И транспортируемых грузов

Материал «Металлорезипа» разработан в 70-е гг. XX в. в Самар­ском государственном аэрокосмическом университете и в настоящее время широко используется в разных областях науки и техники для обеспечения требуемых параметров высоконапряженных машин, энер­гетических установок, оборудования и т. д.

Однако специфика материала под условия работы в космосе обусло­вила ряд его свойств (малые рабочие хода на сжатие и растяжение, невысокая несущая способность, малый срок службы в условиях низко­частотных динамических воздействий и т. д.), ограничивающих обла­сти его применения в системах и средствах вибро-, ударозащиты объектов и грузов железнодорожного транспорта, судостроения и т. п.

Номенклатура железнодорожных грузов ответственного назначе­ния (фрагменты аэрокосмической техники; ядерные установки; объекты с пиротехническими системами и элементами типа пиропатронов и пирозатворов; резервуары с криогенными и токсичными средами; оптико-электронная аппаратура систем навигации; прецизионные станки и прочие объекты, включающие механические связи и низкими соб­ственными частотами) по мере развития техники непрерывно расши­ряется. Это обуславливает целенаправленное развитие базы знаний науки в области вибро-, ударозащиты как транспортных средств, так и объектов транспортировки (позиционирования) грузов ответствен­ного назначения, разработку и практическую реализацию новых виб — розащитных материалов с улучшенными характеристиками, повы­шенным сроком службы и высоким уровнем технологии их получения,

как одного из основных направлений в создании энергосберегающих технологий.

Поэтому создание нового виброзащитного упругонористого материала (технологии и на его базе конструкций виброизоляторов и демпферов) для защиты транспортных средств и обеспечения сохранности специали­зированных грузов от динамических воздействий со стороны рельсового пути, энергетических установок и подвижного состава предопределяет ее актуальность, научную новизну (патентоспособность) и практическую цен­ность как для предприятий и служб железных дорог РФ, так и отправи­телей грузов, а также для других отраслей народного хозяйства.

Использование технологических приемов с «ноу-хау», не использо­ванных ранее при изготовлении изделий из материала «металлорези — па», позволит повысить число витков его проволочной основы с линейным контактом до 75—80 % (у материала МР этот показатель составляет не более 60 % при числе витков проволочной основы с точечным контактом порядка 40 %) и, тем самым, значительно уве­личить демпфирующую и несущую способности готового изделия.

По выполненным нами ориентировочным расчетам только это по­зволит при идентичности внешних воздействующих факторов обес­печить в виброизоляторах (демпферах) из нового материала но срав­нению с виброизоляторами из материала МР прирост и улучшение следующих показателей (но «осреднепному», условному изделию):

1) срока службы, в том числе по стабильности параметров в экс­плуатации более чем в 2 раза (до 80 000 знакопеременных циклов нагружения);

2) несущей способности:

— в осевом направлении более чем в 2 раза (до 30 кг);

— в радиальном направлении более чем в 3 раза (до 7 кг);

— рабочего хода па сжатие (растяжение) более чем в 1,5 раза (до 5 мм) с общим рабочим ходом до 1,0 мм. При модульном соеди­нении таких изделий рабочий ход может быть существенно повышен;

— коэффициента снижения перегрузки более чем в 1,5 раза (до 6,2) па одно изделие.

Автором настоящей работы в соавторстве с И. Д. Эскиным, Ю. В. Пос­пеловым и М. А. Мальтеевым разработан новый способ изготовления уп­ру гогистерезисных элементов тина втулок из нетканого проволочного материала [39J.

Отличительной способностью этого способа является їх), что заго­товка в виде плоской спирали, свитой из полоски или нескольких полос
сетки, собранной из сцепленной витками параллельных рядов проволоч­ной растянутой спирали, расположенных вдоль ширины полосы, и запол­ненной с обеих сторон заполнителем из спиралей, растянутых до шага, равного их диаметру, свертывают в рулон с центральным осевым отвер­стием и прессуют. Причем прессование заготовки осуществляют в ради­альном направлении в замкнутом объеме, при этом в центральное отвер­стие рулона помещают стержень из пластичного материала, к торцам которого прикладывают осевое усилие, а высота рулона равна высоте готового изделия при угле свивки плоской спирали не менее 45°.

