РЕЛЬСОВОЕ ТРАНСПОРТНОЕ СРЕДСТВО С ПРИКРЕПЛЕННОЙ ЗОНОЙ ДЕФОРМАЦИИ
RAIL VEHICLE WITH ATTACHED DEFORMATION ZONE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Изобретение относится к рельсовому транспортному средству, содержащему прикрепленную зону деформации.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Нормы допуска к эксплуатации рельсовых транспортных средств требуют, среди прочего, доказательства определенных значений прочности кузова вагона. Эти нормы требуют, например, доказательства того, что рельсовое транспортное средство может выдерживать без повреждения определенную продольную силу (давления сцепления, буферного давления, давления на концевые поперечные балки). Действующая для Европы норма UIC-556 требует, например, доказательства давления сцепления 2000 кН, действующая в США норма требует 3558 кН (800 kip). Одновременно очень часто требуется обеспечение для повышения пассивной безопасности пассажиров оптимальных характеристик деформации при столкновении.
Для этого необходимо предусматривать конструктивные меры, которые позволяют воспринимать энергию удара так, что деформируемые заданным образом зоны деформации преобразуют эту энергию в энергию деформации и при этом уменьшают нагрузки для пассажиров в транспортном средстве.
Пространства выживания в транспортном средстве также не должны деформироваться слишком сильно, с целью уменьшения вероятности травмирования людей в транспортном средстве, в частности, также находящейся в начале поезда поездной бригады. Это особенно важно, в частности, для составов с подталкивающим локомотивом, соответственно, моторвагонных поездов.
Согласно уровню техники, рельсовые транспортные средства можно легко выполнять с размерами для определенных давлений сцепления, соответственно, давлений концевой поперечной балки. Также возможно предусмотрение подходящих защитных модулей для восприятия энергии деформации. Комбинация требований высокого статического давления сцепления, соответственно, давления концевой поперечной балки и характеристик при столкновении, которые могут уменьшать максимальное торможение транспортного средства и тем самым также нагрузки на пассажиров в случае столкновения, еще не выполняется полностью для структурно интегрированных зон деформации. Другая сложность выполнения этих противоречивых требований состоит в требовании вертикальных концов вагонов, как в начале поезда, так и в конце поезда, что особенно желательно в США. При этом поездная бригада подвергается особой опасности, поскольку в распоряжении имеется лишь очень ограниченное конструктивное пространство для элементов соударения. В одном решении, согласно уровню техники, предусмотрено выполнение пульта управления машиниста в виде жесткой ячейки, которая при столкновении вдвигается внутрь транспортного средства. Однако за счет этого не может быть достигнуто уменьшение ускорения, которое воздействует на находящего у пульта управления человека. Другой трудностью для обеспечения оптимальной относительно деформации конструкции является часто используемый в США смешанный режим пассажирского движения и грузового движения также на пригородных участках, так что увеличивается количество возможно попадающих в столкновения транспортных средств. При этом решение затрудняется тем, что грузовые вагоны и особенно используемые в США локомотивы практически не имеют рассеивающих энергию свойств. Эти локомотивы необходимо на основании их массивной конструкции рассматривать практически жесткими, и они представляют, кроме того, как правило, на основании их большей конструктивной высоты, геометрически полностью не совместимого для вагонов участников столкновения.
С одной стороны, статические расчетные и испытательные нагрузки не должны приводить к пластичной деформации конструктивных элементов, в частности, элементов соударения, что принудительно приводит к очень жестким конструкциям тележек вагонов. С другой стороны, в случае столкновения, специально предусмотренные для уменьшения энергии элементы соударения вместе с само по себе жесткими конструкциями тележек вагонов должны целенаправленно пластично деформироваться также при столкновении с геометрически не совместимыми участниками аварии. В качестве геометрически несовместимых рассматриваются участники столкновения, у которых удар происходит в не предусмотренных для столкновения местах. Например, при смещенном вертикально вверх относительно тележки вагона столкновении, которое может происходить при столкновении пассажирского вагона с локомотивом или грузовым вагоном. С помощью известных из уровня техники решений это возможно лишь очень недостаточно.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Поэтому в основу изобретения положена задача создания рельсового транспортного средства с прикрепленной зоной деформации, которая, с одной стороны, может выдерживать очень высокие осевые силы сжатия, с другой стороны, имеет хорошие характеристики деформации при столкновениях, в частности, также с геометрически не совместимыми транспортными средствами, и предусмотрена особенно для образования вертикальных концов вагонов.
