RU2105213C1

RU2105213C1 - Shock-absorbing coupler

Info

Publication number: RU2105213C1
Application number: RU95115953A
Authority: RU
Inventors: А.Е. Андреев-Андриевский; Г.А. Смирнов
Original assignee: Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики
Priority date: 1995-09-12
Filing date: 1995-09-12
Publication date: 1998-02-20

Abstract

FIELD: mechanical engineering; machine elements; single-acting shock absorbers with plastically deformable elements; railway transport for securing containers with explosive cargo to reduce probability of explosion in case of collision. SUBSTANCE: shock-absorbing coupler includes plastically deformable element 1 with ears 2 used for securing the element. Element 1 is made in form of at least two lengths of wire twisted together form center in such way that one half of wire length has right-hand twist and other half has left-hand twist. EFFECT: simplified construction; increased rigidity and resistance to deformation at considerable working stroke. 2 dwg

Description

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к деталям машин, а именно к амортизаторам однократного действия с пластически деформируемыми элементами (ПДЭ), и может быть использовано, например на железнодорожном транспорте в креплении контейнеров со взрывоопасными грузами для снижения вероятности взрыва при столкновении поездов в железнодорожной аварии. The invention relates to the field of engineering, in particular to machine parts, namely, single-action shock absorbers with plastically deformable elements (PDE), and can be used, for example, on rail in fastening containers with explosive loads to reduce the likelihood of an explosion in a train collision in a railway accident.

Известно устройство для поглощения растягивающих усилий [1], состоящее из гибкого элемента, пропущенного через изогнутую трубу с криволинейной центральной осью. Труба имеет свободные концевые части, направленные в противоположные стороны, и упруго деформируется так, что препятствует выпрямлению гибкого элемента. A device for absorbing tensile forces [1], consisting of a flexible element passed through a curved pipe with a curved central axis. The pipe has free end parts directed in opposite directions, and is elastically deformed so that it prevents the straightening of the flexible element.

Такое устройство не позволяет амортизировать большие нагрузки, возникающие, например, при резком, ударном торможении транспорта при аварии. В этом устройстве энергия удара поглощается за счет упругой деформации рабочего элемента - трубы, при упругой работе прочностные свойства материала используются лишь в очень малой мере по сравнению с пластическим течением. Such a device does not allow to absorb large loads arising, for example, during a sharp, shock braking of a transport in an accident. In this device, the impact energy is absorbed due to the elastic deformation of the working element - the pipe, with elastic work, the strength properties of the material are used only to a very small extent compared to the plastic flow.

Известен амортизатор, выполненный в виде спиральной пружины [2]. В этом амортизаторе один конец пластически деформируемого элемента (ПДЭ) прикреплен к металлической опоре посредством стяжки. Другой конец прикреплен к ленте, охватывающей трубопровод через промежуточный элемент. При расширении и сжатии амортизатора меняется шаг его витков, и при значительной величине его хода он может перемещаться с минимальным сопротивлением. Known shock absorber made in the form of a spiral spring [2]. In this shock absorber, one end of a plastically deformable element (PDE) is attached to a metal support by means of a coupler. The other end is attached to the tape covering the pipeline through the intermediate element. With the expansion and contraction of the shock absorber, the pitch of its turns changes, and with a significant value of its stroke, it can move with minimal resistance.

Это устройство выбрано за прототип. This device is selected as a prototype.

По существу данное устройство есть обычная пружина, но работающая за пределами упругости. Определим рабочее усилие сопротивления устройства деформированию по отношению к предельному усилию для растягиваемого поперечного сечения. Здесь и далее используются формулы и положения теории пластичности (Н. Н.Малинин. Прикладная теория пластичности и ползучести. - М.: Машиностроение, 1975). Поперечное сечение пружины растяжения-сжатия работает на кручение, предельный момент кручения равен M_к = 0,15 •σ_т• d³ для круглого сечения диаметром d на уровне напряжения текучести σ_т предельное усилие T_к = 2M_к/D = 0,3σ_т•d³/D при диаметре D витков. При растяжении такого же сечения имеем предельное усилие T_к = 0,79•σ_т•d² , или в T_т/T_к=2,6•D/d раз больше. У пружин D/d >> 1, поэтому предельное усилие пружины гораздо меньше предельного усилия при простом растяжении той же проволоки.Essentially, this device is an ordinary spring, but working outside of elasticity. Let us determine the working force of the device’s resistance to deformation with respect to the ultimate force for a stretched cross section. Hereinafter, formulas and propositions of the theory of plasticity are used (N. N. Malinin. Applied theory of plasticity and creep. - M.: Mechanical Engineering, 1975). The cross section of the tension-compression spring works for torsion, the ultimate torsion moment is M _k = 0.15 • σ _t • d ³ for a circular cross section with a diameter d at the level of yield stress σ _t ultimate force T _k = 2M _k / D = 0.3σ _t • d ³ / D with a diameter D of turns. When stretched, the same sections have the utmost effort _to T = 0,79 • σ • d _m ^2, or T _t / T _a = 2,6 • D / d times more. For springs D / d >> 1, therefore, the ultimate spring force is much less than the ultimate force with a simple stretching of the same wire.

