Барьер противотаранный шлагбаумного типа
ANTI-RAM BARRIER OF BOOM BARRIER TYPE

Изобретение относится к механическим устройствам, в частности к средствам ограничения движения транспорта шлагбаумного типа, предназначенных для остановки транспортных средств всех категорий в случае несанкционированного проезда на охраняемые, режимные объекты и территории. Технический результат - повышение противотаранных свойств барьера за счет введения дополнительного силового троса, который проходит через каналы в основании и опорах и соединяет их между собой, тем самым обеспечивая равномерное распределения энергии взаимодействия по всем силовым элементам барьера. Барьер противотаранный шлагбаумного типа включает основание, опоры, балку с выполненным внутри нее силовым тросом, дополнительный силовой трос, проходящий в каналах опор и основания. Заявляемый противотаранный барьер устанавливается на ровную поверхность и не требует наличия бетонного фундамента, а также проведения каких-либо земляных работ при монтаже.
Известна конструкция противотаранного барьера шлагбаумного типа (см. RU 2621774 С2, E01F 13/10 (2006.01) от 25.04.17) для задержания транспортных средств в виде стрелы, выполненной в виде фермы из стальных замкнутых прямоугольных профилей. На обоих концах стрелы расположены штыри, сделанные в виде цилиндров из высокопрочной стали. Внутри верхнего и нижнего пояса фермы проходят стальные канаты, которые огибают штыри, образуя замкнутую систему. Основными элементами являются стальные канаты, штыри и опоры, образующие единую замкнутую силовую систему с фундаментом.
Недостаток описанного устройства состоит в том, что силовые опоры барьера связаны между собой через фундамент. Противотаранные свойства определяются только прочностью на разрыв натянутых и закрепленных стальных тросов или прочностью на разрыв мест закрепления тросов к опорам и опор к фундаменту. Для обеспечения надежной защиты данный барьер требует наличие очень прочного фундамента, что приводит к большому объему трудоемких и дорогостоящих земляных и бетонных работ при монтаже.
Еще одним недостатком данной конструкции является отсутствие возможности поворота стрелы в горизонтальной плоскости.
Известна конструкция противотаранного барьера, содержащего шарнирную и замковую опоры, выполненные из двух металлических труб разного диаметра с вваренной в них арматурой, залитой бетоном, и балку, сваренную из двух швеллеров в форме короба, закрепленную на опорах с возможностью ее поворота в горизонтальной плоскости, внутри балки вмонтированы предварительно натянутые стальные тросы, закрепленные по концам балки (см. RU 2338830 C1, E01F 13/10 (2006.01) от 20.11.2008).
Недостаток описанного устройства состоит в том, что силовые опоры бетонируются в грунт на обочинах проезжей части дороги на глубину примерно 1,5 метра. Противотаранные свойства определяются только прочностью на разрыв натянутых и закрепленных стальных тросов или прочностью на разрыв мест закрепления тросов к опорам. Для обеспечения надежной защиты данный барьер требует проведения большого объема трудоемких и дорогостоящих земляных и бетонных работ при монтаже силовых опор.
Еще одним недостатком данной конструкции является отсутствие возможности поворота стрелы в вертикальной плоскости.
Наиболее близким к изобретению по конструктивному решению и достигаемому техническому результату, и выбранный авторами в качестве прототипа, является противотаранный барьер, содержащий основание, силовые опоры, балку, выполненную из стального профиля замкнутого сечения, в которую установлен предварительно натянутый силовой трос, и шарнирную опору, обеспечивающую поворот балки. (см. RU 2677730 С1, E01F 13/10 (2018.08) от 21.01.2019).
Недостатком описанного устройства является то, что его противотаранные свойства определяются не только прочностью на разрыв предварительно натянутого силового троса, прочностью на разрыв мест закрепления троса к опорам, но и прочностью мест крепления силовых опор к основанию. Т.к. у данного барьера отсутствует прочный бетонный фундамент, то место крепления силовых опор к основанию, помимо прочих узлов, определяет общую конструкционную прочность изделия, и участвует в передачи энергии взаимодействия от силовых опор основанию. При недостаточной прочности этого узла возможен отрыв силовых опор от основания в момент наезда транспортного средства, что приведет к разрушению противотаранного барьера.
