Кольцевая пружина

Изобретение относится к пружинам сжатия. Сущность изобретения заключается в том, что кольцевая пружина состоит из чередующихся и опирающихся друг на друга стальных колец. Кольца соединены по парам. В каждой паре одно из колец выполнено из непружинной стали с наружным коническим выступом, а второе кольцо - разрезным из пружинной стали с внутренним коническим углублением. Техническим результатом является повышение эффективности и надежности работы кольцевой пружины в устройствах с ограниченными концентрично размещенными диаметральными размерами. 4 ил.

 

Изобретение относится к пружинам сжатия, устанавливаемым в устройствах с ограниченными концентрично размещенными диаметральными размерами, например в пакерно-якорном оборудовании, применяемом в скважинах нефтегазодобывающей промышленности. Возможно применение предложенной пружины в других областях машиностроения.

Известны цилиндрические винтовые пружины сжатия [Унифицированные пружины сжатия. Справочник. Москва, Металлургия, 1982].

Эти пружины используются в различных клапанных и запорных устройствах, а также в амортизаторах и обеспечивают большую деформацию. Однако использование их для создания значительных усилий (0,5-10 тонн) в устройствах с небольшими диаметральными размерами ограничено.

Известны пружины тарельчатые (Общие технические условия ГОСТ 3057-90. Издание официальное. Государственный комитет по управлению качеством и продукции и стандартизации. Издательство стандартов, 1990). Для получения нужного осевого перемещения и усилия эти пружины используются в виде секции, по две и более тарелок в каждой секции. Указанные пружины обеспечивают небольшую деформацию, и для получения значительного осевого перемещения (10-20 мм) необходимо монтировать в устройстве большое количество этих пружин.

Кроме того, согласно ГОСТ 3057-90 ширина изгибающей металлической части тарельчатой пружины, т.е. размер между наружной и внутренней кромками, имеет значительную величину. Поэтому монтаж этих пружин в устройствах, имеющих небольшие диаметральные размеры, например в скважинном оборудовании между концентрично размещенными деталями, ограничен. Изготовление тарельчатых пружин технологически трудоемко и сложно.

Известны прорезные пружины, которые используются как пружины сжатия и пружины растяжения (Справочник машиностроителя: В шести томах, том 4, книга II, МАШГИЗ, Москва, 1963, стр.736). Эти пружины имеют сравнительно небольшую толщину металлической части и могут быть вмонтированы в небольшой зазор между концентрично размещенными деталями. Однако эти пружины относятся к классам жестких пружин, и для обеспечения значительного осевого перемещения (10-20 мм) необходимо установить эту пружину большей длины, что усложняет конструкцию. Кроме того, ввиду их конструктивной особенности, этими пружинами трудно обеспечить регулируемую деформацию с мягкой характеристикой.

Известны кольцевые (клинчатые) пружины, состоящие из цельных стальных колец, опирающихся друг на друга своими конусными поверхностями (Справочник машиностроителя: В шести томах, том 4, книга II, МАШГИЗ, Москва, 1963, стр.738).

При создании осевой сжимающей нагрузки на пружину кольца взаимодействуют друг с другом своими коническими поверхностями. При этом наружные кольца растягиваются, а внутренние сжимаются. В результате кольца вдвигаются друг в друга, и общая высота пружины уменьшается.

Эти пружины относятся к классам жестких пружин и используются как буферные амортизаторы в тяжеловесном подвижном железнодорожном составе, в шасси самолетов и т.д. и рассчитаны для восприятия больших нагрузок, исчисляемых несколькими десятками и сотнями тонн. Однако с помощью кольцевых пружин трудно обеспечить регулируемую деформацию с усилиями, например, 0,5-10 тонн. Поэтому применение этих пружин в устройствах с ограниченными диаметральными размерами с регулируемой и плавно меняющейся деформацией затруднено.

Цель изобретения - повышение эффективности и надежности работы кольцевой пружины в устройствах с ограниченными концентрично размещенными диаметральными размерами.

Указанная цель достигается тем, что в кольцевой пружине, состоящей из чередующихся и опирающихся друг на друга стальных колец, кольца соединены по парам, в каждой из которых одно из колец выполнено разрезным из пружинной стали, а второе кольцо из непружинной стали.

По варианту 1 в кольцевой пружине, состоящей из опирающихся друг на друга парных стальных колец, в каждой паре одно из колец выполнено с наружным коническим выступом из непружинной стали, а второе - с внутренним коническим углублением разрезным из пружинной стали.

Причем по обоим вариантам все кольца пружин выполнены с углом конусности больше угла трения.

На фиг.1 изображена кольцевая пружина в исходном положении;

На фиг.2 - вид сверху разрезного кольца из фиг.1;

На фиг.3 изображена кольцевая пружина по варианту 2 в исходном положении;

На фиг.4 - вид сверху разрезного кольца с внутренним коническим углублением из фиг.3.

