Адаптивный пневмогидравлический демпфер

 

Изобретение касается устройства для гашения механических колебаний, в особенности обрессоренных частей транспортных средств. Адаптивный пневмогидравлический демпфер содержит основной цилиндр с крышками по его торцам, в резьбовое отверстие верхней крышки ввинчен штуцер с обратным клапаном для подключения внутренней полости основного цилиндра к источнику сжатого газа. Также в основном цилиндре находится полый шток с радиальными отверстиями в его стенке и внешним концом, выходящим из полости основного цилиндра через манжетное уплотнение в верхней крышке, жестко связанный со штоком поршень, делящий объем основного цилиндра на штоковую и бесштоковую полости, которые заполнены каждая сжатым газом и жидкостью. В полости штока коаксиально размещены дросселирующая втулка, жестко связанная со штоком, направляющий стержень и полый дроссельный элемент, установленный на направляющем стержне с возможностью продольного перемещения между упорами. Один конец направляющего стержня снабжен головкой, которая посредством пружины и регулировочного винта связана с внешним концом полого штока, а другой конец соединен с дополнительным поршнем. Поршень имеет продольное калиброванное отверстие и расположен в бесштоковой полости основного цилиндра в той ее части, которая заполнена жидкостью. Также содержатся шарнирные головки, одна из которых крепится на внешнем конце штока, а вторая выполнена заодно с нижней крышкой. К основному цилиндру присоединен дополнительный цилиндр с днищем, закрытый сверху крышкой. Внутри дополнительного цилиндра размещен поршень с центральным упором и с уплотнительной манжетой. Техническим результатом настоящего изобретения является обеспечение оптимального демпфирования железнодорожных транспортных средств на участках как с хорошим, так и с удовлетворительным состоянием пути, т.е. как при малых, так и при больших амплитудах колебаний. 1 ил.

Изобретение относится к транспортному машиностроению и касается устройства для гашения механических колебаний, в особенности обрессоренных частей транспортных средств, в частности вертикальных и горизонтальных колебаний рамы тележек и кузовов тепловозов, электровозов, пассажирских вагонов, вагонов электропоездов и путевых машин.

Известен пневматический демпфер, который содержит цилиндр с крышками, одна из которых содержит полость, размещенный в цилиндре полый шток, жестко связанный с ним поршень с центральным отверстием, делящий цилиндр на штоковую и бесштоковую полость, коаксиально размещенную в полости штока, жестко связанную с ним дросселирующую втулку, направляющий стержень, установленный с возможностью продольного перемещения относительно последнего, дроссельный элемент с двумя конусообразными поверхностями, снабжен размещенным в полости крышки дополнительным цилиндром, соединенным с одним концом направляющего стержня дополнительным поршнем, имеющим калиброванное отверстие, делящим полость дополнительного цилиндра на подпоршневую и надпоршневую полости, последняя из которых посредством калиброванного отверстия сообщена бесштоковой полостью, размещенным в полом штоке жестко связанным с последним регулировочным винтом и пружиной соединяющим последний с другим концом направляющего стержня, в котором дроссельный элемент подпружинен в осевом направлении относительно направляющего стержня /RU, патент 2082040, кл. F 16 F 9/02, 1997 г./.

Недостатком известного пневматического демпфера является большая погрешность статической самоустановки дроссельного элемента по центру дросселирующей втулки из-за трения направляющего стержня о малую манжету и, кроме того, не обеспечивается оптимальное демпфирование на малых амплитудах колебаний. Известен также пневмогидравлический демпфер, принятый за прототип, содержащий полый цилиндр с крышками по его торцам, в цилиндрическом отверстии одной крышки размещен штуцер с обратным клапаном для подключения внутренней полости цилиндра к источнику сжатого газа, размещенные в цилиндре полый шток с внешним концом и радиальными отверстиями в его стенке, жестко связанный со штоком поршень с центральным отверстием, делящий полость цилиндра на штоковую и бесштоковую полости, коаксиально размещенные в полости штока дросселирующую втулку, жестко связанную со штоком, направляющий стержень и установленный с возможностью продольного перемещения относительно направляющего стержня дроссельный элемент, выполненный в виде двух усеченных конусов, сопряженных основаниями большого диаметра с коротким полым цилиндром, дополнительный поршень с калиброванным отверстием, соединенный с одним концом направляющего стержня, на другом конце которого привинчена головка, связанная пружиной и регулировочным винтом с внешним концом штока, и шарнирные головки, одна из которых установлена на внешнем конце штока, а другая выполнена заодно с другой крышкой, при этом штоковая и бесштоковая полости цилиндра заполнены каждая сжатым газом и жидкостью, причем жидкостью они заполнены таким образом, что ход поршня вверх или вниз до вытеснения газа из полостей выбран в пределах 1,1-1,3 от наиболее вероятного значения амплитуды колебания его в работе, а дополнительный поршень установлен в бесштоковой полости цилиндра в ее части, заполненной жидкостью с образованием над- и подпоршневой полостей, а на направляющем стержне и его головке для ограничения хода дроссельного элемента выполнены конические упоры, имеющие продольные канавки /RU, патент 2119602, кл. F 16 F 9/06, 1998 г./. Недостатком известного пневмогидравлического демпфера является отсутствие возможности обеспечить оптимальное демпфирование одновременно на малых и больших амплитудах колебаний.