Заявленный авторами барьер противотаранный шлагбаумного типа (см. Рис. 1) включает в себя балку с выполненным внутри нее силовым тросом 1, основание 2, опоры 3, и дополнительный силовой трос 4, проходящий в каналах опор и основания.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, и техническим результатом, который достигается при осуществлении настоящего изобретения, является повышение противотаранных свойств барьера, за счет внедрения дополнительного силового троса, который обеспечивает равномерное распределения энергии взаимодействия по всем силовым элементам барьера.
Поставленная задача решается внедрением в конструкцию дополнительного силового троса, связывающего две опоры между собой через основание, и регламентированием диаметра дополнительного силового троса и оптимальных параметров каналов, в которых проходит трос.
Технический результат достигается тем, что обе опоры соединены между собой дополнительным силовым тросом, проходящим в опорах и основании через каналы с внутренним диаметром не менее 1,5 диаметров дополнительного силового троса, а диаметр дополнительного силового троса составляет 0,8-2,0 диаметра силового троса балки.
Барьер противотаранный шлагбаумного типа работает следующим образом.
При наезде транспортного средства на барьер противотаранный шлагбаумного типа происходит взаимодействие с балкой. В начальный момент времени взаимодействия происходит интенсивная пластическая деформация транспортного средства в зоне воздействия балки. Интенсивность деформации определяется высокой энергией взаимодействия и локализацией воздействия балки на транспортное средство - по линии, проходящей в месте касания балки и транспортного средства. В этот же момент времени профиль балки начинает деформироваться с одновременным натяжением установленного в балке силового троса. Силовой трос, проходящий через балку, начинает передавать энергию удара на опоры, что может привести к заваливанию опор внутрь, в сторону транспортного средства, или к отрыву силовых опор от основания. В это же время, трос, проходящий в основании и соединяющий опоры между собой через основание, принимает часть энергии удара на себя и передает ее на основание, тем самым препятствую заваливанию опор в сторону транспортного средства. Таким образом, вся кинетическая энергия транспортного средства равномерно распределяется между всеми силовыми элементами конструкции: балкой, опорами и основанием.
Маловероятна ситуация, когда взаимодействие таранящего транспортного средства с противотаранным барьером произойдет строго в центре балки. Как правило, точка удара смещена в сторону от центра. В такой ситуации нагружение опор через силовой трос балки будет неравномерным. Задача дополнительного силового троса состоит как раз в том, чтобы с более нагруженной опоры передать энергию взаимодействия на менее нагруженную опору через основание. Для этого дополнительному силовому тросу необходимо иметь возможность перемещения внутри каналов.
В случае, когда диаметр каналов менее 1,5 диаметров дополнительного силового троса, сам дополнительный трос оказывается слишком зажат внутри каналов. При высокоскоростном нагружении возникает локализация деформации троса из-за большого трения о стенки каналов, что может привести к неравномерному распределению энергии взаимодействия, а также к разрушению троса. Более того, изготовление противотаранного барьера шлагбаумного типа становится нетехнологичным из-за осложнения и повышения трудоемкости его установки внутрь каналов.
С целью обеспечения оптимальных прочностных характеристик барьера противотаранного шлагбаумного типа в целом диаметр дополнительного силового троса составляет 0,8-2,0 диаметра силового троса балки. В противотаранном барьере шлагбаумного типа в закрытом (боевом) положении образуется замкнутая силовая система тросов, состоящая из силового троса в балке и дополнительного силового троса, соединяющего опоры через основание. Дополнительный силовой трос всегда длиннее силового троса балки не менее, чем на 20%. Поэтому удельная нагрузка на единицу длины дополнительного силового троса будет меньше, чем у силового троса балки также не менее, чем на 20%. Исходя из вышесказанного, для обеспечения оптимальных прочностных характеристик силовой системы тросов минимально допустимый диаметр дополнительного силового троса выбирается на 20% меньше (т.е. 0,8) диаметра силового троса балки. При диаметре дополнительного силового троса менее 0,8 диаметров силового троса балки, его прочности может быть недостаточно в момент экстремального нагружения, что может привести к его разрыву.
