Пермский государственный университет (г. Пермь)

Е.Ф. Набоков, Ф.В. Набоков

Пермский государственный университет (г. Пермь)

СИНТЕЗ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ТОРМОЗНЫХ УСТРОЙСТВ

С ДРОССЕЛЬНЫМ РЕГУЛИРОВАНИЕМ, ИНВАРИАНТНЫХ

К КОЛЕБАНИЯМ ТЕМПЕРАТУРЫ РАБОЧЕЙ ЖИДКОСТИ

В различных областях техники для гашения скорости и амортизации удара движущихся масс на всем пути или в конце движения широко применяются гидравлические тормозные устройства (ГТУ) – гидроамортизаторы, гидротормозы, гидробуферы с переменным дросселем. Переменный дроссель в таких устройствах образован профилированной деталью, сопрягаемой с поверхностью другой, и имеет переменную площадь дросселирующих (регулирующих) отверстий, зависящую от взаимного положения пути торможения деталей дросселя при амортизации [1].

Торможение движущихся масс ГТУ обусловлено возникновением гидросопротивления течению жидкости через регулирующие отверстия с непрерывным изменением площади дросселя.

Существующие конструкции большинства ГТУ с переменным дросселем, работающих в широком интервале температур, имеют существенный недостаток: чувствительность характеристик – силы торможения, скорости поршня и хода амортизации – к колебаниям температуры рабочей жидкости и соответствующему изменению ее вязкости и плотности, что приводит к нестабильности работы ГТУ и связанных с ними устройств и машин.

В поглощающих (тормозных) аппаратах и амортизаторах, использующих в качестве рабочего тела объемно-сжимаемый высоковязкий полимер (эластомер), дополнительным фактором, зависящим от колебаний температуры, является сжимаемость рабочего тела. В этих амортизационных устройствах эластомер, обладая значительной вязкостью, может одновременно выполнять функцию упругого демпфирующего элемента. Сжимаемость материала в замкнутом объеме достигает 15-20 % при давлениях 250–500 МПа [2].

Существуют различные способы стабилизации гидросопротивления потоку жидкости в гидротормозах с дроссельным регулированием, основанные на поиске и применении таких конструктивных решений гидравлических устройств, которые могли бы компенсировать влияние изменения физических свойств жидкости автоматически изменением условий ее истечения.

Стабилизация гидросопротивления потоку жидкости в гидротормозах и амортизаторах при изменении температуры жидкости может быть достигнута, например, путем:

– изменения площади регулирующих отверстий в зависимости от температуры жидкости;

– применения специальных конструкций (устройств) для стабилизации вязкости или температуры рабочей жидкости (например, по способу патента [6]);

– применения жидкости, вязкость которой изменяется незначительно в рабочем диапазоне температур функционирования системы.

К таким относится, например, рабочая жидкость фирмы “Aros Hydraulik”, являющейся основой в области устройств нового типа, названных Pastenhydraulik [10]. Эта рабочая жидкость представляет собой высоковязкую пастообразную дисперсию Compensol, созданной на базе синтетических масел и специальных наполнителей и отличающейся постоянством вязкости в широком диапазоне температур.

Фирмой “General Atomics” (США) исследуется применение электро-реологической жидкости (ЭРЖ) в военной технике для регулирования пути торможения движущихся масс [12].

Эксплуатационные характеристики ЭРЖ можно изменять в зависимости от подводимой электроэнергии. При использовании микропроцессора в системе регулирования открывается возможность применять упрощенное программирование для управления гидравлическими характеристиками ЭРЖ.

Другим вариантом управления вязкостью рабочей жидкости в гидроамортизаторах и тормозах является использование магнитной жидкости[*]. Эти разработки планируется внедрить в автомобилях. С помощью магнитного поля вязкость жидкости меняется в очень широких пределах. Магнитное поле создается обмоткой, находящейся внутри поршня амортизатора. Магнитные частицы в жидкости выстраиваются вдоль силовых линий магнита, изменяя вязкость жидкости. Управляет этим процессом бортовой компьютер через датчики, встроенные в амортизатор.

Одним из способов управления давлением в рабочей полости гидротормоза и, соответственно, силой сопротивления торможению является применение следящего привода с управлением с помощью микропроцессора размерами проходных отверстий для пробрызгивания рабочей жидкости в зависимости от текущего давления, фиксируемого через соответствующие датчики [11].