Техническим результатом настоящего изобретения является обеспечение оптимального демпфирования как на малых, так и на больших амплитудах колебаний при движении по участкам с хорошим и удовлетворительным состоянием железнодорожного пути за счет установки дополнительного цилиндра малого диаметра с поршнем, поджатым к днищу пружиной. Указанный технический результат достигается тем, что в адаптивном пневмогидравлическом демпфере, содержащим основной цилиндр с крышками по его торцам, в резьбовое отверстие верхней крышки ввинчен штуцер с обратным клапаном для подключения внутренней полости основного цилиндра к источнику сжатого газа, размещенные в основном цилиндре полый шток с радиальными отверстиями в его стенке и внешним концом, выходящим из полости основного цилиндра через манжетное уплотнение в верхней крышке, жестко связанный со штоком поршень, делящий объем основного цилиндра на штоковую и бесштоковую полости, которые заполнены каждая сжатым газом и жидкостью, коаксиально размещенные в полости штока дросселирующую втулку, жестко связанную со штоком, направляющий стержень и полый дроссельный элемент, последний выполнен в виде двух усеченных конусов, сопряженных в центральной части основаниями большого диаметра с коротким цилиндром, и установлен на направляющем стержне с возможностью продольного перемещения между упорами, имеющими коническую форму с продольными канавками, один конец направляющего стержня снабжен головкой, которая посредством пружины и регулировочного винта связана с внешним концом полого штока, а другой конец соединен с дополнительным поршнем, имеющим продольное калиброванное отверстие и расположенным в бесштоковой полости основного цилиндра в той ее части, которая заполнена жидкостью, шарнирные головки, одна из которых крепится на внешнем конце штока, а другая выполнена заодно с нижней крышкой, к основному цилиндру присоединен дополнительный цилиндр с днищем, закрытый сверху крышкой, внутри дополнительного цилиндра размещен поршень с нижним центральным упором и с уплотнительной манжетой, поршень прижат центральным упором к днищу дополнительного цилиндра пружиной, установленной в верхней надпоршневой его полости, которая соединена с источником сжатого газа, а нижняя подпоршневая полость дополнительного цилиндра соединена с бесштоковой заполненной жидкостью полостью основного цилиндра регулятором, который снабжен шариковым клапаном, обеспечивающим открытие отверстия с большим проходным сечением при перетекании жидкости из бесштоковой полости основного цилиндра в нижнюю подпоршневую полость дополнительного цилиндра с малым сопротивлением и открытие отверстия с малым проходным сечением при перетекании жидкости в обратном направлении с большим сопротивлением, причем штоковая и бесштоковая полости основного цилиндра заполнены каждая жидкостью таким образом, что ход поршня вверх и вниз от среднего положения до полного вытеснения газа из указанных выше полостей выбран в пределах /0,9-1,0/Ав от наиболее вероятного значения амплитуды его колебания Ав в работе.

На чертеже изображен адаптивный пневмогидравлический демпфер /продольный разрез/.