Заявляемая кольцевая пружина (см. фиг.1) состоит из чередующихся и опирающихся друг на друга стальных колец 1 и 2. При этом кольцо 1 выполнено из непружинной стали, а кольцо 2 имеет имеет разрез 3 и выполнено из пружинной стали (см. фиг.2).

Заявляемая кольцевая пружина по варианту 1 (см. фиг.3) состоит из опирающихся друг на друга парных стальных колец (1 и 2), в каждой паре из которых одно кольцо (1) выполнено с наружным коническим выступом из непружинной стали, а второе кольцо (2) - с внутренним коническим углублением, имеющим разрез 5, из пружинной стали (см. фиг.4).

Основное отличие предложенной конструкции пружин от прототипа:

1. Кольца соединены по парам - в прототипе чередование одинаковых по форме колец.

2. В каждой из пар одно кольцо выполнено разрезным из пружинной стали, а второе кольцо - из непружинной стали. В прототипе все кольца одинаковы.

По варианту 1 предложенной конструкции пружин основным отличием от прототипа является также, что кольца соединены по парам и в каждой паре одно из колец выполнено с наружным коническим выступом из непружинной стали, а второе кольцо выполнено с внутренним коническим углублением разрезным из пружинной стали.

Действие осевого сжимающего усилия воспринимают упругие разрезные кольца 2 по обоим торцам через внутренние конические поверхности. При определенном заранее отрегулированном значении осевого усилия разрезные упругие кольца 2 раскрываются в радиальном направлении и начинают перемещаться относительно друг друга, скользя вокруг цельных колец 1. В результате высота пружины уменьшается.

Угол конусности χ для всех колец пружин по обоим вариантам выполнен больше угла трения ς, который вычисляется в зависимости от марки материалов, применяемых для изготовления колец, и соответствующего им коэффициента трения.

Если принять коэффициент трения в пределах ƒ=0,1˜0,15, то tg ς=0,1˜0,15, угол будет равен ς=5°43'˜8°32' (Справочник конструктора машиностроителя. Том 1, стр.75, том 2, стр.777, М., «Машиностроение», 2001). При таком условии радиальная деформация разрезных колец 2 осуществляется в пределах упругой деформации для данной выбранной марки листовой стали.

Поэтому после снятия сжимающего усилия разрезные кольца 2 снова сужаются до прежнего размера, и пружина возвращается в исходное положение.

При таком конструктивном исполнении обеспечивается значительная деформация пружины с гибкой характеристикой и минимальными размерами по длине.

Для тех случаев, когда требуется создание пружиной более повышенных усилий сжатия и с той же значительной деформацией и мягкой регулируемой характеристикой, предлагается кольцевая пружина, состоящая из опирающихся друг на друга парных стальных колец 1 и 2 (см. фиг.3 и фиг.4). В этом варианте одно из колец в каждой паре кольцевой пружины выполнено с наружным коническим выступом 3 из непружинной стали, а второе - с внутренним коническим углублением 4 из пружинной стали и имеет радиальный разрез 5.

При таком конструктивном выполнении увеличивается поперечное сечение колец и, следовательно, усилие пружины.

В процессе работы при определенном значении сжимающего усилия на пружину, преодолевая упругие силы разрезного кольца 2 и силы трения на горизонтальных и конических поверхностях соприкосновения колец 1 и 2, цельные кольца 1 перемещаются вовнутрь разрезных пружинных колец 2, раскрывая их в радиальном направлении и уменьшая высоту кольцевой пружины.

В этом варианте угол конусности χ также выполнен больше угла трения ς. После снятия сжимающего усилия на пружину под действием упругих сил разрезные кольца 2 сужаются радиально до исходного положения, и пружина принимает первоначальную высоту.

В отличие от прототипа, при изготовлении предложенных конструкций пружин используется более простая технология и не требуется соблюдения точно подогнанных (до микрона) сопрягаемых размеров.

Увеличивая или уменьшая количество парных колец, а также высоту упругих разрезных колец, если возможно, и их ширину и угол конусности, подбирают необходимую оптимальную характеристику пружины.

Экономический эффект от применения предложенных вариантов пружин достигается за счет повышения эффективности и надежности их работы в концентрично размещенных устройствах с ограниченными диаметральными размерами, например в пакерно-якорном оборудовании, применяемом в скважинах нефтегазодобывающей промышленности.

Кольцевая пружина, состоящая из чередующихся и опирающихся друг на друга стальных колец, отличающаяся тем, что кольца соединены по парам и в каждой паре одно из колец выполнено из непружинной стали с наружным коническим выступом, а второе кольцо - разрезным из пружинной стали с внутренним коническим углублением.