Эта концепция регулирования потока жидкости микропроцессором с помощью сервоклапана с обратной связью для обеспечения оптимального рассеивания энергии удара активно прорабатывается в некоторых областях техники.

Наиболее прост и перспективен в настоящее время первый путь, который рассмотрим подробнее. Изменение площади регулирующих отверстий от температуры жидкости возможно в гидротормозе следующими способами:

1) за счет температурного изменения линейных размеров (диаметра) регулирующего кольца [5] (регулирующего устройства [7, 9, 10, 11]), при изготовлении которого применяется специальный сплав или материал с повышенным коэффициентом теплового линейного расширения;

2) путем изменения площади дополнительных отверстий при вращении регулирующих деталей дросселя относительно друг друга под действием изменения объема рабочей жидкости при колебаниях температуры [8];

3) посредством автоматического перемещения регулирующих деталей переменного дросселя относительно друг друга под действием изменения объема рабочей жидкости из-за теплового расширения [3];

4) то же за счет перемещения регулирующих деталей переменного дросселя, но под действием изменения объема или линейного расширения специального материала или устройства, обладающим коэффициентом теплового объемного расширения, близким к коэффициентам для жидкости [4].

При первом и втором способах площадь истечения при изменении температуры жидкости меняется на постоянную величину на всем пути торможения, что не позволяет существенно уменьшить разброс сил сопротивления торможению и, соответственно, снизить уровень сил.

Эффективнее применение конструкций с перемещающимися в продольном направлении регулирующими деталями относительно друг друга при изменении температуры жидкости. В этом случае путем выбора оптимального профиля профилированной детали в переменном дросселе и величины перемещения её в зависимости от температуры жидкости можно добиться ощутимого снижения уровня сил и стабилизировать путь торможения.

Заслуживает внимания и может найти широкое применение в конструкциях гидроамортизаторов способ изменения площади регулирующих отверстий от температуры жидкости под действием изменения объёма рабочей жидкости, как самый простой и доступный.

При этом способе стабилизации силы сопротивления торможению используются и компенсируют друг друга два физических явления, нежелательных при функционировании гидравлических тормозных устройств: изменение вязкости и изменение объема жидкости при колебаниях температуры.

Эффект достигается при закреплении регулирующей детали на подвижном узле, перемещающемся при изменении объема жидкости от температуры.

Этот способ стабилизации гидросопротивления при колебаниях температуры рабочей жидкости применен в гидравлическом тормозном устройстве по а.с. 1812856 [3].

Тормозное устройство (рис. 1) содержит цилиндр 1, заполненный жидкостью, поршень 5 с полым штоком 6. Внутри штока расположен плавающий поршень 7, разделяющий полость штока на две части, одна из которых заполнена жидкостью, а другая – упругим рабочим телом (например, газом). К плавающему поршню прикреплена профилированная игла 4, которая проходит через дроссельное отверстие 8 в поршне. В рабочей полости цилиндра установлен стакан 3, в которой подвижно размещен свободный конец иглы. Полость стакана каналами 2, 9 соединена с одной заполненных жидкостью полостей тормозного устройства. Сам стакан закреплен или на цилиндре или на поршне.

Торможение тела при ударе, связанного или с цилиндром или со штоком, осуществляется силой, возникающей при дросселировании рабочей жидкости через дроссельное отверстие между поршнем и профилированной иглой.

При нагреве жидкость в цилиндре, расширяясь, из рабочей полости проходит в полость штока и перемещает плавающий поршень. При этом уменьшается площадь кольцевого дроссельного отверстия между иглой и поршнем на всем пути торможения.

При охлаждении жидкости в цилиндре ее объем уменьшается, а плавающий поршень с иглой под действием сжатого газа в полости штока перемещается в направлении стакана. При этом кольцевой дроссельный зазор увеличивается, компенсируя тем самым повышенную вязкость жидкости и увеличение коэффициента гидравлического сопротивления потоку жидкости через кольцевой дросселирующий зазор.

Стакан, в который входит свободный конец иглы, служит для устранения дополнительных сил давления на конец иглы во время удара.

С целью повышения надежности работы гидротормоза в устройстве для перемещения деталей переменного дросселя предлагается применять термочувствительные элементы.

