ПНЕВМАТИЧЕСКИЙ УПРУГИЙ ЭЛЕМЕНТ

Название	ПНЕВМАТИЧЕСКИЙ УПРУГИЙ ЭЛЕМЕНТ
Разработчик (Авторы)	Хамитов Рустам Нуриманович , Аверьянов Геннадий Сергеевич, Зелов Дмитрий Федорович, Рощупкин Дмитрий Сергеевич, Макаренко Николай Григорьевич
Вид объекта патентного права	Полезная модель
Регистрационный номер	96196
Дата регистрации	29.03.2010
Правообладатель	ОАО "Научно-исследовательский институт технологии, контроля и диагностики железнодорожного транспорта" (ОАО "НИИТКД"), Рубежанский Петр Николаевич
Область применения (класс МПК)	F16F 9/04 (2006.01)

Описание изобретения

Полезная модель относится к амортизационным устройствам, в частности с использованием газа в камерах с эластичными стенками.

Известно устройство пневматической подвески (а.с. №842295, М. кл. F16F 9/04), содержащее резинокордную оболочку с крышкой, образующие основную рабочую полость, дополнительную емкость, установленную соосно и внутри основной рабочей полости, расположенную между ними перегородку, на которой жестко закреплено клапанное цилиндрическое устройство со штоком. Клапанное устройство приводится в действие штоком при непосредственном воздействии на него крышки, жестко перемещающейся вместе с амортизируемым объектом. В перегородке расположено калиброванное отверстие для перетекания газа в процессе работы. Основной и дополнительный упругие элементы пневматической подвески установлены между подрессоренной и неподрессоренной массами амортизируемого объекта.

Основным недостатком устройства является нестабильность демпфирующих свойств подвески и низкая эффективность диссипации энергии колебаний объекта.

Известен также пневматический упругий элемент, описанный в заявке на выдачу патента на изобретение №2008119890 РФ, М. кл. F16F 9/04, (прототип), содержащий резинокордную оболочку, рабочую и дополнительную емкости и расположенную между ними перегородку, причем рабочая и дополнительная емкости заключены в нижний цилиндрический стакан с отверстием на верхнем торце стакана, а на верхнем торце дополнительной емкости соосно последней установлен вспомогательный упругий элемент, содержащий вспомогательную резинокордную оболочку, вспомогательные рабочую и дополнительную емкости и расположенную между ними вспомогательную перегородку, вспомогательная рабочая емкость помещена в верхний цилиндрический стакан, жестко закрепленный на верхнем торце нижнего цилиндрического стакана, вспомогательная дополнительная емкость расположена в отверстии верхнего торца нижнего цилиндрического стакана, причем дополнительная емкость жестко соединена своим верхним торцом с основанием вспомогательной дополнительной емкости и со стойками, проходящими через направляющие отверстия верхнего торца нижнего цилиндрического стакана и связывающими амортизируемый объект с пневматическим упругим элементом, согласно полезной модели, на перегородке жестко закреплен первый цилиндр с центральным осевым отверстием, внутри полости первого цилиндра установлен первый запорный электромагнитный клапан, перекрываемый на ходе отбоя, а на вспомогательной перегородке жестко закреплен второй цилиндр с центральным осевым отверстием, внутри полости второго цилиндра установлен второй запорный электромагнитный клапан, перекрываемый на ходе сжатия, причем оба запорных электромагнитных клапана подключены к системе управления клапанами.

Система управления клапанами содержит преобразователь перемещения объекта, формирователь сигнала скорости объекта, блок разделения управления, блоки управления ключами, силовые ключи для подключения обмоток электромагнитов запорных клапанов к источнику питания, причем преобразователь перемещения объекта соединен с формирователем сигнала скорости объекта, который соединен с блоком разделения управления, его выходы соединены с входами блоков управления силовыми ключами, а выходы этих блоков соединены с управляющими входами силовых ключей.

Основным недостатком устройства является то, что при больших амплитудах колебаний с высокой частотой амортизируемого объекта происходит аккумулирование массы газа в дополнительных объемах упругих элементов и снижение демпфирующих свойств устройства вследствие инерционности процессов перетекания массы газа через клапана.