При диаметре дополнительного силового троса более 2,0 диаметров силового троса балки, уменьшается его гибкость. Каналы, выполненные в противотаранном барьере, образуют П-образную форму, а дополнительный силовой трос, выполненный в каналах, изгибается на 90 градусов при переходе из опор в основание. При динамическом нагружении дополнительного силового троса в местах изгиба резко возрастает сила трения между тросом и стенками каналов, возможно закусывание троса. Это приводит к тому, что трос не выполняет свою основную функцию по распределению энергии взаимодействия между двумя опорами и основанием, а также к возможному разрушению троса.
Также увеличение диаметра дополнительного силового троса более 2,0 диаметров троса балки приводит к увеличению диаметров каналов в основании и опорах, что, в свою очередь, приводит к увеличению массогабаритных характеристик. Уменьшение гибкости троса с увеличением диаметра создает технологические сложности при прокладке троса в каналах.
В итоге, увеличение диаметра дополнительного силового троса более 2,0 диаметров силового троса балки приводит увеличению массогабаритных характеристик, трудоемкости изготовления и, соответственно, себестоимости.
Таким образом, оптимальный диаметр дополнительного силового троса составляет 0,8-2,0 диаметра силового троса балки.
С целью снижения массы и себестоимости изделия, роль каналов могут выполнять элементы конструкции опор и основания.
С целью снижения массы изделия, дополнительный силовой трос может быть выполнен из высокомодульного полимерного материала. Как известно, например, стальной трос тяжелее троса, выполненного из высокомолекулярных полимерных волокон, аналогичного по разрывной нагрузке, минимум в 10 раз.
Описанное изобретение может быть применено в барьерах противотаранных шлагбаумного типа с перемещением стрелы как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскостях, что расширяет область его применения.
Предлагаемое техническое решение было реализовано в опытном образце барьера противотаранного шлагбаумного типа, включающего основание, опоры, балку с выполненным внутри нее силовым тросом силовым тросом, а также дополнительным силовым тросом, проходящим в каналах опор и основания.
Балка была выполнена из стальной трубы ∅159×5 мм. Внутри балки установлен предварительно натянутый силовой трос. Цельносварное основание, каркас которого был выполнен из швеллера №12, было обшито рифленым стальным листом толщиной 8 мм, ориентированным рубашкой наружу. На основание были установлены две силовые опоры, выполненные из швеллера №20 и обшитые стальными листами. Балка установлена на шарнирной опоре посредством вала ∅60 мм и подшипников, расположенных внутри опоры. В качестве дополнительного силового троса был взят стальной канат ∅28 мм по ГОСТ 2688-80, а в качестве каналов была использована труба 60×60×4.
Испытания по экстремальному нагружению опытного образца барьера противотаранного шлагбаумного типа проводились 26.08.2020 на полигоне ИЦ НИЦИАМТ ФГУП «НАМИ» (аттестат аккредитации № RA.RU.21MT02). Таран производился автомобилем КАМАЗ-5511 массой 20010 кг на скорости 40,2 км/ч.
Выдержка из Протокола испытаний №1644/C0/W/W/186-20 от 31.08.2020: «Автомобиль в результате наезда на противотаранный барьер шлагбаумного типа был остановлен и удержан противотаранным устройством». Фотография противотаранного барьера и автомобиля после испытаний показаны на Рис. 2.
В результате осмотра опытного образца барьера противотаранного шлагбаумного типа видно, что после наезда транспортного средства произошла деформация стрелы и основания изделия. Заваливания силовых опор внутрь (в сторону транспортного средства), равно как и отрыва их от основания, не произошло. Это говорит о том, что предлагаемый авторами дополнительный силовой трос, связывающий силовые опоры и основание, успешно выполнил свою функцию по равномерному распределению энергии взаимодействия между всеми силовыми элементами конструкции.
Таким образом, действие заявляемых параметров изобретения позволило обеспечить достижение заявленного технического результата - повышение противотаранных свойств барьера, за счет внедрения дополнительного силового троса, который обеспечивает равномерное распределения энергии взаимодействия по всем силовым элементам барьера.
Заявленное техническое решение по конструктивным особенностям барьера противотаранного шлагбаумного типа является новым, так как совокупность отличительных признаков изобретения, в том числе и в частных случаях, неизвестна из литературных данных и практического опыта работ в этой области.
Решение соответствует критерию «изобретательский уровень», так как предложенное не следует явным образом для специалиста из анализа отечественного и зарубежного уровня техники.