Варианты конструкций гидроамортизаторов с терморегулированием гидравлической силы торможения даны в патенте на полезную модель [4]. В этих конструкциях (рис. 2–5) переменный по пути торможения дроссель, который образован, по крайней мере, двумя деталями, меняет переменную площадь дросселирующего отверстия не только от пути торможения, но и от температуры рабочей жидкости. Изменение площади дросселирующих отверстий при изменении температуры жидкости происходит с помощью устройства (привода) для продольного перемещения деталей дросселя относительно друг друга в зависимости от температуры жидкости. Это устройство может быть выполнено в виде термочувствительных элементов.

Рис. 1. Тормозное устройство по [3]:

1 – цилиндр; 2, 9 – каналы (дроссели); 3 – стакан; 4 – игла; 5 – поршень, 6 – шток,
7 – плавающий поршень; 8 – дроссельное отверстие.

Рис. 2. Амортизатор по [4] (вариант):

1 – цилиндр; 2 – игла; 3 – поршень; 4 – шток; 5 – термочувствительные элементы;
6 – пружина.

	а)
	б)

Рис. 3. Гидротормоз по [4] (варианты):
а) с гильзой с продольными пазами; б) с дроссельными отверстиями в гильзе
1 – цилиндр; 2 – термочувствительные элементы; 3 – дроссель; 4 – гильза; 5 – поршень;
6 – продольные пазы; 7 – шток; 8 – пружина; 9 – дроссельные отверстия.

Рис. 4. Гидроамортизатор по [4] (вариант):
1 – цилиндр; 2 – дроссель; 3 – пружина; 4 – поршень; 5 – канавки;
6 – термочувствительные элементы; 7 – шток.

Рис. 5. Гидроамортизатор по [4] (вариант):

1 – цилиндр; 2 – игла; 3 – регулирующее кольцо; 4 – поршень; 5 – дроссели;
6 – шток; 7 – термочувствительные элементы; 8 – дроссельное отверстие.

Термочувствительные элементы могут быть изготовлены, например, из термобиметаллов или из сплавов с эффектом памяти формы. При этом каждый элемент из сплава с эффектом памяти формы имеет свою термомеханическую память, находящуюся в диапазоне изменения температуры жидкости при работе амортизатора, а все элементы в своей совокупности охватывают указанный диапазон.

Для разгрузки термочувствительных элементов от усилий, действующих при амортизации, подвижные при колебаниях температуры детали дросселя могут быть связаны с гидродемпфером, предотвращающим при амортизации продольные колебания этих деталей.

Выполнение термочувствительных элементов из термобиметаллов позволяет плавно и непрерывно изменять в зависимости от температуры положение деталей дросселя относительно друг друга.

Термочувствительные элементы из сплавов с памятью формы под воздействием температуры деформируются скачкообразно (в очень узком диапазоне температур) при восстановлении своей исходной формы. При этом подразумевается, что элементы изготовлены из сплавов, например, из нитинола, обладающим обратным эффектом памяти формы, когда термоэлемент самопроизвольно изменяет форму при нагреве или охлаждении.

Поэтому при применении их в амортизаторах, для более или менее равномерного перемещения деталей дросселя относительно друг друга, в приводе размещается набор термочувствительных элементов, каждый из которых обладает собственной термомеханической памятью.

На рис. 2 изображен вариант исполнения гидравлического амортизатора с дроссельным устройством, выполненным в виде подвижного игольчатого дросселя. На рис. 3,а, б – варианты амортизатора (гидротормоза) с подвижной частью дросселя – гильзой цилиндра с выполненными дросселирующими отверстиями либо в виде сквозных пазов переменной ширины в гильзе, либо в виде ряда отверстий, выполненных в гильзе по длине; на рис. 4 – вариант амортизатора с дросселем, образованным поршнем и цилиндром с канавками переменной глубины на внутренней поверхности, причем поршень на штоке выполнен подвижным; на рис. 5 – вариант амортизатора с игольчатым дросселем, в котором второй элемент – регулирующее кольцо – выполнен с возможностью перемещения относительно поршня при изменении температуры.

В вариантах амортизатора, приведенных на рис. 3–5 подвижная при колебаниях температуры жидкости деталь дросселя связана с гидродемпфером или образует его с другими деталями амортизатора.

