдавливания между втулкой и стержнем. Натяг, образованный между втулкой и стержнем и равный 0,5 - 1 мм, обеспечен разницей в диаметрах описанных окружностей по ребрам граненого стержня и по вершинам остроконечных канавок. При установке стержня, который выполнен из стали с высокой твердостью, во втулку, которая выполнена из стали с меньшей твердостью, втулка раздается за счет упругого изменения своей формы. В разных точках касания ребер граненого стержня со сторонами канавок сила сдавливания между втулкой и стержнем неодинакова, поскольку практически невозможно получить равномерное сдавливание в точках контакта граненого стержня и цилиндрического отверстия втулки /патент Великобритании N 1276639, МПК В 62 D 1/18. опубл. 1972 г./.

При ударе движущегося тела в торец стержня, последний перемещается относительно втулки, при этом поглощение энергии происходит за счет силы трения между ребрами граненого стержня и сторонами узких продольных канавок втулки, упруго охватывающими и сжимающими ребра стержня. В момент "страгивания" стержня происходит резкое увеличение (скачкообразно, от 0) энергопоглощающей способности устройства. Затем энергопоглощающая способность устройства уменьшается и остается на одном уровне в процессе полного перемещения стержня.

Недостатком известного устройства для поглощения энергии является его невысокая энергопоглощающая способность при резком ее увеличении (скачке) в момент "страгивания" стержня, после которого энергопоглощающая способность уменьшается и остается постоянной. Невысокая энергопоглощающая способность объясняется небольшой силой трения между ребрами стержня и сторонами канавок втулки из-за малой площади контакта трущихся поверхностей, а также невысокой силой сдавливания между ними из-за сегментных зазоров. Поэтому энергия поглощения может быть увеличена только за счет увеличения площади трущихся поверхностей, т.е. за счет увеличения высоты втулки. Это приведет к увеличению габаритов всего устройства и к невозможности применения таких устройств в стесненных условиях. Резкий скачок энергопоглощающей способности в момент "страгивания" стержня происходит за счет резкого увеличения силы трения (трение покоя), величина которой может превышать до 30 процентов расчетную величину силы трения при движении стержня (трение скольжения). Увеличение силы трения объясняется большой площадью контакта между втулкой и стержнем в момент "страгивания" стержня. Площадь контакта между втулкой и стержнем в момент "страгивания" стержня и в процессе его перемещения во втулке постоянна. Резкий скачок поглощения энергии может привести к разрушению (травме) защищаемого объекта. Для известного устройства затруднен расчет силы трения между втулкой и стержнем, поскольку сила сдавливания в разных точках касания втулки и стержня неодинакова. Кроме этого, недостатком известного устройства является технологическая сложность как изготовления втулки, так и сопряжения ее с граненым стержнем с заданной силой сдавливания, что значительно увеличивает стоимость устройства.

Задачей настоящего изобретения является создание малогабаритного устройства для поглощения энергии движущегося тела, которое позволяет осуществить с высокой точностью предварительный расчет величины поглощаемой энергии движущегося тела и обеспечить его торможение без разрушения и с сохранением конструкции, с которой тело сталкивается.

Техническим результатом настоящего изобретения является увеличение энергопоглощающей способности устройства без скачкообразного ее увеличения в момент "страгивания" стержня. Увеличение энергопоглощающей способности устройства происходит за счет "чистого" растяжения (без изгиба) стенки втулки, которое достигается плотным прилеганием (без зазоров) втулки и стержня и за счет увеличения площади трения между втулкой и стержнем до размера площади внутренней цилиндрической поверхности втулки с сохранением удельной силы сдавливания из-за гарантированной разницы диаметров стержня и отверстия втулки. Уменьшение скачка энергопоглощающей способности в момент "страгивания" стержня объясняется тем, что в этот момент площадь контакта между стержнем и втулкой минимальна и может составить по длине втулки величину, равную 0,5 диаметра стержня. Кроме этого, для дополнительного уменьшения скачка энергопоглощающей способности можно уменьшить силу трения между стержнем и втулкой за счет уменьшения натяга в момент "страгивания" путем уменьшения диаметра стержня на первоначальной (до начала перемещения стержня) сопряженной со втулкой длине стержня по сравнению с диаметром стержня на остальной его длине.

Настоящее изобретение позволяет обеспечить высокую точность при расчете поглощаемой энергии, поскольку форма, сопряженных поверхностей втулки и стержня простая за счет полного (без зазоров) облегания внутренней поверхностью втулки наружной поверхности стержня, и тем самым исключить опасность разрушения конструкции от движущегося тела при аварийных ситуациях, например, при падении груза с высоты.

Кроме этого, простая форма стержня и втулки позволяет упростить технологию изготовления устройства и снизить его стоимость.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном устройстве для поглощения энергии движущегося тела, содержащее втулку с цилиндрическим отверстием и стержень, установленный с натягом во втулке, стержень выполнен цилиндрическим и установлен в цилиндрическое отверстие втулки на части ее высоты.

