Гидроупор

 

Изобретение может быть использовано в области машиностроения. Сущность: гидроупор содержит корпус, шток и расположенный в замкнутом объеме корпуса поршень с перепускным отверстием, жестко соединенный со штоком и делящий корпус на две заполненные рабочей средой, и сообщенные перепускным отверстием поршня полости, одна из которых образована наружной и внутренней поверхностями соответственно штока и корпуса, одним из торцов последнего и торцом поршня, соединенным со штоком. Поршень и внутренняя поверхность корпуса выполнены ступенчатыми. В перепускном отверстии поршня установлен подпружиненный, нормально открытый клапан. Изобретение направлено на расширение возможности воспринимать весь спектр ударных нагрузок, приходящихся на конструкцию, как мгновенного, так и квазистатического характера. 1 ил.

Изобретение относится к области машиностроения и может применяться в качестве упорного силового устройства - гидроупора, обеспечивающего надежное пожатие деталей и узлов в конструкциях, подвергающихся тепловым воздействиям и инерционным нагрузкам квазистатического характера.

Известен гидродемпфер двухстороннего действия (см. а.с. SU N 1138567, F 16 F 9/14 от 12.09.83 г. опубликовано в Бюл. N 5 от 07.02.85 г.). Гидродемпфер содержит цилиндрический корпус с продольными переточными каналами, входы и выходы которых расположены на его внутренней поверхности, шток, установленный в корпусе, поршень, закрепленный на штоке и делящий корпус на две полости, связанные между собой дросселирующими отверстиями и обратные клапаны, установленные в переточных каналах встречнонаправленно.

Однако при таком конструктивном исполнении обратные клапаны, установленные в переточных каналах, работают только при возвратном движении поршня, т.е. при его возвращении в исходное положение после окончания силового воздействия на поршень устройства. При этом для обеспечения работы устройства клапаны нормально закрыты и открываются, перепуская жидкость из полости в полость, т.е. облегчают перетекание, способствуя ускорению перемещения поршня в исходное положение, что не позволяет использовать данное устройство в качестве гидроупора для ударных нагрузок.

Известен также гидроупор (см. патент RU N 2035644, F 16 F 9/14, от 08.02.88 г. опубликовано в Бюл. N 14 от 20.04.95 г.), который является наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству и взят в качестве прототипа. Гидроупор содержит корпус, шток и расположенный в замкнутом объеме корпуса поршень с перепускным отверстием, жестко соединенный со штоком и делящий корпус на две заполненные рабочей средой и сообщенные перепускным отверстием поршня полости, одна из которых образована наружной и внутренней поверхностями соответственно штока и корпуса, одним из торцов последнего и торцом поршня, соединенным со штоком, поршень и внутренняя поверхность корпуса выполнены ступенчатыми, с большим и меньшим диаметрами, при этом ступень поршня большего диаметра, взаимодействующая со ступенью корпуса большего диаметра, жестко соединена со штоком, другой торец корпуса выполнен сплошным, ступень корпуса меньшего диаметра выполнена взаимодействующей со ступенью поршня меньшего диаметра и образующей с торцом последней и сплошным торцом корпуса другую полость, длина ступенчатого поршня больше длины ступени корпуса большего диаметра, а площади поперечных сечений штока и ступеней поршня связаны между собой соотношением: S1 = S2 - S3, (1) где S1 - площадь поперечного сечения ступени поршня меньшего диаметра; S2 - площадь поперечного сечения ступени поршня большего диаметра; S3 - площадь поперечного сечения штока.

Выполнение поршня и внутренней полости корпуса ступенчатыми с площадями сечений ступеней поршня и штока, удовлетворяющими соотношению (1), позволяет при перемещении поршня внутри замкнутого объема корпуса (при перемещении поршня внутри корпуса рабочая среда не покидает объем, ограниченный внутренней поверхностью корпуса, т. е. при любом движении поршня рабочая среда остается внутри корпуса), заполненного несжимаемой рабочей средой, обеспечить при движении поршня равенство объемов рабочей среды, вытекающей из полости по одну сторону поршня и втекающей в полость по другую его сторону, что является необходимым условием для нормального функционирования таких устройств.

Однако наличие открытого перепускного отверстия в поршне не позволяет использовать данное устройство в качестве гидроупора при квазистатических ударных нагрузках. Поскольку при длительно действующей ударной нагрузке дросселирующий эффект открытого перепускного отверстия, имеющий место при кратковременно действующих ударных нагрузках, за счет кратковременности их действия, исчезает и рабочая среда начинает беспрепятственно перетекать по нему из одной камеры корпуса в другую. Таким образом при квазистатических нагрузках, за счет увеличения времени их действия, данная конструкция не выполняет роль гидроупора и дает значительные перемещения, определяемые перепускными свойствами отверстия при данной нагрузке.