В варианте амортизатора с игольчатым дросселем (рис. 2) термочувствительные элементы между дном цилиндра и иглой расположены таким образом, что они образуют между собой дополнительные гидравлические полости, соединяющиеся через зазоры с поршневой полостью. Тем самым они образуют гидравлический демпфер для игольчатого стержня, препятствуют произвольному перемещению иглы при амортизации, и разгружают термочувствительные элементы от повышенных нагрузок.

Новый способ стабилизации характеристик гидравлических тормозных устройств при колебаниях температуры рабочей жидкости, основанный на продольном перемещении деталей переменного дросселя относительно друг друга, ведущем, соответственно, к изменению площади регулирующих отверстий в зависимости от температуры жидкости проиллюстрируем примером.

На рис. 6 и 7 приведены результаты синтеза гидротормоза с неподвижной и плавающей профилированной деталью переменного дросселя. При этом принималось изменение температуры рабочей жидкости от - 40 до 50 . В гидротормозе с неподвижной профилированной деталью максимальное значение приведенной силы сопротивления торможению при увеличилось приблизительно на 100 кН (30%) по сравнению со случаем торможения тела при . Для гидротормоза с плавающей профилированной деталью переменного дросселя увеличение практически не произошло. Кроме того, разброс пути торможения снижен

с 7...10% до 1...3%.

Рис. 6. Изменение площади регулирующих отверстий по длине профилированной детали переменного дросселя:

1 – с подвижной деталью; 2 – с неподвижной деталью.

Рис. 7. Изменение сил сопротивления торможению:

1 – с подвижной деталью переменного дросселя;
2 – с неподвижной деталью

ЛИТЕРАТУРА

1. Филипов И.Б. Тормозные устройства пневмоприводов. Л.: Машиностроение, 1987. 143 с.

2. Болдырев А.П., Кеглин Б.Г. Расчет и проектирование амортизаторов удара подвижного состава. М.: Машиностроение – 1, 2004. 199 с.

3. А. с. 1812856 СССР, МКИ F16F9/06. Тормозное устройство /Ф.В. Набоков – № 3196330, заявлено 21.03.1988. Опубл. 10.12.1995. Бюл. № 34.

4. Пат. на полезную модель 69948 РФ, МПК F16F 9/52. Гидравлический амортизатор /Набоков Ф.В., Хоменок В.Р., Набоков Е.Ф. - Заявка № 2006110464 от 31.03.2006; Опубл. 10.01.2008. Бюл. № 1.

5. Заявка 2932245 ФРГ, МКИ F 16 F9/52. Гидравлический демпфер с температурной компенсацией. Заявлено 9.08.79. Опубл. 26.02.81.

6. Заявка 3028997 ФРГ, МКИ F 41 F19/02 Гидроаппарат для стабилизации вязкости или температуры рабочей жидкости / Sandau H. № РЗ02899.5; Заявлено 31.07.80. Опубл. 04.03.1982.

7.Заявка 60-8538 Япония, МКИ F16F9/52. Гидравлический амортизатор с механизмом температурной компенсации /Синодзаки С., Накаяма М. – № 58-11492; заявка 25.06.83. Опубл. 17.01.1985.

8. А. с. 1280238 СССР, МКИ F16F9/06. Амортизатор /Фокин Ю.И., Новиков В.Г., Воробьев В.И. – № 3857728/25-28; заявлено 22.02.1985, Опубликовано 30.12.1986 БИ, № 48.

9. H o f f m a n W., H e s s e K. Digital Simulation desdynamischen Verhaltens hydraulischer Garate //Olhudraul. und Pheum., 1980, v.24, № 3, p.159-160, 163-166.

10. R o s l e r H. Dichtungen fur die «Pastenhudraulik» //Olhudraulik und Pneumatik. 1987, 31, № 2, 124-126, 71.

11. Neuartig Stoss-und Schwingunsdampfer //Olhudraulik und Pneumatik. – 1985. – 29. – № 6. – s.482.

12. Jane`s International Defense Review. – 1996.-Vol.29, N 10. –pp.71-77.

13. Заявка 3328347 ФРГ, МКИ F16F9/52. Schwingungsdamfer oder Federbein mit Temperaturkompensation. /Wossner F. – Гидравлический демпфер с температурной компенсацией – № Р3328347; Заявлено 05.08.83. Опубликовано 14.02.85.

[*] Журнал «Всё ясно»/2006, № 11, с. 14

Дата добавления: 2015-08-28