Для пружины характерны гораздо большая упругая податливость и гораздо меньшая предельная сила сопротивления по сравнению со случаем растяжения проволоки той же длины, что и пружина. Указанная совокупность свойств может быть полезной при каких-то применениях, но во многих случаях требуется жесткое крепление и большая сила сопротивления деформированию. The spring is characterized by much greater elastic compliance and a much lower ultimate resistance force compared with the case of stretching the wire of the same length as the spring. The specified set of properties may be useful in some applications, but in many cases a rigid fastening and a large force of resistance to deformation are required.

Недостаток устройства-прототипа при использовании в качестве амортизирующей стяжки заключается, таким образом, в том, что оно имеет большую упругую податливость и относительно малое усилие сопротивления при срабатывании, а при необходимости получить большое усилие будут велики габариты и масса. Зато это устройство очень простое по конструкции. The disadvantage of the prototype device when used as a shock-absorbing screed is, therefore, that it has a large elastic compliance and a relatively small resistance force when triggered, and if necessary to obtain a large force, the dimensions and weight will be large. But this device is very simple in design.

Предлагаемое устройство также отличает простота конструкции, но оно обладает большой жесткостью и дает большую силу сопротивления деформированию при значительном рабочем ходе. The proposed device is also distinguished by the simplicity of design, but it has great rigidity and gives a large force of resistance to deformation with a significant working stroke.

В предложенном устройстве амортизирующей стяжки, содержащей ПДЭ с проушинами по концам для его крепления, это достигается тем, что ПДЭ выполнен в виде по крайней мере двух отрезков проволоки, скрученных между собой от середины таким образом, что на одной половине длины проволоки завивка правая, а на другой половине - левая. In the proposed device, a shock-absorbing coupler containing PDE with eyelets at the ends for its fastening, this is achieved by the fact that the PDE is made in the form of at least two pieces of wire twisted from each other from the middle so that the curling is right on one half of the length of the wire, and on the other half is the left.

Сущность изобретения поясняется чертежом и последующим описанием. На фиг. 1 показан общий вид амортизирующей стяжки в исходном состоянии (А), в промежуточном растянутом состоянии (Б) и в предельном состоянии (В) при выбранном ходе, позициями обозначены: 1 - ПДЭ из проволоки, 2 - проушины. The invention is illustrated in the drawing and the following description. In FIG. 1 shows a general view of the shock-absorbing screed in the initial state (A), in the intermediate extended state (B) and in the limiting state (C) for the selected stroke, the positions indicated: 1 - PDE from the wire, 2 - eyes.

Амортизирующая стяжка содержит по крайней мере два проволочных ПДЭ 1, заделанных по концам в проушины 2. Проволока скручена при изготовлении от середины таким образом, что одна половина длины имеет правую завивку, а вторая половина - левую. The shock-absorbing screed contains at least two wire PDE 1, sealed at the ends in the eyes 2. The wire is twisted during manufacture from the middle so that one half of the length has a right curl and the other half is left.

При срабатывании амортизирующей стяжки она растягивается за проушины 2 и угол подъема спирали, по которой завита проволока, возрастает, соответственно уменьшается кривизна спиральной оси проволоки, что приводит к пластическому изгибу. При пластической деформации поглощается энергия удара. When the shock-absorbing screed is triggered, it is stretched over the eyes 2 and the angle of the spiral, along which the wire is curled, increases, respectively, the curvature of the spiral axis of the wire decreases, which leads to plastic bending. During plastic deformation, the impact energy is absorbed.

Технология получения свивки следующая. В исходном состоянии (фиг. 1В) параллельные отрезки проволоки заделаны в проушины. Посередине длины между проволоками вставляется стержень-ворот и проволоки скручиваются до заданного укорочения стяжки. Скручивание должно вестись под некоторой растягивающей нагрузкой, приложенной к стяжке. После скручивания можно провести отжиг. The technology for obtaining the lay is as follows. In the initial state (Fig. 1B), parallel pieces of wire are embedded in the eyes. In the middle of the length between the wires, the gate-rod is inserted and the wires are twisted to the specified shortening of the screed. The twisting should be carried out under some tensile load applied to the screed. After twisting, annealing can be carried out.

Устройство отличает полнота использования прочностных свойств материала. Чтобы показать это, получим расчетную оценку силы сопротивления растяжению стяжки с ПДЭ из круглой проволоки диаметром 2r. The device is distinguished by the completeness of using the strength properties of the material. To show this, we obtain a calculated estimate of the tensile strength of the tie with PDE from a round wire with a diameter of 2r.

