устройство поглощения энергии удара

Формула изобретения

1. Устройство поглощения энергии удара, содержащее подвижную упорную плиту, подвижную стабилизирующую опору, соединенную с несущей частью одной конструкции, неподвижную опору с направляющими для перемещения подвижной упорной плиты и подвижной стабилизирующей опоры, связываемую с несущей частью другой конструкции, энергопоглощающие элементы, собранные в автономную системную обойму, отличающееся тем, что энергопоглощающие элементы выполнены с начальной погибью заданной формы и закреплены своими хвостовыми частями в подвижной стабилизирующей опоре, скрепленной с подвижной упорной плитой, и в неподвижной опоре, при этом торцы головок хвостовых частей энергопоглощающихся элементов и гнезда их опирания в обеих опорах выполнены в виде шарниров, например цилиндрических.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что подвижная стабилизирующая и неподвижная опоры энергопоглощающих элементов выполнены со скосами в гнездах опирания этих элементов, при этом скосы ориентированы в направлении начальной погиби энергопоглощающего элемента, имеющего опору в данном гнезде, а угол скоса определяется углом поворота хвостовых частей энергопоглощающих элементов, соответствующим заданной величине энергопоглощения.

3. Устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что подвижная стабилизирующая опора энергопоглощающих элементов с боковыми консолями, расположенными симметрично, имеющими вылет в направлении под прямым углом относительно направления начальной погиби энергопоглощающих элементов.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что автономные системные обоймы, выполненные одноярусными, имеют противоположную направленную ориентацию начальной погиби энергопоглощающих элементов, причем при четном количестве эти элементы в обойме противоположно ориентированы по равному их числу, при этом равноориентированные элементы расположены симметрично относительно точки, делящей пополам расстояние между двумя направляющими, а при нечетном количестве энергопоглощающих элементов ориентированы и расположены элементы в том же соотношении, с тем же соблюдением симметрии, а расположение одного из них совмещено с точкой, делящей пополам расстояние между двумя направляющими, причем ориентация начальной погиби его совпадает с ориентацией одной из половины равноориентированных энергопоглощающих элементов.

5. Устройство по пп.1 и 4, отличающееся тем, что автономные системные обоймы, выполненные многоярусными, имеют четное число ярусов, например два, при этом энергопоглощающие элементы каждого из ярусов имеют равную ориентацию начальной погиби, а каждый из ярусов в целом - ориентацию противоположную.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к железнодорожному транспорту и может быть использовано во всех отраслях народного хозяйства, где в условиях работы возможны ударные воздействия, например, при столкновениях в аварийных ситуациях.

Известны поглощающие аппараты автосцепки, например пружинно-фрикционные с фрикционными клиньями типа Ш-1-ТМ, Ш-2-Т, типа "Во- Гуд", пластинчатый типа Вестингауза, аппараты с кольцевыми рессорами, с использованием сил трения между кольцами, позволяющие при их сжатии снизить продольные усилия ударного характера, например, на раму кузова вагона, за счет преобразования кинетической энергии соударяющихся масс в работу сил трения (необратимое поглощение энергии) и в потенциальную энергию упругих деформаций (поглощение энергии обратимое) с энергоемкостью до 55 - 65 кДж при силе, воспринимаемой ими, до 2,5 - 2,8 МН (см. книгу "Вагоны. Конструкция, теория и расчет" под редакцией Л.А. Шадура, Москва, "Транспорт", 1980, стр. 277 - 287).

Известны поглощающие аппараты автосцепки с резиновыми элементами как без фрикционных элементов типа Р-4П и Р-2П с энергоемкостью (обратимого поглощения энергии) до 40 кДж при силе 1,8 МН, так и с наличием фрикционных элементов (см. соответственно рис.Х.25, а,б и рис. X.25, в,г книги "Вагоны...", стр.287-288).