Демпфер состоит /см. чертеж/ из основного цилиндра 1, поршня 2, напрессованного на полый шток 3 и дополнительно закрепленного на штоке 3 гайкой 4 и шайбой 5. Поршень 2 снабжен компрессионными кольцами 6. С торцов основной цилиндр 1 закрыт верхней крышкой 7 и нижней крышкой 8, выполненной заодно с шарнирной головкой. Крышки 7 и 8 стянуты между собой четырьмя шпильками 9 с корончатыми гайками 10 и шплинтами 11. Привалочные поверхности крышек 7 и 8 по торцам основного цилиндра 1 уплотнены резиновыми прокладками 12 и 13. В центральном отверстии верхней крышки 7 смонтировано уплотнение внешнего конца полого штока 3, состоящее из комплекта резиновых или полиуретановых манжет 14, направляющего кольца 15 и накидной гайки 16. На внешнем конце полого штока 3 установлена шарнирная головка 17, выполненная в виде клеммового зажима, стягиваемого двумя встречно завинчиваемыми болтами 18 и снабженная для компенсации разреза кольцом 19. В отверстиях верхней 17 и нижней 8 шарнирных головок установлены подшипники 20 типа "ШС". Последние с торцов закрыты крышками и резиновыми манжетами с целью предохранения их от попадания пыли и влаги /на чертеже не показаны/. Внешний конец полого штока 3 и его манжетное уплотнение 14, 15 и 16 закрыты защитным кожухом, состоящим из верхнего 21 и нижнего 22 полустаканов. В поршневой конец полого штока 3 запрессована дросселирующая втулка 23, в отверстии которой помещены коаксиально направляющий стержень 24 и полый дроссельный элемент 25, который выполнен в виде двух усеченных конусов, сопряженных в центральной части основаниями большого диаметра с коротким цилиндром, и он установлен на направляющем стержне 24 с возможностью продольного перемещения между упорами, имеющими коническую форму с продольными канавками, так, что они являются естественным продолжением конусности дроссельного элемента при их соприкосновении по торцам.

Дроссельный элемент 25 в комплекте с направляющим стержнем 24 и дроссельной втулкой 23 образуют саморегулируемый дроссель, который вместе с радиальными отверстиями 26 в полом штоке 3 соединяет штоковую 27 и бесштоковую 28 полости основного цилиндра 1, разделенные поршнем 2. Один конец направляющего стержня 24 снабжен головкой 29, закрепленной штифтом 30. Головка 29 связана пружиной 31 и регулировочным винтом 32 с внешним концом полого штока 3. С внешней стороны резьбовое отверстие в полом штоке 3 заглушено прокладкой 33, резиновой пробкой 34 и винтом 35. Другой конец направляющего стержня 24 соединен с дополнительным поршнем 36, имеющим продольное калиброванное отверстие 37, и он дополнительно зафиксирован штифтом 38. В резьбовое отверстие в верхней крышке 7 ввинчен штуцер 39 с обратным клапаном /на чертеже не показано/ для подключения внутренней полости основного цилиндра 1 к источнику сжатого газа /например к напорной магистрали локомотива с давлением 0,85-0,9 МПА/. Кроме того, штоковая 27 и бесштоковая 28 полости основного цилиндра 1 заполнены каждая жидкостью, например хладостойким маслом ХФ-22, до заданных уровней, так что дополнительный поршень 36 с продольным калиброванным отверстием 37 всегда находится в бесштоковой полости основного цилиндра в той ее части, которая заполнена жидкостью. К основному цилиндру 1 присоединен дополнительный цилиндр 40 с днищем, закрытый сверху крышкой 41, уплотненной резиновым кольцом 42. Внутри цилиндра 40 размещен поршень 43 с центральным упором и уплотнительной манжетой 44. Поршень 43 прижат своим центральным упором к днищу дополнительного цилиндра 40 пружиной 45, размещенной в верхней надпоршневой полости 46, которая также соединена с источником сжатого газа посредством штуцера 47. Нижняя подпоршневая полость 48 дополнительного цилиндра 40 соединена с заполненной жидкостью бесштоковой полостью 28 основного цилиндра 1 регулятором 49, снабженным шариковым клапаном 50, который открывает отверстие с большим проходным сечением и, следовательно, малым сопротивлением для потока жидкости из бесштоковой полости 28 основного цилиндра 1 в нижнюю подпоршневую полость 48 дополнительного цилиндра 40 и открывает отверстие с малым проходным сечением и, следовательно, с большим сопротивлением для обратного потока жидкости.

Адаптивный пневмогидравлический демпфер работает следующим образом. Предположим, что поршень 2 вместе с полым штоком 3 начал перемещаться в основном цилиндре 1 вниз. Тогда газ /воздух/ в бесштоковой полости 28 основного цилиндра 1 начинает сжиматься, а в штоковой полости 27 расширяться относительно среднего зарядного давления. Под действием перепада давления газ из бесштоковой полости 28 стремится через дросселирующую втулку 23 и радиальные отверстия 26 в стенке полого штока 3 в штоковую полость 27 основного цилиндра 1. Поток газа, ударяясь в торец легкого дроссельного элемента 25, быстро перебрасывает последний вверх до конического упора на головке 29. При этом дроссельный элемент 25 в начале движения поршня 2 вниз своим цилиндрическим пояском будет перекрывать почти полностью отверстие в дросселирующей втулке 23 до тех пор, пока цилиндрический срез последний не достигнет нижнего уменьшающегося конуса дроссельного элемента 25. С этого момента при дальнейшем движении поршня 2 вниз проходное сечение канала саморегулируемого дросселя, образованного дроссельной втулкой 23, направляющим стержнем 24 и дроссельным элементом 25, будет увеличиваться. В результате с началом движения поршня 2 вниз перепад давления газа между бесштоковой 28 и штоковой 27 полостями вначале будет расти, а затем с увеличением проходного сечения канала саморегулируемого дросселя уменьшится. Профилировка конуса дроссельного элемента 25 и значение его перемещения между коническими упорами направляющего стержня 24 и головки 29 рассчитаны так, что к концу наиболее вероятной амплитуды перемещения поршня 2 в основном цилиндре 1 давление газа в штоковой 27 и бесштоковой 28 полостях сравняются.