Задача полезной модели состоит в увеличении демпфирующих свойств пневматического упругого элемента.

Поставленная задача достигается тем, что в известном пневматическом упругом элементе, содержащем основной упругий элемент, состоящий из резинокордной оболочки, рабочей емкости, дополнительной емкости, перегородки между ними с отверстием, связывающим обе емкости, с установленным в нем первым электромагнитным клапаном, с возможностью перекрытия на ходе отбоя, и вспомогательный упругий элемент, состоящий из вспомогательной резинокордной оболочки, вспомогательной рабочей емкости, вспомогательной дополнительной емкости, вспомогательной перегородки между ними с отверстием, связывающим обе вспомогательные емкости, с установленным в нем вторым электромагнитным клапаном, с возможностью перекрытия на ходе сжатия, причем основной упругий элемент заключен в нижний цилиндрический стакан с отверстием на верхнем торце стакана, а на верхнем торце дополнительной емкости соосно последней установлен вспомогательный упругий элемент, вспомогательная рабочая емкость помещена в верхний цилиндрический стакан, жестко закрепленный на верхнем торце нижнего цилиндрического стакана, вспомогательная дополнительная емкость расположена в отверстии верхнего торца нижнего цилиндрического стакана, причем дополнительная емкость жестко соединена своим верхним торцом с основанием вспомогательной дополнительной емкости и со стойками, проходящими через направляющие отверстия верхнего торца нижнего цилиндрического стакана и связывающими амортизируемый объект с пневматическим упругим элементом, а оба электромагнитных клапана подключены к системе управления, согласно полезной модели, на дне вспомогательной дополнительной емкости размещен динамический гаситель колебаний, включающий электродвигатель, имеющий на валу барабан с намотанным на него тросом, устройство натяга троса, размещенное во вспомогательной дополнительной емкости на вспомогательной перегородке, причем один конец троса закреплен в устройстве натяга троса, второй конец троса - проходит через соосные отверстия с уплотнениями в основании вспомогательной дополнительной емкости, на верхнем торце дополнительной емкости, в перегородке и закреплен на дне рабочей емкости, а электродвигатель подсоединен к системе управления. Устройство натяга троса содержит цилиндрический корпус, размещенную в нем пружину и фиксатор конца троса. Основной упругий элемент и вспомогательный упругий элемент могут быть выполнены несоосно относительно друг друга.

Электродвигатель может быть асинхронным, в этом случае система управления содержит соединенные последовательно преобразователь перемещения объекта, формирователь сигнала скорости объекта, блок разделения сигнала управления, а также два блока управления ключами, силовые ключи для подключения обмоток электромагнитов клапанов к источнику питания, формирователь трехфазного напряжения, силовой коммутатор, причем выходы блока разделения сигнала управления соединены с входами обоих блоков управления ключами, с формирователем трехфазного напряжения и входом управления силового коммутатора, выходы блоков управления ключами соединены с управляющими входами силовых ключей, а выходы формирователя трехфазного напряжения соединены с силовыми входами силового коммутатора, силовые выходы которого соединены со статорными обмотками асинхронного электродвигателя.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где

- на фиг.1 представлена конструктивная схема;

- на фиг.2 представлена система управления.

Пневматический упругий элемент содержит основной упругий элемент 1, состоящий из резинокордной оболочки 2, рабочей емкости 3, дополнительной емкости 4, перегородки 5 между ними с отверстием и установленным в нем первым электромагнитным клапаном 6, и вспомогательный упругий элемент 7, состоящий из вспомогательной резинокордной оболочки 8, вспомогательной рабочей емкости 9, вспомогательной дополнительной емкости 10, вспомогательной перегородки 11 между ними с отверстием и установленным в нем вторым электромагнитным клапаном 12. Основной упругий элемент 1 заключен в нижний цилиндрический стакан 13 с отверстием 14 на верхнем торце 15 стакана. На верхнем торце 16 дополнительной емкости 4 соосно последней установлен вспомогательный упругий элемент 7, вспомогательная рабочая емкость 9 помещена в верхний цилиндрический стакан 17, жестко закрепленный на верхнем торце 15 нижнего цилиндрического стакана 13. Вспомогательная дополнительная емкость 10 расположена в отверстии 14 верхнего торца 15 нижнего цилиндрического стакана 13, причем дополнительная емкость 4 жестко соединена своим верхним торцом 16 с основанием 18 вспомогательной дополнительной емкости 10 и со стойками 19, проходящими через направляющие отверстия 20 верхнего торца 15 нижнего цилиндрического стакана 13 и связывающими амортизируемый объект с пневматическим упругим элементом. Оба электромагнитных клапана 6 и 12 подключены к системе управления 21. На дне вспомогательной дополнительной емкости 10 размещен электродвигатель 22, имеющий на валу 23 барабан 24 с намотанным на него тросом 25.