Известны поглощающие аппараты автосцепки гидравлические, где перемещению поршня противодействуют силы гидравлического сопротивления в функции как от скорости движения поршня, так и от размеров калиброванного отверстия для перетекания рабочей среды, при этом работа сил сопротивления преображается в тепло (необратимое поглощение энергии), а работа, затраченная на сжатие пружин, - это обратимое поглощение энергии; при этом - чем выше скорость соударения вагонов, тем большее сопротивление оказывает поглощающий аппарат, тем выше его энергоемкость, но тем и более жесткая передача удара на вагон ( см. рис. X.27, а,б книги "Вагоны...", стр. 289 - 291).

Известны также гидрогазовые поглощающие аппараты автосцепки, в которых газ высокого давления выполняет роль пружин, типа ГА-100 М с энергоемкостью до 100 кДж при силе 2 МН (см. рис. Х.30, а,б книги "Вагоны...", стр.290 - 291).

Ввиду сравнительно невысокой энергоемкости поглощающих аппаратов автосцепки и достаточно высокой сложности конструкции и стоимости изготовления наиболее энергоемких из них - гидравлических и гидрогазовых в сочетании с трудностью обеспечения надежных уплотнений на длительное время с неблагоприятным явлением изменения вязкости рабочей жидкости при изменении температуры эти аппараты мало эффективны для использования в качестве антиударных устройств, например, устанавливаемых в передней и задней зонах головного (моторного) вагона, где потребовалось бы смонтировать порядка 70 - 100 гидрогазовых аппаратов типа ГА-100 М с суммарной их энергоемкостью 7 - 10 МДж, исходя лишь из результатов анализа материалов, относящихся к аварии высокоскоростного поезда под Вуароном на линии Гренобль - Лион при наезде на препятствие массой до 80 тонн со скоростью 110 км/час (см. Revue generale des chemins de fer - Novembre 1993 GAUTHIER-VILLARS, p.45).

Известны также использованные Францией при проектировании высокоскоростного поезда типа TVG 2N антиударные устройства в виде энергопоглощающих модулей (кессонов), устанавливаемых в передней и задней зонах поглощения кинетической энергии удара головного (моторного) вагона, в прицепном вагоне в зоне, примыкающей к головному вагону, а также жертвенные зоны, - "жертвенные" тамбуры (см. Revuegenerale des chemins de fer - Novemdre 1993, p. 25 - 59).

На фиг. 6 представлены схема зон поглощения энергии, распределение сил при статических испытаниях на новом головном (моторном) вагоне поезда типа TGV 2N (что соответствует fig. 1, p.46 "Revue...", November 1993), а на фиг. 7 и 8 - принцип формирования упомянутых выше зон защиты передней и задней(тыльной) частей такого же вагона (соответствуют fig. 9, p. 55 и fig. 11, p. 56 "Revue...", Novembre 1993).

На фиг. 10 показан принцип размещения модулей поглощения энергии на уровне шасси передней части головного (моторного) вагона поезда TGV 2N, а на фиг. 11 - размещение упомянутых модулей на уровне шасси задней части того же вагона (что соответствует fig. 10, p. 55 и fig. 12, p.56 "Revue...", Novembre 1993).

На фиг. 6 и 7 деталью 5 обозначена зона защиты на уровне подвески кабины машиниста, рассчитанная на максимальное усилие F1 = 700 КН (70 тс), дет. 4 - зона на уровне защитного пояса кабины машиниста, рассчитанная на максимальное усилие F2 = 1500 КН (150 тс), дет. 3 - антиударный щит с равномерно распределенным поглотителем энергии, выдерживающий распределенную по его фронтальной поверхности нагрузку до 5000 КН (500 тс), дет. 2 - зона на уровне шасси вагона, размещенная перед антиударным щитом, упомянутым выше, рассчитанная на усилие F3 от 2000 КН до 2500 КН (от 200 тс до 250 тс), дет. 1 на фиг. 6 - зона, размещенная между шасси вагона и кабиной машиниста, ниже антиударного щита, способная воспринять усилие до 3000 КН ( 300 тс).