Однако, довольно часто, на конструкцию действует ударная нагрузка, ~300 g, имеющая значительную длительность по времени воздействия ~1...5 с. (квазистатическая), которую необходимо воспринимать, обеспечивая неподвижность поршня гидроупора при длительном воздействии ударной нагрузки.

Решаемая техническая задача состоит в расширении области применения, т. е. использованнии устройства для всего спектра действия ударных нагрузок.

Поставленная задача решается следующим образом. Гидроупор, содержащий корпус, шток и расположенный в замкнутом объеме корпуса, поршень с перепускным отверстием, жестко соединенный со штоком, и делящий корпус на две заполненные рабочей среды и сообщенные перепускным отверстием поршня полости, одна из которых образована наружной и внутренней поверхностями соответственно штока и корпуса, одним из торцов последнего и торцом поршня, соединенным со штоком, поршень и внутренняя поверхность корпуса выполнены ступенчатыми с большим и меньшим диаметрами, при этом ступень поршня большего диаметра, взаимодействующая со ступенью корпуса большего диаметра, жестко соединена со штоком, другой торец корпуса выполнен сплошным, ступень корпуса меньшего диаметра выполнена взаимодействующей со ступенью поршня меньшего диаметра и образующей с торцом последней и сплошным торцом корпуса другую полость, длина ступенчатого поршня больше длины ступени корпуса большего диаметра, а площади поперечных сечений штока и ступеней поршня связаны между собой соотношением: S1 = S2 - S3, (1) где S1 - площадь поперечного сечения ступени поршня меньшего диаметра; S2 - площадь поперечного сечения ступени поршня большего диаметра; S3 - площадь поперечного сечения штока, новым является то, что в перепускном отверстии поршня установлен подпружиненный нормально открытый клапан, при этом усилие пружины клапана выбирается из условия:
F2 ≅ P_пр ≅ F1, (2)
где F1 - сила трения рабочей среды, обтекающей клапан, при малых скоростях перемещения поршня, соответствующих температурному изменению размеров поджимаемых гидроупором элементов конструкции;
F2 - сила трения рабочей среды, обтекающей клапан, при больших скоростях перемещения поршня, соответствующих действию квазистатической ударной нагрузки на поджимаемые гидроупором элементы конструкции;
P_пр - усилие пружины.

Установка в перепускном отверстии нормально открытого клапана обеспечивает функционирование устройства, как при малых скоростях перетекания среды (тепловое расширение деталей внутренних сборок), так и при больших скоростях перетекания среды с различными временами перетекания (квазистатические ударные нагрузки). При этом клапан закрывается и перекрывает перепускное отверстие, запирая пасту в камере, находящейся под давлением и обеспечивая таким образом неподвижность гидроупора при действии квазистатических ударных нагрузок.

Такие условия, необходимые для функционирования конструкции обеспечиваются тем, что клапан, установленный в перепускном отверстии выполнен нормально открытым, а пружина, обеспечивающая его работу удовлетворяет условию (2).

При этом за счет того, что установка пружинного клапана выполнена в габаритах поршня гидроупора, габаритные размеры прототипа не изменяются, а его функциональные возможности расширяются и появляется возможность воспринимать и квазистатические ударные нагрузки.

То есть при малых скоростях перемещения рабочей среды, соответствующих тепловым изменением зазора Г, сила трения, возникающая при обтекании клапана средой, недостаточна для того, чтобы преодолеть усилие пружины и закрыть клапан. За счет этого клапан при данных условиях остается открытым и паста беспрепятственно перетекает из полости в полость, обеспечивая слежение поршня за изменением размера Г.

При скоростях течения пасты, соответствующих ударным нагрузкам, сила трения пасты при обтекании ею клапана становится достаточной для преодоления силы пружины и клапан закрывается. Поскольку после этого воздействие перегрузки продолжается, то в полости Б давление возрастает и шарик клапана удерживается в закрытом положении за счет повышенного давления в камере в течение всего времени действия перегрузки.

Конструкция предлагаемого технического решения представлена на чертеже. Гидроупор состоит из корпуса - 1 ступенчатой формы. В корпусе перемещается поршень - 2 тоже ступенчатой формы с дросселирующим отверстием - 7. Для перекрытия отверстия установлен нормально открытый шариковый клапан - 5, который перекрывает дросселирующее отверстие при скоростях обтекания, соответствующих ударным нагрузкам и соответствует условию (2).

Площади поперечных сечений штока и ступеней поршня с большим и меньшим диаметрами удовлетворяют соотношению (1), а полная длина поршня больше длины ступени корпуса большего диаметра, т.е.

L1 > L (3).