Устройство натяга троса 26 размещено во вспомогательной дополнительной емкости 10 на вспомогательной перегородке 11. Один конец троса 25 закреплен в устройстве натяга троса 26, второй конец троса 25 - проходит через соосные отверстия 27 с уплотнениями в основании 18 вспомогательной дополнительной емкости 10, на верхнем торце 16 дополнительной емкости 4, через отверстие 28 с уплотнением в перегородке 5 и закреплен на дне рабочей емкости 3 с помощью узла крепления троса 29. Устройство натяга троса 26 содержит цилиндрический корпус 30, размещенную в нем пружину 31 и фиксатор конца троса 32. Электродвигатель 22 подсоединен к системе управления 21.

Наиболее предпочтительно использовать в качестве электродвигателя 22 асинхронный электродвигатель, т.к. он наиболее прост по конструкции, по обслуживанию в процессе эксплуатации, наиболее дешевый по стоимости по сравнению с электродвигателями других типов. В этом случае система управления 21 содержит соединенные последовательно преобразователь перемещения объекта 33, формирователь сигнала скорости объекта 34, блок разделения сигнала управления 35, а также два блока управления 36 и 37 ключами, силовые ключи 38 и 39 для подключения обмоток электромагнитов клапанов 6 и 12 к источнику питания, формирователь трехфазного напряжения 40, силовой коммутатор 41. Выходы блока разделения сигнала управления 35 соединены с входами обоих блоков управления 36 и 37 ключами, с формирователем трехфазного напряжения 40 и входом управления силового коммутатора 41. Выходы блоков управления 36 и 37 ключами соединены соответственно с управляющими входами силовых ключей 38 и 39. Выходы формирователя трехфазного напряжения 40 соединены с силовыми входами силового коммутатора 41, силовые выходы которого соединены со статорными обмотками асинхронного электродвигателя 22.

Пневматический упругий элемент работает следующим образом.

В статическом положении устройства и при колебаниях с малой амплитудой сила тяжести амортизируемого объекта уравновешивается только за счет избыточного давления Р_ст сжатого газа в рабочей емкости 3 основного упругого элемента 1, т.е.:

Mg=Р_ст,

где М - масса амортизируемого объекта;

g - ускорение свободного падения тела.

При колебаниях амортизируемого объекта происходит вертикальное смещение дополнительных емкостей 4 и 10 относительно неподвижных нижнего 13 и верхнего 17 цилиндрических стаканов.

При перемещении амортизируемого объекта вниз в процессе его колебательного движения осуществляется ход сжатия для основного упругого элемента 1, при этом система управления 21 включает клапан 6 и давление в емкостях 3 и 4 основного упругого элемента 1 изменяется одинаково. Одновременно происходит ход отбоя для вспомогательного упругого элемента 7, при этом система управления 21 выключает клапан 12. Вспомогательный упругий элемент 7 работает лишь с объемом полости 9.

При этом устройство 26 натяга троса за счет пружины 31 обеспечивает натянутое состояние троса 25, трос 25 сохраняет связь с барабаном 24, перематываясь по нему. Сохранение натяга троса 25 и барабана 24 обеспечивается благодаря необходимому углу охвата барабана 24 тросом 25, определяемому по формуле Эйлера [Путята Т.В., Можаровский Н.С., Соколов Н.Г., Гордийко Ф.П. Прикладная механика. Киев: Вища школа, 1977. - С.422]:

S₁=S₂e^ƒа,

где S₁ - сила натяжения ведущей ветви троса,

S₂ - сила натяжения ведомой ветви троса,

е - основание натуральных логарифмов,

ƒ - коэффициент трения скольжения между тросом и барабаном,

а - угол охвата барабана тросом.