Зона поглощения энергии, дет. 1 на фиг. 6, выполнена в виде ячеистой структуры типа пчелиных сот, и поглощение энергии происходит за счет глубоких пластических деформаций, наступающих вслед за потерей ячеистой структурой несущей способности, например, по причине потери устойчивости (по формам общей или местной потери устойчивости) и, кроме того, за счет разрывов в ячеистых структурах.

Зоны поглощения энергии, дет. 2 на фиг. 6, 7 и 10, а также дет. 7 на фиг. 6 и 8, наконец, дет. 8 на фиг. 6, 8 и 11, представляют собой модули, энергопоглощающие элементы которых выполнены из тонколистовой стали, в виде двух треугольников (в поперечном сечении), соединенных, как правило, между собой вершинами, именно так выполнены центральный модуль, дет. 2, фиг. 10, на уровне шасси передней части вагона, модули, дет. 8 на фиг.8 и 11, вмонтированные в два основных продольных бруса и в два боковых продольных бруса на уровне шасси тыльной части вагона, модули, дет. 7 на фиг. 8, в плоскости стенок вагона.

На фиг. 12 показан в аксонометрии вид упомянутого выше модуля поглощения энергии, выполненного из тонколистовой стали, в виде двух треугольников, соединенных вершинами, примененного для головного (моторного) вагона поезда типа TGV 2N (что соответствует fig. 8, p. 54, "Revue...", Novembre 1993), а на фиг. 13 воспроизведен вид со снимка аналогичного поглощающего модуля того же поезда, конкретнее, модуль, предназначенный для продольного бруса головного (моторного) вагона,- в исходном состоянии и после срабатывания под воздействием сжимающей нагрузки от удара (соответствует fig. 5, p. 38, "Revue. ..", Novembre 1993).

Зона поглощения энергии, дет. 6 на фиг. 6, 8 и 9, представляет собой часть металлического продольного стержня (на фиг.8 - стержня обвязки вагона), выполненного с перфорацией стенки (стенок), как это видно из фиг. 9, где показан трехступенчатый главный поглотитель энергии крайнего прицепного вагона (крайней прицепной тележки) поезда типа TGV 2N (соответствует fig. 6, p. 38, "Revue...", Novembre 1993).

Зона поглощения энергии, дет.6 на фиг. 6, 8 и 9, представляет собой часть металлического продольного стержня (на фиг. 8 - стержня обвязки вагона), выполненного с перфорацией стенки (стенок), как это видно из фиг. 9, где показан трехступенчатый главный поглотитель энергии крайнего прицепного вагона ( крайней прицепной тележки) поезда типа TGV 2N (соответствует fig. 6, p. 38, "Revue...", Novembre 1993).

Поглощение кинетической энергии удара в описанных выше модулях, фиг. 12, так же, как и в поглотителях - зонах продольных стержней с перфорацией в их стенках, фиг. 9, осуществляется за счет глубоких пластических деформаций, которые являются следствием продольного изгиба с большой стрелкой прогиба, вплоть до "складывания" энергопоглощающих элементов на длине их пролета (на фиг. 9 - на длине перфорации каждой из трех ступеней, которая и представляет собой длину пролета поясков, дет. 6, выполняющих функции энергопоглощающих элементов) или "складывания" на части длины их пролета, но " складывания" бессистемного, совместно с пластическим разрушением иных формаций, типа сминания, носящего случайный характер, надрывов и так далее.

Продольный изгиб, упомянутый выше, в свою очередь, является следствием потери устойчивости по формам местной потери устойчивости, как в случае ступенчатого поглотителя энергии (фиг. 9), и по формам общей потери устойчивости, как это имеет место в модулях поглощения энергии, выполненных из тонколистовой стали, в виде двух треугольников, соединенных вершинами (фиг. 12).

Таким образом, процесс поглощения кинетической энергии удара при использовании упомянутых выше поглотителей, фиг. 9 и 12, нашедших применение на головном (моторном) вагоне поезда типа TGV 2N, являет собой процесс, имеющий функциональные точки разрыва, ибо носит явно выраженный дискретный характер и состоит из двух этапов: поглощения энергии на стадии упругих деформаций и поглощения энергии на стадии глубоких пластических деформаций и разрушения.