При этом с целью ликвидации корсетиости либо бочкообразиости готовых изделий между заготовкой и пластичным материалом прокла­дывают топкую спиральную лепту, свернутую спиралью, ширина ко­торой равна высоте рулона.

Изготовленные таким образом унругогистерезисные элементы, выполненные в виде стержня или втулки, имеют повышенную проч­ность па растяжение, а их нагрузочные характеристики единичного объема при воздействии растягивающей циклической силы качест­венно аналогичны нагрузочным характеристикам единичного объема элемента из материала «металлорезииа» такой же плотности, изго­товленного прессованием в направлении действия сжимающей эксплуа­тационной циклической нагрузки.

На рис. 5.19 показана полоса сетки, набитая заполнителем и свернутая в плоскую спираль, па рис. 5.20 — радиальное прессование

цилиндрической втулки путем сжа­тия, а на рис. 5.21 — структура ма-

териала в готовом изделии при радиальном прессовании цилиндра из проволочного материала в пресс-форме.

Втулку, работающую на растяжение, по предлагаемому способу изготавливают следующим образом.

Полосу из сетки, собранной из сцепленных витками растянутых спи­ралей, набивают с обеих сторон заполнителем из растянутой проволоч­ной спирали и свертывают в плоскую спираль (см. рис. 5.19). Затем эту спираль наматывают в рулон па центральный стержень, причем высота рулона делается равной высоте готовой втулки. Диаметр стержня мень­ше, чем диаметр отверстия в готовой втулке. Стержень вынимают из рулона, а в центральное отверстие рулона 1 (см. рис. 5.20) вставляют тонкую стальную ленту 4, свернутую в кольцевую спираль, которая, отпружинив, прижимается к внутренней поверхности центрального от­верстия рулона-заготовки 1. Длину ленты подбирают равной длине ок­ружности центрального отверстия в готовом изделии, а ширина равна высоте готового изделия. Заготовку укладывают в пресс-форму 3, а в центральное отверстие заготовки вставляют стержень 2 из пластичного материала. При сжатии пуансонами 5 и 6 стержня 2 происходит прессо­вание заготовки в радиальном направлении.

Витки спиралей сетки и заполнителя в готовом изделии ложатся примерно перпендикулярно направлениям прессования. При этом со­храняется непосредственный жесткий контакт между витками парал­лельных рядов спиралей сетки. Загрузочная характеристика элемента при нагружении его растягивающими силами имеет жесткий харак­тер нелинейности. При этом величина деформации, с которой жест­кость при прочих равных условиях резко возрастает, зависит от угла свивки плоской спирали а: чем меньше угол, тем больше эта дефор­мация. При уменьшении угла свивки (при значениях меньших 45°) нагрузочная характеристика элемента, изготовленного по предлагае­мому способу, приближается к нагрузочной характеристике на растя­жение элемента из материала МР, т. е. элемент с малыми углами свивки плоской спирали будет плохо работать на растяжение.

Значение углов свивки 45…60° следует считать оптимальными, так как в этом случае деформация элемента, с которой начинается резкий рост его жесткости, несколько меньше или равна деформа­ции, с которой появляется остаточная пластическая деформация ма­териала заполнителя.

Упругофрикционные и прочностные свойства элемента могут регулироваться в широких пределах соответствующим подбором его

габаритных размеров, плотности материала, диаметров проволок, спи­ралей сетки и заполнителя, углом свивки полосы и т. д.

С целью увеличения демпфирующих свойств, повышения эластич­ности и прочности на растяжение в соавторстве с И. Д. Эскиным и Ю. В. Поспеловым разработан новый способ изготовления нетканого проволочного материала [40]. Суть способа заключается в следующем.

При формировании заготовки в качестве матрицы используют изготовленную из сплетенных спиралей сетку, а проволочные спира­ли укладывают на сетку с натягом с двух сторон, после чего сворачи­вают матрицу в заготовку и прессуют.

На рис. 5.22 показана схема формирования проволочного нетканого материала (стадия ориентированной укладки заполнителя). Технология способа состоит в следующем.