Электродвигатель 22 при этом отключен системой управления 21.

При перемещении амортизируемого объекта вверх в процессе его колебательного движения осуществляется ход отбоя для основного упругого элемента 1, при этом система управления 21 выключает клапан 6. Основной упругий элемент 1 работает лишь с объемом рабочей емкости 3. Одновременно происходит ход сжатия для вспомогательного упругого элемента 7, при этом в начале хода сжатия система управления 21 включает клапан 12 и давление между емкостями 9 и 10 выравнивается и в процессе хода сжатия изменяется одинаково. Также одновременно блок управления 21 через силовой коммутатор 41 подключает к статорным обмоткам электродвигателя 22 формирователь трехфазного напряжения 40. При этом электродвигатель 22 создает крутящий момент, преобразуемый в окружную силу на барабане 24, посредством троса 25, передаваемую на дополнительные емкости 4, 10 и стойки 19 и противодействующую перемещению вверх амортизируемого объекта. Это усиливает демпфирующие свойства устройства. Электромагнитная сила электродвигателя 22 противодействует упругой силе сжатого газа рабочей емкости 3, при этом снижается ход перемещения амортизируемого объекта вверх и энергия колебаний, возвращаемая основным упругим элементом 1 обратно амортизируемому объекту.

При следующем перемещении вниз амортизируемого объекта в начале хода сжатия в основном упругом элементе 1 система управления включает клапан 6 и давление в емкостях 3 и 4 основного упругого элемента 1 выравнивается и далее изменяется одинаково, а для вспомогательного упругого элемента 7 происходит ход отбоя и при этом система управления 21 выключает клапан 12. Вспомогательный упругий элемент 7 работает лишь с объемом полости 9. Электродвигатель 22 при этом отключен системой управления 21.

Система управления 21 работает следующим образом.

При незначительных колебаниях амортизируемого объекта, когда их размах не превышает определенного порогового значения, динамический гаситель колебаний в работе не участвует, в гашении колебаний участвуют только упругие элементы 1 и 7. При значительных колебаниях амортизируемого объекта система управления 21 подключает в работу динамический гаситель колебаний.

Преобразователь перемещения 33 объекта формирует сигнал пропорциональный перемещению амортизируемого объекта. В соответствие с сигналом преобразователя перемещения 33 объекта формирователь сигнала скорости 34 объекта образует разнополярные сигналы, при перемещении объекта вниз формируется сигнал положительной полярности, а при перемещении объекта вверх - сигнал отрицательной полярности. Устройство разделения управления 35 в зависимости от знака сигнала формирует управляющее воздействие на включение электромагнитных клапанов 6 и 12 и на включение формирователя трехфазного напряжения 40, на его подключение через силовой коммутатор 41 к статорным обмоткам электродвигателя 22.

При сжатии газа в основном упругом элементе 1 формирователь сигнала скорости 34 объекта выдает положительный сигнал. Блок разделения управления 35 при сигнале положительной полярности включает блок управления 36 ключом, который подает сигнал на силовой ключ 38, подключающий обмотку электромагнита клапана 6 к источнику питания. При этом электромагнитный клапан 6 открывается и соединяет емкости 3 и 4 основного упругого элемента 1. Также блок разделения управления 35 не включает в работу формирователь трехфазного напряжения 40, статорные обмотки электродвигателя 22 обесточены, электродвигатель 22 не создает крутящего момента на своем валу.

При расширении газа в основном упругом элементе 1 формирователь сигнала скорости 34 объекта выдает отрицательный сигнал. Блок разделения управления 35 при сигнале отрицательной полярности включает блок управления ключом 37, который подает сигнал на силовой ключ 39, подключающий обмотку электромагнита клапана 12 к источнику питания. При этом электромагнитный клапан 12 открывается и соединяет емкости 9 и 10 вспомогательного упругого элемента 7. Одновременно блок разделения управления 35 включает в работу формирователь трехфазного напряжения 40, подключает силовые выходы силового коммутатора 41 к статорным обмоткам электродвигателя 22. При этом электродвигатель 22 создает крутящий момент, преобразуемый в окружную силу на барабане 24, посредством троса 25, передаваемую на дополнительные емкости 4, 10 и стойки 19 и противодействующую перемещению вверх амортизируемого объекта. Это усиливает демпфирующие свойства устройства. Электродвигатель 22 в процессе колебаний амортизируемого объекта работает в повторно-кратковременном режиме.