При этом на первом этапе поглощение энергии удара носит обратимый характер и, таким образом, вплоть до наступления потери устойчивости энергопоглощающих элементов, энергопоглощающее устройство в целом работает в режиме амортизации, причем жесткой амортизации с коэффициентом необратимого поглощения энергии, практически равным нулю.

Только на втором этапе после потери устойчивости энергопоглощающими элементами происходит поглощение энергии необратимого характера, и энергопоглощающее устройство начинает работать собственно в режиме демпфирования.

Однако переход от первого этапа энергопоглощения ко второму происходит настолько резко, настолько скоротечно во времени, насколько скоротечен сам процесс потери устойчивости, т.е. в виде рывка ударного характера.

При этом, если первый этап поддается достаточно строгой аналитически-расчетной оценке, то применительно ко второму этапу, носящему обвальный характер, расчетное моделирование, как и аналитически-расчетная оценка энергопоглощения, как правило, бессильны и основываются, в основном, исключительно на базе данных экспериментальных исследований.

Известен также фрикционный поглощающий аппарат, а.с. N 254554 кл. B61G. Этот аппарат имеет подвижную опорную плиту, подвижную стабилизирующую опору, соединенные с несущей частью одной конструкции, неподвижную опору с направляющими для перемещения подвижной части упорной плиты и подвижной стабилизирующей опоры, связываемые с несущей частью другой конструкции, и энергопоглощающие элементы, собранные в автономную системную обойму. Данный поглощающий аппарат наиболее близок к предлагаемому устройству и может быть назван прототипом.

Однако пружинно-фрикционный аппарат по а.с. 254554 поглощает энергию в определяющем его возможности объеме обратимо за счет преобразования кинетической энергии удара в потенциальную энергию упругих деформаций пружины и прямых упругих стержней.

Предлагаемым изобретением решается задача создания устройства поглощения кинетической энергии удара, свободного от упомянутых выше недостатков и обладающего:

неразрывностью всего процесса поглощения энергии в целом без функциональных точек разрыва и, как следствие, без рывков ударного характера;

устойчивостью процесса протекания всего цикла поглощения энергии с началом отсчета - моментом воздействия на него удара;

значительным использованием потенциальных возможностей материала энергопоглощающих элементов за пределом пропорциональности материала в условиях продольного сжатия и изгиба;

быстротой вступления в процесс необратимого энергопоглощения на стадии формирования и нарастания удара практически одновременно с началом сминания легких элементов деформируемой оконечности передней части головного (моторного) вагона;

простотой и технологичностью в изготовлении и монтаже на объекте установки;

доступностью и простотой смены энергопоглощающих элементов, включая замену материала, из которых они изготовлены.

Для достижения поставленной цели устройству созданы условия работы с сочетанием одновременного продольного сжатия и изгиба за пределом пропорциональности материала энергопоглощающих элементов, для чего они изначально выполнены с заданной погибью, в функции от величины продольной силы при ударе, закладываемой при проектировании вагона поезда, например, головного. Начальная стрелка погиби назначается расчетным путем.

Энергопоглощающие элементы под воздействием сжимающей нагрузки при ударе получают добавочную погибь, определяемую заранее расчетным путем, при достижении которой переходят в предельное состояние в районе наибольших значений изгибающего момента. Таким образом переходят в определенное для них рабочее состояние, в котором и начинается их работа, с коэффициентом необратимого поглощения энергии, практически равным единице, в определенном для них режиме энергопоглощения: работа внутреннего изгибающего момента в поперечных сечениях, достигших предельного состояния, а также прилегающих зон, имеющих лишь незначительное упругое ядро, на пути, измеряемом величиной угла поворота при изгибе в полном пластическом состоянии, т.е. величиной необратимого угла поворота.

При этом из процесса поглощения кинетической энергии удара полностью исключен первый этап энергопоглощения, а именно поглощения той части энергии, которая, будучи равной работе внешних сжимающих сил от удара на прямолинейных участках пути, являет собой энергопоглощение за счет накопления энергии упругих деформаций только сжатия поглощающих элементов.