Сетку 1 слегка растягивают в на­правлении, перпендикулярном к осям спиралей, до тех пор, пока спирали сетки не входят в непосредственный контакт. Спираль 2 заполнителя рас­тягивают для обеспечения хорошего сцепления с витками сетки 1 и друг Рис. 5.22. Схема формирова — с другом до шага, равного приблизи — иия проволочного материала телыю ее диаметру, и укладывают

первый слой ориентированно с одной стороны сетки 1, при этом при каждом перегибе спирали 2 заполнителя ее витки цепляют за концы спирали сетки.

Затем ориентированный слой укладывают с противоположной сторо­ны сетки 1. После чего укладывают спирали 3 нижнего слоя заполнителя так, чтобы они пересекали спирали верхнего слоя заполнителя. При этом соблюдают достаточно равномерное распределение заполнителя в слое и хорошее сцепление заполнителя с сеткой по всей заполняемой поверхно­сти. Следующие слои заполнителя укладывают на ориентированные слои равномерно с учетом требуемой плотности и высоты готового изделия.

Полученную таким образом полосу сворачивают по линиям пере­гиба в заготовку заданной длины, обматывают сверху спиралью, про­катывают валиком в вставляют в пресс-форму, где холодным прессо­ванием изготавливают готовое изделие.

Более высокой эластичностью и прочностью на растяжение харак­теризуются изделия, изготовленные способом изготовления прово-

лочного нетканого материала [41], разработанного В. А. Антиповым в соавторстве с Ю. К. Пономаревым и И. Д. Эскиным.

Технология формирования заготовки по предлагаемому способу заключается в том, что в качестве эластичного заполнителя сетки — матрицы, изготовленной из сцепленных витками проволочных спира­лей, используют свернутую в рулой металлическую сетку, выпол­ненную в виде сплетенных спиралей, диаметр и шаг которых в 5—6 раз меньше диаметра и шага спиралей сетки матрицы.

С целью повышения производительности труда и повышения ка­чества готового изделия за счет улучшения сцепляемости слоев пред­ложен следующий способ изготовления нетканого проволочного ма­териала [43].

При формировании заготовки используют сетки, собранные из параллельных рядов спиралей, растянутых до шага, меньшего или равного диаметру спирали, слои сетки укладывают один па другой так, чтобы в смежных слоях оси спиралей перекрещивались под пря­мым углом, затем поджатием внедряют между витками соседних слоев.

Малой усадкой в условиях эксплуатации, а следовательно, боль­шим ресурсом характеризуется виброизолятор, изготовленный но технологии а. с. № 743350, авторы В. А. Антипов и др.

Отличительной особенностью виброизолятора является то, что в наружном слое унругогистерезисного элемента по его периметру уло­жена намотка из плоской спирали с углом свивки не менее 45° и шириной, равной высоте унругогистерезисного элемента, свернутой из полос армирующей сетки, плоскости витков проволочных спира­лей расположены во внешнем слое под углом 0…100, в центральном слое под углом 80…90° к вертикальной оси амортизатора, а между слоями расположение витков выполнено плавно изменяющимся от наружного слоя к центральному.

Кроме того, с целью упрощения изготовления наружный слой выполнен в виде втулки, а центральный слой — в виде стержня, вставленного с натягом в отверстие втулки, а с целью повышения демпфирующих свойств отверстие втулки и обращенная к нему по­верхность стержня выполнены коническими.

На рис. 5.23 изображен виброизолятор в разрезе, продольный разрез.

На рис. 5.24 условно показана структура материала во внешнем слое элемента (пунктиром показано направление рядов спиралей арми-

Рис. 5.23. Виброизолятор

в разрезе

рующеи сетки, штрихпуиктиром — граница полосы сетки, свернутой в плоскую спираль).

На рис. 5.25 изображен вариант вы­полнения унругогистерезисного элемента из втулки и стержня с обращенными к друг другу поверхностями, выполнен­ными коническими перед сборкой.

Виброизолятор состоит из корпуса 1, крышки 2, прикрепляемой к амортизи­руемому объекту, основания 3 и упруго — гистерезиспого элемента 4. Крышка 2 с резьбовой втулкой 5 и основание 3 кре­нятся к упругогистерезисному элементу с помощью иголок 6, равпорасноложен- пых по окружности.