Предлагаемое устройство обеспечивает увеличение демпфирующих свойств при высокочастотных составляющих внешнего воздействия с большими амплитудами за счет введения в конструкцию устройства динамического гасителя колебаний в виде электродвигателя, работающего в повторно-кратковременном режиме.

Промышленная применимость подтверждается неоднократным тиражированием элементов заявленного устройства.

Формула полезной модели

1. Пневматический упругий элемент, содержащий основной упругий элемент, состоящий из резинокордной оболочки, рабочей емкости, дополнительной емкости, перегородки между ними с отверстием, связывающим обе емкости, с установленным в нем первым электромагнитным клапаном, с возможностью перекрытия на ходе отбоя, и вспомогательный упругий элемент, состоящий из вспомогательной резинокордной оболочки, вспомогательной рабочей емкости, вспомогательной дополнительной емкости, вспомогательной перегородки между ними с отверстием, связывающим обе вспомогательные емкости, с установленным в нем вторым электромагнитным клапаном, с возможностью перекрытия на ходе сжатия, причем основной упругий элемент заключен в нижний цилиндрический стакан с отверстием на верхнем торце стакана, а на верхнем торце дополнительной емкости соосно последней установлен вспомогательный упругий элемент, вспомогательная рабочая емкость помещена в верхний цилиндрический стакан, жестко закрепленный на верхнем торце нижнего цилиндрического стакана, вспомогательная дополнительная емкость расположена в отверстии верхнего торца нижнего цилиндрического стакана, причем дополнительная емкость жестко соединена своим верхним торцом с основанием вспомогательной дополнительной емкости и со стойками, проходящими через направляющие отверстия верхнего торца нижнего цилиндрического стакана и связывающими амортизируемый объект с пневматическим упругим элементом, а оба электромагнитных клапана подключены к системе управления, отличающийся тем, что на дне вспомогательной дополнительной емкости размещен динамический гаситель колебаний, включающий электродвигатель, имеющий на валу барабан с намотанным на него тросом, устройство натяга троса, размещенное во вспомогательной дополнительной емкости на вспомогательной перегородке, причем один конец троса закреплен в устройстве натяга троса, второй конец троса проходит через соосные отверстия с уплотнениями в основании вспомогательной дополнительной емкости, на верхнем торце дополнительной емкости, в перегородке и закреплен на дне рабочей емкости, а электродвигатель снабжен системой управления.

2. Пневматический упругий элемент по п.1, отличающийся тем, что электродвигатель выполнен асинхронным, а система управления содержит соединенные последовательно преобразователь перемещения объекта, формирователь сигнала скорости объекта, блок разделения сигнала управления, а также два блока управления ключами, силовые ключи для подключения обмоток электромагнитов клапанов к источнику питания, формирователь трехфазного напряжения, силовой коммутатор, причем выходы блока разделения сигнала управления соединены с входами обоих блоков управления ключами, с формирователем трехфазного напряжения и входом управления силового коммутатора, выходы блоков управления ключами соединены с управляющими входами силовых ключей, а выходы формирователя трехфазного напряжения соединены с силовыми входами силового коммутатора, силовые выходы которого соединены со статорными обмотками асинхронного электродвигателя.

3. Пневматический упругий элемент по п.1, отличающийся тем, что устройство натяга троса содержит цилиндрический корпус, размещенную в нем пружину и фиксатор конца троса.

Изобретение "ПНЕВМАТИЧЕСКИЙ УПРУГИЙ ЭЛЕМЕНТ" (Хамитов Рустам Нуриманович , Аверьянов Геннадий Сергеевич, Зелов Дмитрий Федорович, Рощупкин Дмитрий Сергеевич, Макаренко Николай Григорьевич) отмечено юбилейной наградой (25 лет Российской Академии Естествознания)
Медаль Альфреда Нобеля

Оформление наградных документов и заказ каталога