Таким образом, исключен этап, при котором до самого момента потери несущей способности этими элементами, от потери устойчивости или от перехода напряженного состояния за предел пропорциональности материала коэффициент необратимого поглощения энергии удара оставался практически равным нулю, а переход ко второму этапу необратимого поглощения энергии был сопряжен с неизбежностью прохождения устройства через процесс потери устойчивости его энергопоглощающих элементов с вовлечением в этот процесс и некоторых иных элементов конструкции, что носит уже случайный характер.

Исключение из работы энергопоглощающего устройства процесса потери устойчивости его элементов освобождает оборудованные им вагоны от рывков ударного характера, снижая тем перегрузки, испытываемые пассажирами в аварийных ситуациях.

На фиг. 1, 3 и 5 (левый чертеж) изображено устройство поглощения энергии по варианту 1, где энергопоглощающие элементы размещены в один ярус по высоте (ширине).

На фиг. 2, 4 и 5 (правый чертеж) - устройство поглощения энергии по варианту 2, где энергопоглощающие элементы размещены в несколько ярусов по высоте (ширине), например, в два.

На фиг. 3 и 4 показан вид устройства поглощения энергии в плане; на фиг. 1 и 2 - разрез по продольному сечению; на фиг. 5 - вид по стрелке A.

Устройство поглощения энергии содержит подвижную упорную плиту 1, ребра жесткости 2, подвижную стабилизирующую опору 3, легкие штифты 4, гибкие бугеля 5, направляющие 6, энергопоглощающие элементы 7 и 8, неподвижную опору 9 и неподвижную упорную плиту 10.

Подвижная упорная плита 1 вынесена в виде консоли за торцевые сечения направляющих 6 и наиболее приближена к обводам вагона, имея с ними, по возможности, наиболее близкие очертания.

С подвижной упорной плитой 1 скреплены ребра жесткости 2, которые служат как для увеличения жесткости, так и для обеспечения объемности плиты, что имеет целью увеличение вероятности наиболее раннего контактного взаимодействия с препятствием или вминаемыми внутрь вагона элементами конструкции вагона и вовлечения плиты 1 в движение по направляющим 6 при ударном столкновении вагона с препятствием.

Подвижная упорная плита 1 совместно с ребрами жесткости 2 закреплена на подвижной стабилизирующей опоре 3, совместно с которой совершает движение по направляющим 6.

Подвижная стабилизирующая опора 3 имеет боковые консоли, которыми опирается на направляющие 6 и которыми скользит по этим направляющим.

Штифты 4 обеспечивают легкое крепление энергопоглощающих элементов 7 и 8 в гнездах подвижной стабилизирующей и неподвижной опор, исключающее вибрационное соударение при движении поезда в нормальных условиях его эксплуатации.

Гибкие бугеля 5, будучи закреплены одним концом на подвижной стабилизирующей опоре 3, другим - на энергопоглощающих элементах 7 и 8, обеспечивают страхующую связь элементов 7 и 8 в условиях аварийного столкновения вагона с преградой; такую же роль они играют, будучи закреплены одним концом на неподвижной опоре 9, другим - на элементах 7 и 8.

Направляющие 6, закрепленные неподвижно, обеспечивают заданное движение подвижной стабилизирующей опоры 3, вместе с тем выполняя для нее функцию фундамента.

Энергопоглощающие элементы 7 и 8 собраны в специальные функциональные обоймы путем посадки головок их хвостовых частей, выполненных на торцах в виде шарниров, например цилиндрических, в гнезда подвижной стабилизирующей опоры 3 и неподвижной опоры 9, выполненные по тому же типу шарнира.