При выполнении условия (3) ступень поршня меньшего диаметра никогда не выйдет за пределы ступени корпуса меньшего диаметра, что позволяет обеспечить при движении поршня перетекание среды только через дросселирующее отверстие 7 - и обеспечивает тем самым нормальное функционирование гидроупора.

При несоблюдении этого условия ступень поршня меньшего диаметра выйдет за пределы ступени корпуса меньшего диаметра, что приведет к вытеканию пасты из объема ступени корпуса меньшего диаметра в объем ступени корпуса большего диаметра, минуя дросселирующее отверстие - 7, т.е. к нарушению нормального функционирования гидроупора и выходу его из строя.

Камеры по обе стороны поршня полностью заполнены несжимаемой рабочей средой - 3. Поршень большей своей ступенью жестко связан со штоком - 8, другой конец которого расположен вне корпуса и воспринимает приходящиеся на гидроупор нагрузки.

Конструкция гидроупора допускает различные варианты исполнения, как по форме площадей сечения поршня и камеры, так и по соотношению длин ступеней. При этом формы площадей сечения большей и меньшей ступеней поршня и камеры не обязательно должны быть подобными - для них лишь необходимо выполнять условие (1).

Конструкция работает следующим образом. При медленном изменении размеров деталей прибора - 9 (что соответствует температурному изменению размеров) поршень - 2 перемещается вправо, рабочая среда - 3 перетекает из полости Б в полость В через зазор А и дросселирующее отверстие - 7 беспрепятственно, т. к. сила трения при этих скоростях, возникающая на шарике - 5 и закрывающая клапан, недостаточна для преодоления усилия пружины - 4. Зазор А является основной характеристикой шарикового клапана нормально открытого типа (см. фиг. 1). При быстром изменении размера Г, соответствующем ударным нагрузкам, сила трения на шарике при обтекании его рабочей средой увеличивается соответственно увеличению скорости обтекания и превышает усилие пружины в результате чего шарик прижмется к коническому седлу плунжера - 2, зазор А уменьшится до нуля и перетекание рабочей среды из полости Б в полость В прекратится. Система, где применено такое устройство оказывается запертой и зазор Г при дальнейшем действии нагрузки не уменьшится.

Поскольку в описанных выше ситуациях (температурное изменение размеров и действие квазистатической нагрузки) скорости обтекания шарика отличаются на несколько порядков, то такая конструкция будет успешно выполнять свою задачу.

Установка зазора А обеспечивается ввинчиванием опоры - 6 до упора и последующим отвинчиванием ее на требуемую величину.

Изготовлен и испытан макет заявляемого устройства со следующими размерами:
меньший диаметр поршня - d_п = 7,75 мм;
больший диаметр поршня = D_п = 8,5 мм;
диаметр штока - d_ш = 4,2 мм;
диаметр дросселирующего отверстия - d_о = 0,8 мм;
диаметр шарика клапана - d_ш = 3 мм;
полная длина поршня - L1 = 10,1 мм;
длина ступени корпуса большего диаметра L = 7,9 мм.

Формула изобретения

Гидроупор, содержащий корпус, шток и расположенный в замкнутом объеме корпуса поршень с перепускным отверстием, жестко соединенный со штоком и делящий корпус на две заполненные рабочей средой и сообщенные перепускным отверстием поршня полости, одна из которых образована наружной и внутренней поверхностями соответственно штока и корпуса, одним из торцов последнего и торцом поршня, соединенным со штоком, поршень и внутренняя поверхность корпуса выполнены ступенчатыми, с большим и меньшим диаметрами, при этом ступень поршня большего диаметра, взаимодействующая со ступенью корпуса большего диаметра, жестко соединена со штоком, другой торец корпуса выполнен сплошным, ступень корпуса меньшего диаметра выполнена взаимодействующей со ступенью поршня меньшего диаметра и образующей с торцом последней и сплошным торцом корпуса другую полость, длина ступенчатого поршня больше длины ступени корпуса большего диаметра, а площади поперечных сечений штока и ступеней поршня связаны между собой отношением
S1 = S2 - S3,
где S1 - площадь поперечного сечения ступени поршня меньшего диаметра;
S2 - площадь поперечного сечения ступени поршня большего диаметра,
S3 - площадь поперечного сечения штока,
отличающийся тем, что в перепускном отверстии поршня установлен подпружиненный, нормально открытый клапан, при этом усилие пружины клапана выбирается из условия
F2 > P_пр > F1,
где F1 - сила трения рабочей среды, обтекающей клапан при малых скоростях перемещения поршня, соответствующих температурному изменению размеров поджимаемых гидроупором элементов конструкции;
F2 - сила трения рабочей среды, обтекающей клапан при больших скоростях перемещения поршня, соответствующих действию квазистатической нагрузки на поджимаемые гидроупором элементы конструкции;
P_пр - усилие пружины.

РИСУНКИ

Рисунок 1