При обратном движении поршня 2 в основном цилиндре 1 снизу вверх потоки газа из штоковой полости 27 устремятся в бесштоковую полость 28 через радиальные отверстия 26 в стенке штока 3 и дросселирующую втулку 23. Ударяясь в торец дроссельного элемента 25, газ быстро перебрасывает дроссельный элемент 25 вниз до конического упора на направляющем стержне 24. Дроссельный элемент 25 вначале перекроет почти полностью проходное сечение в дросселирующей втулке 23, а затем, после того как нижний срез цилиндрической части втулки 23 сойдет с цилиндрического пояска дроссельного элемента 25 на нисходящий его конус, проходное сечение канала в саморегулируемом дросселе начнет увеличиваться. Соответственно и перепад давления газа между штоковой и 27 и бесштоковой 28 полостями в начале движения поршня 2 в основном цилиндре 1 вверх будет расти, а затем падать. Точно также будет вести себя и демпфирующая сила адаптивного пневмогидравлического демпфера, то есть она будет иметь вид колебательного процесса с максимумом при среднем положении поршня 2 в основном цилиндре 1 и нулевым значениями при крайних его положениях.

Для того чтобы диссипативная энергоемкость пневматического демпфера была максимальной при заданных его размерах необходимо обеспечить центральное положение дроссельного элемента 25 относительно дросселирующей втулки 23 при его функционировании. Самоустановка дроссельного элемента 25 в центральное положение осуществляется пружиной 31. Предположим, что в результате просадки рессорного подвешивания, например вагона электропоезда при загрузке пассажирами, шарнирные головки 8 и 17 адаптивного демпфера сблизились в статике на некоторое расстояние. Тогда и поршень 2 вместе с полым штоком 3 переместится в основном цилиндре 1 на это же расстояние вниз. Это приведет к сжатию пружины 31, которая, действуя на головку 29, направляющий стержень 24 и, далее, на дополнительный поршень 36 с продольным калиброванным отверстием 37, заставит перетекать жидкость через продольное калиброванное отверстие 37 из подпоршневой его полости в надпоршневую полость, благодаря чему последний вместе с направляющим стержнем 34 медленно за 4-6 секунд переместится вниз на указанное выше расстояние просадки, устанавливая дроссельный элемент 25 в центральное положение относительно дросселирующей втулки 23. Аналогичным путем произойдет продольная самоустановка дроссельного элемента 25 при статическом растяжении шарнирных головок 8 и 17 адаптивного пневмогидравлического демпфера.

В динамике при полутора-двухгерцовых движениях поршня 2 с полым штоком 3 в основном цилиндре 1 дополнительный поршень 36 с продольным калиброванным отверстием 37 вместе с направляющим стержнем 24 будут иметь очень малые амплитуды колебаний, не оказывающие заметного влияния на рабочий процесс адаптивного пневмогидравлического демпфера.