Упругогистерезисный элемент 4 вы­полнен из нетканого проволочного ма­териала, армированного сеткой, собранной из параллельно сцеплен­ных друг с другом рядов растянутой проволочной спирали. В наружном слое 7 унругогистерезисного элемента 4 уложена намотка из плоской спирали с углом свивки не менее 45° и шириной, равной высоте упругогистерезисного элемента, свернутой из полос армирующей сетки. Плоскости витков проволочных спиралей расположены в наружном слое под углом 0…100, в центральном слое 8 под углом 80…90° к вертикальной оси амортизатора. Между слоями расположение вит­ков плавно изменяется от наружного к центральному слою 8.

Структура наружного 7, среднего 9 и центрального слоя 8 унруго — гистерезисного элемента 4 может быть получена следующим образом.

Полосу (полосы) из армирующей сетки, заполненную с обеих сторон заполнителем из растянутой проволочной спирали, укладыва­ют в проволочный мат в виде плоской спирали виток к витку. Затем плоскую спираль скатывают в рулон, который поверху слегка обма­тывают растянутой проволочной спиралью. Диаметр рулона равен диаметру центрального слоя 8 упругогистерезисного элемента, а высота в 2,5—3,5 раза больше высоты этого слоя и определяется в зависимости от требуемой плотности материала центрального слоя.

На один из концов рулона наматывается плоская спираль, сверну­тая так же из описанной выше полосы (полос) сетки, причем угол свивки этой спирали не меньше 45°, а ширина плоской спирали рав­на высоте, а диаметр в 2,5—3,5 раза больше внешнего диаметра упругогистерезисного элемента и выбирается в зависимости от тре­буемой плотности наружного слоя 7.

Сначала прессуем центральный слой 8 в вертикальном направле­нии, а затем наружный слой 7 по радиальным направлениям, прессо­вание можно осуществлять и в несколько переходов, чередуя прессо­вание центрального 8 и наружного 7 слоев.

Наружный слой 7 может быть выполнен в виде втулки 10, централь­ный слой 8 — в виде стержня 11, вставленного в отверстие втулки, что позволяет упростить изготовление амортизатора.

Выполнение поверхностей втулки и стержня 11 коническими позволяет повысить демпфирующие свойства амортизатора.

Выполнение унругогистерезисного элемента из нетканого прово­лочного материала с описанной выше структурой обеспечивает повы­шение работоспособности виброизолятора при работе на растяже­ние-сжатие.

Реализация вышеуказанных технологий предопределила разработ­ку новых пресс-форм для прессования изделий из проволочного не­тканого материала [42].

Качество готового изделия будет выше, если пресс-форма снабжена плоскими спиральными пружинами, прилегающими к торцам матрицы, сухарями, установленными с возможностью радиального перемещения между корпусом и торцами матрицы, образующими в сомкнутом состо­янии диск с нейтральным отверстием, диаметр которого равен диаметру заходной части прошивки, и пружинами, поджимающими сухари к прошивке, при этом упомянутое центральное отверстие выполнено ко-

иическим с углом конусности, большим угла конусности деформирую­щей части прошивки, а витки спиральной пружины, примыкающие к прессуемому изделию, смонтированы без зазора.

На рис. 5.26 изображена пресс-форма; на рис. 5.27 — разрез А-А, на рис. 5.28 — разрез Б-Б.

В корпусе 1 пресс-формы установлена матрица 2, имеющая рас­точки, в которые помещены две плоские спиральные пружины 3 и 4, а также прошивка 5.

Витки плоских пружин, прилегающие к заготовке, навиты плотно друг к друїу. На плоскую спиральную пружину 3 установлены сухари 6, которые в начальный момент прессования поджаты к прошивке 5 пру­жинами 7. Аналогичные сухари 8 установлены в расточке в поддоне 9 и также поджаты к прошивке 5. Пружины 7 надеты на направляющие штифты 10.

Центральное отверстие в диске, составленном из сухарей 6, вы­полнено коническим с углом конусности, большим угла конусности деформирующей части 11 прошивки 5. Наименьший диаметр этого

Рис. 5.26. Пресс-форма в разрезе

отверстия, диаметр центрального отверстия в диске, составленном из суха­рей 8, и диаметр отверстия в спиральных пружинах равны диаметру цент­рального отверстия заготовки заходіюй части прошивки 5. Корпус 1 закрыт крышкой 13. Крышка, поддон и корпус стянуты болтам и 14.