Кроме этого, часть высоты втулки, сопряженная со стержнем, составляет величину не менее половины диаметра стержня.

Кроме этого, стержень выполнен двухступенчатым и имеет на сопряженной со втулкой длине меньший диаметр, чем на остальной своей длине.

Кроме этого, разница между диаметрами сопряженной и остальной длинами стержня составляет 10-15 микрон.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен общий вид устройства для поглощения энергии движущегося тела, установленного на опоре, а на фиг. 2 изображено устройство для поглощения энергии движущегося тела после воздействия на него массы движущегося тела.

Устройство для поглощения энергии движущегося тела содержит стержень 1 и втулку 2, в которую установлен с натягом стержень 1. Стержень 1 имеет цилиндрическую форму и выполнен одноступенчатым или двухступенчатым длиной 55 мм, при этом на сопряженной со втулкой 2 длине, равной 10 мм, его диаметр равен 10,015 мм, а на остальной длине, равной 45 мм - 10,025 мм. Разница между диаметрами первой и второй ступени цилиндрического стержня 1 составляет 10-15 микрон. Втулка 2 выполнена с цилиндрическим отверстием 3 диаметром 9,997 мм и имеет высоту 30 мм и толщину стенки 3,5 мм. Стержень 1 выполнен из углеродистой стали, закаленной до твердости НВ 269-302, а втулка 2 выполнена из углеродистой стали, закаленной до твердости НВ 159 -197. Цилиндрический стержень 1 установлен с заданным натягом величиной 0,022 мм в цилиндрическое отверстие 3 втулки 2 на части ее высоты, равной не менее 0,5 диаметра стержня, например, на длине 10 мм и имеет открытый торец 4, предназначенный для соударения с движущимся телом. Для исключения наволакивания металла на цилиндрических трущихся поверхностях втулки 2 и стержня 1 в процессе запрессовки стержня 1 во втулку 2, трущиеся цилиндрические поверхности втулки 1 и стержня 2 имеют покрытие из дисульфита молибдена. Устройство установлено на прочной неподвижной опоре 5, в которой выполнено отверстие 6 для свободного прохода стержня 1 при ударе в его открытый торец 4 движущегося тела. Стержень 1 и втулка 2 могут быть выполнены с другими размерами, которые выбирают в зависимости от расчетной величины энергии движущегося тела.

Устройство для поглощения энергии движущегося тела работает следующим образом.

При ударе движущегося тела в открытый торец 4 одноступенчатого стержня 1, цилиндрический стержень 1 начинает перемещаться по цилиндрическому отверстию 3 втулки 2. Поскольку площадь цилиндрических сопряженных поверхностей втулки 1 и стержня 2 в момент "страгивания" стержня 1 составляет величину около 33 процентов от всей площади цилиндрической поверхности отверстия 3 втулки 2, то сила трения между стержнем 1 и втулкой 2 на 67 процентов меньше, чем при полном охвате цилиндрического стержня 1 цилиндрической внутренней поверхностью отверстия 3 втулки 2. Далее, при перемещении стержня 1 по втулке 2 сила трения плавно возрастает до момента, соответствующего полному сопряжению стержня 1 и втулки 2 и в дальнейшем остается постоянной. При этом энергия от удара движущегося тела затрачивается на преодоление силы трения между цилиндрической внутренней поверхностью втулки 2 и цилиндрическим стержнем 1 и прямо пропорциональна величине перемещения.

При ударе движущегося тела в открытый торец 4 двухступенчатого стержня 1, цилиндрический стержень 1 начинает перемещаться по цилиндрическому отверстию 3 втулки 2. Поскольку величина натяга между стержнем и втулкой составляет 10-15 микрон в отличие от одноступенчатого стержня, где натяг составляет 23 микрона, то сила трения между стержнем 1 и втулкой 2 в несколько раз меньше, чем при использовании одноступенчатого стержня. Это позволяет уменьшить скачок энергопоглощающей энергии в момент "страгивания" стержня в несколько раз по сравнению с одноступенчатым выполнением стержня.

Величина поглощения энергии зависит от геометрических размеров стержня и втулки, от твердости материалов и от коэффициента трения между материалами стержня и втулки. Использование настоящего изобретения позволяет рассчитать известными методами величину полного поглощения энергии движущегося тела и длину пути его торможения, а также позволяет равномерно распределить энергию от удара движущегося тела о стержень и тем самым защитить от разрушения опору и движущееся тело.

Формула изобретения

1. Устройство для поглощения энергии движущегося тела, содержащее втулку с цилиндрическим отверстием и стержень, установленный с натягом во втулке, отличающееся тем, что стержень выполнен цилиндрическим и установлен в цилиндрическое отверстие втулки на части ее высоты, при этом часть высоты втулки, сопряженная со стержнем, составляет величину не менее половины диаметра стержня.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что стержень выполнен двухступенчатым и имеет на сопряженной со втулкой длине меньший диаметр, чем на остальной своей длине.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что разница между диаметрами сопряженной и остальной длинами стержня составляет 10 - 15 мкм.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2