Энергопоглощающие элементы 7 и 8 - главные функциональные элементы устройства поглощения энергии имеют заданную им начальную кривизну, ориентированную в любом направлении, например, вверх - элементы 7 и вниз - элементы 8, в последнем случае вертикальные составляющие осевых усилий элементов 7 и 8 в местах контакта головок их хвостовых частей с подвижной стабилизирующей опорой 3 и неподвижной опорой 9, выполненными, например, цельными, едиными для всех элементов 7 и 8, при продольном сжатии элементов 7 и 8, обусловленном движением подвижной стабилизирующей опоры 3 в сторону неподвижной опоры 9, эти вертикальные составляющие осевых усилий имеют направления, противоположные по знаку, чем достигается снижение вплоть до полного снятия вертикальных усилий, действующих на направляющие.

Неподвижная опора 9 закреплена на неподвижной упорной плите 10, которая, в свою очередь, - на несущих элементах конструкции вагона.

Устройство поглощения энергии работает следующим образом. При утоплении подвижной упорной плиты 1 в результате воздействия на нее ударной нагрузки на всю величину выноса ее консоли, до плоскости торцевых сечений направляющих 6, подвижная стабилизирующая опора 3 обеспечивает, например, путем толкания передвижение подвижной головки хвостовых частей элементов 7 и 8 вдоль направляющих 6 на расстояние, достаточное для того, чтобы этими энергопоглощающими элементами была необратимо поглощена заданная величина кинетической энергии удара.

При вхождении устройства поглощения энергии в рабочий режим с началом движения упорной стабилизирующей плиты 1 совместно с подвижной стабилизирующей опорой 3 штифты 4 легко разрушаются, не являясь препятствием запланированной работе энергопоглощающих элементов 7 и 8; при этом гибкие бугели 5 не препятствуют ни линейному перемещению подвижной части элементов 7 и 8, ни углу поворота хвостовых частей элементов 7 и 8 относительно подвижной стабилизирующей опоры 3 и неподвижной опоры 9 соответственно.

Направляющие 6, закрепленные неподвижно, обеспечивают направленное, например, прямолинейное перемещение подвижной стабилизирующей опоры 3 в сторону неподвижной опоры 9, в результате чего достигается заданное перемещение подвижной, шарнирно обработанной головки хвостовика элементов 7 и 8 таким образом, что геометрический центр шарнирной части головки движется по линии, например, прямой, проходящей через геометрические центры обеих - подвижной и неподвижной шарнирных частей головок хвостовых частей каждого из элементов 7 и 8.

Энергопоглощающие элементы 7 и 8, выполненные с начальной погибью заданной формы, под воздействием подвижной стабилизирующей опоры 3 приводятся в движение в том же направлении, и подвижная головка элементов 7 и 8 проходит в сторону неподвижной опоры 9 тот же путь, что и подвижная стабилизирующая опора 3. При этом энергопоглощающие элементы 7 и 8, находясь под воздействием одновременно сжатия и изгиба, получают добавочную погибь, быстро растущую по мере пройденного пути подвижными частями элементов 7 и 8, и уже в условиях глубоких пластических деформаций в поперечных сечениях, прилегающих, например, к средней части длины пролета энергопоглощающих элементов (в районе наибольших значений изгибающего момента в поперечном сечении этих элементов), поглощают энергию удара, с коэффициентом необратимого поглощения энергии, практически равным единице. Механизм поглощения кинетической энергии удара: работа внутреннего изгибающего момента в поперечных сечениях энергопоглощающих элементов, достигших предельного состояния и прилегающих зон с незначительным упругим ядром на пути, измеряемом величиной необратимого угла поворота.

Достигнутая неразрывность цикла энергопоглощения как единого целого, уход от дискретности в протекании этого процесса позволяют, не оставляя места для функционального срыва из области упругих деформаций в область деформаций пластических, войти в них, в потенциально богатые, именно по использованию энергоемкости материала, области глубоких пластических деформаций, войти на запланированную, расчетным путем найденную величину, обеспечив, в итоге, реализацию требуемой энергоемкости поглощения кинетической энергии удара при достаточно оптимальных весогабаритных характеристиках поглощающего устройства, в целом, или удельной энергоемкости, если исходить лишь из одной весовой характеристики, но главное, без рывков ударного характера, которые неизбежны при потере устойчивости элементами энергопоглощающих зон поезда типа TGV 2N.