Прессование осуществляется следующим образом. Заготовка 15, выполненная в форме втулки, например, из материала, представляю­щего собой массу из отрезков проволочных спиралей, размещается в матрице 2. При перемещении прошивки 5 материал заготовки уплот­няется ее деформирующей частью 11, радиально перемещаясь в мат­рице 2. Одновременно конусной частью 11 прошивки сообщается радиальное перемещение сухарям 6 и 8. При этом секторы 6 и 8 пружинами 7 постоянно поджимаются к прошивке, а спиральные пружины 3 и 4 плотно охватывают прошивку, благодаря чему ис­ключается возможность осевой деформации материала заготовки.

Отверстие полых изделий, прессуемых в предлагаемой пресс-форме, имеет правильную геометрическую форму, поскольку деформация ма­териала заготовки осуществляется жестким элементом пресс-формы.

Более высокой надежностью работы характеризуется пресс-форма но а. с. № 646546 [52].

В пресс-форме по а. с. № 646546 в процессе прессования прошивка разворачивает витки спиральных пружин, причем усилия в пружинах могут достигать значительной величины. Поэтому при прессовании изделий больших диаметров спиральные пружины могут быть полома­ны. В предлагаемой конструкции на обращенных к матрице торцах дисков, образованных сухарями, выполнена полость, в которой уста-

новлены плоские сниральїіьіе пружины, закрепленные наружным кон­цом на одном из сухарей, а пружины, поджимающие сухари к про­шивке, снабжены винтовым механизмом регулирования их сжатия.

При прессовании прошивка своей конической частью раздвигает сухари, преодолевая усилие пружин, поджимающих сухари к прошив­ке, и разворачивает спиральные пружины. Благодаря тому, что спираль­ные пружины установлены в полости диска, образованного сухарями, которые раздвигаются прошивкой и освобождают плоские спиральные пружины, в последних не возникает значительных напряжений, они разворачиваются иод действием накопленных в них упругих сил и не могут быть сломаны при прессовании втулок и колец больших диамет­ров. При сборке пресс-формы для прессования каждой следующей де­тали спиральные пружины свиваются с помощью специального ключа.

На рис 5.29 изображет пресс-форма, продольный разрез; на рис. 5.30 — разрез А-А; на рис. 5.31 — разрез Б-Б.

Рис. 5.29. Продольный разрез пресс-формы

В корпусе 1 установлена матрица 2, в которую помещена заготовка З из проволочного материала, выполненная в форме цилиндрической втул­ки или кольца, с направляющим стержнем 4, вставленным в центральное отверстие заготовки. Две плоские спиральные пружины 5, предваритель­но свитые из полосы стальной каленой ленты плотно, без зазора, установ­лены в сжатом состоянии в полости верхнего и нижнего дисков, образо­ванных соответственно сухарями 6 и 7. Сухари выполнены в форме секторов и расположены сверху и снизу от матрицы 2. Плоские спираль­ные пружины 5 наружными концами 8 закреплены соответственно на одном из верхних 6 и на одном из нижних 7 сухарей. Сухари поджаты в начальный момент прессования к направляющему стержню а в процес­се прессования — к прошивке 9,радиально устаї ювлеї шыми цилиндри­ческими пружинами 10, усилие в которых реіулируется винтовым меха­низмом с винтом 11 и шайбой 12. Цилиндрические пружины 10, поджимая сухари 6 и 7, препятствуют разворачиванию плоских спиральных пру­жин 5. Центральные отверстия 13 в дисках, составленных из сухарей 6 и 7, выполнены коническими с углом конуса, большим угла конуса де­формирующей части прошивки 9. Наименьший диаметр этих отверстий и диаметр отверстий в спиральных пружинах равны диаметру централь­ного отверстия заготовки и диаметру направляющего стержня 4.