Ось проволоки представляет собой винтовую линию, ее кривизна равна κ = r/(r²+S²), где S - шаг подъема винтовой линии (И.Н.Бронштейн, К.А.Семендяев. Справочник по математике. - М.: Наука, 1988). Введем угол α подъема винтовой линии tg( α )=S/r, тогда кривизну можно записать в виде κ = cos²(α)/r .The axis of the wire is a helix, its curvature is κ = r / (r ² + S ² ), where S is the pitch of the helix rise (I. N. Bronstein, K. A. Semendyaev. Mathematics reference book. - M.: Science, 1988). We introduce the helix elevation angle α tg (α) = S / r, then the curvature can be written in the form κ = cos ² (α) / r.

Обозначим усилие растяжения одной проволоки из свивки как Т, предельный момент изгиба как M_т, причем M_к = 4/3σ_т•r³ (см., например, цитированный выше источник по теории пластичности), здесь σ_т , - предел текучести. При растяжении свивки она раскручивается, увеличивается шаг S и, соответственно, под действием изгибающего момента M_т уменьшается кривизна. Из равенства работы внешней силы и энергии пластического деформирования получаем уравнение T•dZ = M_т•d_κ•L где dZ - элементарное удлинение свивки, L - полная длина одной проволоки; данное уравнение распространяется на обе половины проволоки, деформациями центрального участка свивки пренебрегаем. Кроме того, пренебрегаем скручиванием проволоки вокруг оси (помимо кривизны винтовая линия имеет еще и кручение), это слишком усложнит задачу, так как потребует учета совместного действия изгиба и кручения поперечного сечения. Отсюда имеем T = M_т•Ldκ/dZ и поскольку

получаем T= 2M_т/r•sin( α ). Нас больше интересует относительная величина t=T/T_т, где T_т = σ_т•π•r² есть предельное усилие растяжения прямой проволоки. После подстановок получаем

.We denote the tensile strength of one wire from the twist as T, the ultimate bending moment as M _t , and M _k = 4 / 3σ _t • r ³ (see, for example, the source cited above on the theory of plasticity), here σ _t is the yield strength. When the strand is stretched, it unwinds, the step S increases and, accordingly, the curvature decreases under the action of the bending moment M _t . From the equality of the work of the external force and the energy of plastic deformation, we obtain the equation T • dZ = M _t • d _κ • L where dZ is the elementary elongation of the strand, L is the total length of one wire; This equation applies to both halves of the wire, neglecting deformations of the central section of the lay. In addition, we neglect the twisting of the wire around the axis (in addition to the curvature, the helix also has torsion), this will complicate the task too much, since it will require taking into account the combined action of bending and torsion of the cross section. Hence we have T = M _t • Ldκ / dZ, and since

we obtain T = 2M _t / r • sin (α). We are more interested in the relative value t = T / T _t , where T _t = σ _t • π • r ² is the ultimate tensile force of the straight wire. After substitutions we get

.

Удлинение W свивки, т.е. ход равен W=Z-Z₀, где начальная длина Z₀ свивки при начальном угле подъема винтовой линии α_o есть Z_o = L•sin(α_o) . Тогда относительное удлинение ω = W/L равно ω(α) = sin(α) - sin(α_o) .Elongation W lay, i.e. the stroke is equal to W = ZZ ₀ , where the initial length Z _{0 of the} lay at the initial angle of elevation of the helix α _o is Z _o = L • sin (α _o ). Then the relative elongation ω = W / L is equal to ω (α) = sin (α) - sin (α _o ).

Силовая характеристика t( ω ) стяжки при растяжении в пределах рабочего хода задана формулами t(α) и ω(α) параметрически. Она линейна, на фиг.2 показана расчетная зависимость для свивки с начальным углом

= 45^o. Величина W_max рабочего хода зависит от начального угла свивки. При α_o = 45^o имеем
W_max/L=1-sin(45^o)≈0,29
Существенной положительной чертой данной конструкции является высокая степень использования прочности материала проволоки, - более 60% (величина t). К тому же силовая характеристика сравнительно постоянна, постоянство силовой характеристики есть оптимум для ударозащитного амортизатора.The force characteristic t (ω) of the screed under tension within the working stroke is given parametrically by the formulas t (α) and ω (α). It is linear, figure 2 shows the calculated dependence for a lay with an initial angle

= 45 ^o . The value of W _max working stroke depends on the initial angle of lay. When α _o = 45 ^o we have
W _max / L = 1-sin (45 ^o ) ≈0.29
An essential positive feature of this design is the high degree of utilization of the strength of the wire material - more than 60% (t value). In addition, the power characteristic is relatively constant, the constancy of the power characteristic is the optimum for a shock-absorbing shock absorber.

Claims

A shock-absorbing screed containing a plastically deformable element with eyelets at the ends for its fastening, characterized in that the plastically deformable element is made in the form of at least two pieces of wire twisted from each other from the middle so that the curling is right on one half of the length of the wire, and on the other half left.