Расстояние Lб и Lш /см. чертеж/ между уровнем жидкости и поршнем 2 в бесштоковой полости 28 и уровнем жидкости и крышкой 7 в штоковой полости 27, как это известно из прототипа, оказывают значительное влияние на энергоемкость и характеристику демпфирования адаптивного пневмогидравлического демпфера. Эти расстояния по сравнению с прототипом уменьшаются и назначаются в пределах Lб=Lш=/0,9-1,0/Ав от наиболее вероятного значения воспринимаемой в работе амплитуды колебаний Ав поршня 2. При малых значениях амплитуды колебаний в пределах /0,25-0,5/Ав повышение давления газа, а следовательно, жидкости, в бесштоковой полости 28 недостаточно для преодоления силы прижатия поршня 43 своим центральным упором к днищу дополнительного цилиндра 40 и жидкость из бесштоковой полости 28 не будет перетекать в нижнюю подпоршневую полость 48 дополнительного цилиндра 40. Когда же рабочие амплитуды колебаний поршня 2 в основном цилиндре 1 будут приближаться к наиболее вероятному значению "Ав", давление газа и жидкости достигнут такого уровня, когда часть последней будет перетекать из бесштоковой полости 28 в нижнюю подпоршневую полость 48 дополнительного цилиндра 40 через регулятор 49, отжимая поршень 43 и пружину 45 верх. Благодаря повышенному сопротивлению перетекания жидкости в обратном направлении, что обеспечивает шариковый клапан 50 регулятора 49, открывающий малое проходное сечение канала для обратного потока, жидкость будет накапливаться в нижней подпоршневой полости 48 дополнительного цилиндра 40, уменьшая объем жидкости в бесштоковой полости 28 и увеличивая тем самым вначале расстояние Lб, а затем и Lш, т.к. часть жидкости при больших амплитудах будет перекачена из штоковой полости 27 в бесштоковую 28 через саморегулируемый дроссель /23, 24, 25/.

Таким образом, при малых амплитудах колебаний поршня 2 в основном цилиндре 1 расстояние Lб=Lш=/0,9-1,0/Ав, при больших они стремятся к значению Lб= Lш= /1,1-1,3/Ав, вследствие чего характеристика демпфирования выравнивается, обеспечивая оптимальное гашение колебаний обрессоренных масс как на хорошем, так и на удовлетворительном участках железнодорожного пути. Приспосабливаемость /т.е. адаптация/ обеспечивает дополнительные возможности по улучшению качества демпфирования железнодорожного подвижного состава.

Следует заметить, что все без исключения гидравлические гасители колебаний имеют нелинейную дроссельно-щелевую характеристику, которая не может обеспечить оптимального демпфирования одновременно на малых и больших амплитудах колебаний. Впервые предложен адаптивный пневмогидравлический демпфер, приспосабливающийся к любым условиям работы и обеспечивающий оптимальное демпфирование в широком диапазоне амплитуд колебаний.

Формула изобретения

Адаптивный пневмогидравлический демпфер, содержащий основной цилиндр с крышками по его торцам, в резьбовое отверстие верхней крышки ввинчен штуцер с обратным клапаном для подключения внутренней полости основного цилиндра к источнику сжатого газа, размещенные в основном цилиндре полый шток с радиальными отверстиями в его стенке и внешним концом, выходящим из полости основного цилиндра через манжетное уплотнение в верхней крышке, жестко связанный со штоком поршень, делящий объем основного цилиндра на штоковую и бесштоковую полости, которые заполнены каждая сжатым газом и жидкостью, коаксиально размещенные в полости штока дросселирующую втулку, жестко связанную со штоком, направляющий стержень и полый дроссельный элемент, который выполнен в виде двух усеченных конусов, сопряженных в центральной части основаниями большего диаметра с коротким цилиндром, и установлен на направляющем стержне с возможностью продольного перемещения между упорами, имеющими коническую форму с продольными канавками, один конец направляющего стержня снабжен головкой, которая посредством пружины и регулировочного винта связана с внешним концом полого штока, а другой конец соединен с дополнительным поршнем, имеющим продольное калиброванное отверстие и расположены в бесштоковой полости основного цилиндра в той ее части, которая заполнена жидкостью, шарнирные головки, одна из которых крепится на внешнем конце штока, а другая выполнена заодно с нижней крышкой, отличающийся тем, что к основному цилиндру присоединен дополнительный цилиндр с днищем, закрытый сверху крышкой, внутри дополнительного цилиндра размещен поршень с нижним центральным упором и с уплотнительной манжетой, поршень прижат центральным упором к днищу дополнительного цилиндра пружиной, установленной в верхней надпоршневой его полости, которая соединена с источником сжатого газа, а нижняя подпоршневая полость дополнительного цилиндра соединена с бесштоковой заполненной жидкостью полостью основного цилиндра регулятором, который снабжен шариковым клапаном, обеспечивающим открытие отверстия с большим проходным сечением при перетекании жидкости из бесштоковой полости основного цилиндра в нижнюю подпоршневую полость дополнительного цилиндра с малым сопротивлением и открытие отверстия с малым проходным сечением при протекании жидкости в обратном направлении с большим сопротивлением, причем штоковая и бесштоковая полости основного цилиндра заполнены каждая жидкостью таким образом, что ход поршня вверх и вниз от среднего положения до полного вытеснения газа из указанных выше полостей выбран в пределах (0,9-1,0) _в от наиболее вероятного значения амплитуды его колебания А_в в работе.

РИСУНКИ

Рисунок 1