Свивка спиральных пружин перед прессованием каждой детали производится с использованием специального ключа (не показан), представляющего собой стержень с прорезью, параллельной оси стержня и не проходящей через эту ось. При этом внутренний виток отде-

ляется и слегка вытягивается для верхней и нижней пружин соответ­ственно в отверстия крышки 14 и поддона 15, после чего конец сталь­ной ленты заводится в прорезь ключа, устанавливаемого в крышку и поддон пресс-формы. Вращением ключа вокруг своей оси пружина свивается так, чтобы па торцах заготовки 3 витки лежали плотно, без зазора. Вращением винтов 11, отпущенных перед свивкой пружин, осуществляется поджатие цилиндрических пружин 10 через шайбы 12 так, чтобы сухари удерживали спиральные пружины в сжатом состоя­нии. Затем ключ выводится из зацепления с пружиной и удаляется из пресс-формы.

Корпус 1 с собранными в нем деталями устанавливается в поддон 15 до упора в торец 16 и центрируется на поддоне 15. Сверху на корпус до упора в торец 17 устанавливается крышка 14, имеющая ручки 18, и центрируется на корпусе 1.

Крышка, поддон и корпус стянуты болтами 19, исключающими в процессе прессования относительные смещения этих деталей.

Крышка 14 имеет направляющее центральное отверстие, в кото­ром калибрующей цилиндрической частью центрируется прошивка. При прессовании прошивка 9 продавливается через центральное от­верстие заготовки сначала конической прессующей частью, а затем калибрующей цилиндрической частью, выталкивая направляющий стержень 4 из заготовки. После окончания прессования прошивка выталкивается специальным выталкивателем, диаметр которого меньше диаметра центрального отверстия готовой детали, в пустое простран­ство внутри поддона 15.

Таким образом, вследствие того, что сухари, поджимаемые к про­шивке цилиндрическими пружинами, усилие в которых регулирует­ся винтами, раздвигаются прошивкой и отпускают спиральные пру­жины, последние при движении прошивки разворачиваются под действием сил упругости. Благодаря этому напряжения в спираль­ных пружинах не достигают опасных значений и исключается воз­можность их поломки при прессовании втулок и колец больших диаметров.

Еще более высокой несущей способностью характеризуются изде­лия, изготовленные но технологии [55]. Отличительной особеннос­тью этой технологии является получение заготовок путем сворачи­вания сетки, изготовленной из сцепленных витками проволочных спиралей, вокруг пакета армирующих пластин. При этом армирую­щие пластины могут быть предварительно гофрированы, а онрессов-

ку заготовки производят в направлении, перпендикулярном боковой плоскости пакета пластин. Поясним технологию изготовления амор­тизатора по предлагаемому способу на конкретном примере.

Пакет пластин, например, толщиной 0,4…0,5, шириной 20…30 мм в количестве 5 штук из стали 65 Г или ХІ5НЮ, длиной, соответствую­щей изготавливаемому амортизатору, предварительно гофрируют. Затем термофиксируют гофры, растягивают их в зажимах до полно­го выпрямления и обматывают сеткой, изготовленной из сцепленных витками растянутых проволочных спиралей и спрессовывают в рас­тянутом состоянии в специальной пресс-форме. После этого изготов­ленный упругодемпфирующий элемент освобождают из зажимов и производят сборочные работы для получения кольцевого амортиза­тора. Собранный из полученного описанным способом материала амор-

Амортизатор работает следую­щим образом. Демпфирующий эле­мент, образованный спрессованной из проволочной спирали 1 и арми­рованный пакетом эластичных пла­стин 2 передает через зажимы 3 нагрузку па основание 4. При этом рассеивание энергии колебаний происходит за счет трения в паке­те пластин друг о друга и трения проволочек между собой в спрес­сованной обмотке. Изменяя коли­чество пластин в армирующем па­кете 2, их толщину и ширину, можно регулировать частотные и жесткостные характеристики амор­тизатора в широких пределах и необходимых направлениях, обеспе­чить изотропность жесткостиых и демпфирующих свойств.

В отличие от базового объекта — способа изготовления амортизатора — предложенный способ обладает следующими технико-экономическими преимуществами:

• значительно расширена область применения изготовленных описанным способом амортизаторов вследствие повышения несущей способности;

• вследствие того, что армирующим элемент выполнен из пакета пластин, предварительно гофрированных, демпфирующая способность повышена, так как рассеивание энергии колебаний происходит допол­нительно за счет трения пластин друг о друга но площадкам контакта.

Кроме тот, предложенный способ позволяет повысить изотропность унругодемнфирующих и частотных характеристик.