Гидромеханические фиксаторы (ГМФ) являются разновидностью механических замков, широко применяемых в технике, начиная с дверных и оружейных замков и кнопочных фиксаторов складных зонтов и до самых современных стыковочных устройств космических станций.
В трубопроводной арматуре [1] замки применяются в отсечных клапанах с гидроприводом при открытии и закрытии от пружин. После открытия таких клапанов гидроприводом положение их штоков фиксируется стопорами, воспринимающими усилие мощных пружин, а при закрытии стопоры выдергиваются из-под опорного диска. При этом громадные контактные давления могут вызывать задирание скользящих поверхностей. Учитывая общие тенденции развития техники по повышению надежности, компактности и снижению издержек производства, в гидроприводной технике весьма актуальна задача совершенствования ГМФ.
В гидроцилиндрах наибольшее распространение получили ГМФ, иначе называемые механическими замками с гидравлическим управлением со стопорными элементами в виде шаров [2], удерживающими шток от перемещения в гильзе цилиндра при отключенном гидроприводе.
Анализ работы таких ГМФ показал, что повысить ими удерживаемые нагрузки возможно переходом от точечного контакта шаров к линейному контакту стопорных элементов в виде разрезных пружинных колец, используемых в разработанной нами конструкции ГМФ по патенту № 2657407.
В этой конструкции разрезное стопорное кольцо 1, выполняющее функцию засова, выдвигаемого поршнем 2 гидроцилиндра управления из корпусной детали 3 в канавку штока 4, препятствует их взаимному перемещению. Пружинение стопорного кольца используется для возврата его в корпусную канавку постоянного размещения при прекращении воздействия поршня и возврате его в исходное положение под действием пружины 5. Углы наклона контактирующих стопорным кольцом поверхностей поршня и штока имеют углы наклона γ и β, влияющие на баланс сил, действующих на стопорное кольцо. При значениях γ более нуля действующая на шток сила Q может вызывать отжим поршня и расфиксацию ГМФ в случае его перегрузки. Выполнение поршня со ступенчатой поверхностью и подача жидкости в полость между ступенями обеспечивают возможность изменять площадь поршня в широких пределах без изменения его наружного диаметра, что позволяет подстраивать ГМФ под заданные давлением срабатывания при минимальном усилии возвратной пружины поршня и малых ее габаритах.
Для проверки эффективности предложенной конструкции при решении конкретной задачи по фиксации штока диаметром 30 мм с максимальной нагрузкой 5 000 кг и давлением срабатывания ГМФ на отключение 5÷10 МПа, а на включение 4÷7 Мпа, был разработан опытный образец.
В качестве стопорного кольца было выбрано кольцо круглого сечения диаметром 2,5 мм по стандарту DIN-7993. Расчет максимальных контактных напряжений W на стопорном кольце проводился, согласно справочно-методическому пособию [3], по формулам Герца при нагрузке на штоке 5 000 кг W = 3 600 Мпа, что меньше 5 000 Мпа, допускаемых для стальных шарикоподшипников при высокой циклической нагрузке. В случае возможной установки вместо стопорного кольца набора из 38 шариков диаметром 2,5 мм расчетные контактные напряжения на их поверхности составят 12 000 Мпа, что в 3,3 раза выше. Следовательно, использование стопорных элементов с линией контакта по всему периметру штока позволяет многократно повысить допустимые нагрузки на шток либо уменьшить габариты ГМФ и требования к твердости и прочности их контактных поверхностей.
Испытания опытного образца ГМФ с нагружающим устройством показали, что он при твердости контактных поверхностей 56÷60 HRC выдерживает нагрузку 7 000 кг без потери работоспособности и заметных пластических деформаций. График влияния нагрузки на шток на давление в управляющем гидроцилиндре при расфиксации (рис.) показывает, что угол β наклона боковых стенок канавки штока в 30° оптимален, т. к. исключает смятие кромок канавки штока, происходящее при угле β в 0°, и не вызывает значительного роста контактных нагрузок на стопорное кольцо, как угол β в 45°. Увеличение угла γ конической поверхности поршня с 0° до 10° снижает давление расфиксации и приводит к возможности получения эффекта автоматической расфиксации ГМФ при перегрузке.
Таким образом, экспериментальная проверка опытного образца ГМФ подтвердила эффективность предложенной конструкции и перспективность ее широкого использования в стопорящих механизмах.
1. Шпаков, О.Н. Отсечные клапаны / О.Н. Шпаков // Вестник арматуростроителя. – 2017. – № 6. – С. 102.
2. Абрамов, Е.Л. Элементы гидропривода / Е.Л. Абрамов [и др.]. – Киев : Техника, 1969. – С. 182.
3. Орлов, П.И. Основы конструирования / П.И. Орлов. – М. : Машиностроение, 1988. – Кн. 1. – С. 240-244
Размещено в номере: «Вестник арматуростроителя», № 7 (56) 2019