Задача решена с помощью рельсового транспортного средства, содержащего прикрепленную зону деформации, с признаками пункта 1 формулы изобретения. Предпочтительные варианты выполнения изобретения являются предметом зависимых пунктов формулы изобретения.
В соответствии с основной идеей изобретения, приводится описание рельсового транспортного средства с прикрепленной зоной деформации, которое содержит по меньшей мере одну предусмотренную в торцевой зоне концевую поперечную балку и расположенные, по существу, вертикально, исходящие от концевой поперечной балки угловые колонны, и при этом на торцевой стороне предусмотрена зона деформации, которая содержит расположенную на расстоянии параллельно концевой поперечной балке в направлении торца переднюю поперечную балку и по меньшей мере один передающий силу элемент, и при этом между концевой поперечной балкой и передней поперечной балкой расположен по меньшей мере один передающий силы элемент, который передает продольные силы сжатия между концевой поперечной балкой и передней поперечной балкой до определенного значения без пластичной деформации и при превышении этого определенного значения складывается или разрушается.
Согласно одной предпочтительной модификации, рельсовое транспортное средство, согласно изобретению, содержит наклонные колонны, которые расположены между передней поперечной балкой и концевой колонной и которые передают воздействующие на переднюю поперечную балку вертикальные силы и вводят в структуру транспортного средства.
В другой модификации изобретения предусмотрено расположение по меньшей мере одного элемента деформации в зоне деформации так, что он не участвует в передаче рабочих нагрузок, но при столкновении после складывания или разрушения передающего силы элемента вступает в действие и по меньшей мере частично рассеивает кинетическую энергию столкновения.
За счет этого достигается то преимущество, что может быть реализовано рельсовое транспортное средство, которое может надежно выдерживать определенные продольные силы (давления сцепления, буферного давления, давления концевой продольной балки), с другой стороны, имеет характеристики рассеяния энергии деформации, которые уменьшают воздействующие на пассажиров силы при столкновении.
Передающий силы элемент и возможно наклонные колонны зоны деформации, согласно изобретению, выполнены так, что они имеют достаточную прочность для надежной передачи всех рабочих и испытательных сил между передней поперечной балкой и концевой поперечной балкой, соответственно, угловыми колоннами. Существенным свойством передающего силы элемента является то, что он имеет такие размеры, что при превышении нагрузки разрушения этот передающий силы элемент складывается или разрушается так, что он больше не оказывает существенного сопротивления дальнейшей деформации.
Такое свойство может быть достигнуто, например, тем, что задающие прочность конструктивные элементы в случае разрушения изгибаются под действием продольной нагрузки, поскольку для деформации перегиба требуется значительно меньшая сила, чем для деформации сжатия или растяжения. Такое же свойство может быть достигнуто также тем, что задающие прочность конструктивные элементы имеют такое соединение, которое разрушается при заданной перегрузке, например, соединение внахлестку с помощью заклепок, которые при определенной нагрузке срезаются. За счет этого передающий силы элемент после своего разрушения участвует в последующем рассеянии энергии лишь незначительно или вообще не участвует. Поэтому это рассеяние энергии может происходить в предусмотренных для этого элементах деформации.
Целесообразно выполнять передающий силы элемент за счет, по существу, Х-образного расположения плит, при этом ввод сил происходит через противоположно лежащие стороны этой Х-образной системы плит. Существенно, что линия пересечения плит расположена поперек направления силы, поскольку при этом происходит надежное изгибание плит. В противоположность этому, расположение линии пересечения в направлении силы приводило бы к получению конструктивного элемента, график зависимости пути, от силы которого при пластичной деформации имеет на всем пути деформации очень высокий уровень силы и который нельзя применять в качестве передающего силы элемента для данного изобретения.
Если возникает случай, что геометрически не совместимый участник столкновения ударяется сначала в наклонные колонны и элемент деформации, то Х-образная система плит реагирует достаточно чувствительно и складывается за счет сильно не центральной нагрузки, которая за счет ожидаемой затем пластичной деформации наклонных колонн имеет скорее вызывающий деформацию характер, так что и в таком случае передающий силы элемент принимает лишь очень небольшое участие в рассеянии энергии.
В одном варианте выполнения передающего силы элемента предусмотрено, что отдельные плиты, которые образуют, по существу, Х-образный передающий силы элемент, выполнены с различной толщиной. За счет этого достигается то преимущество, что можно точно задавать нагрузку разрушения и направление изгиба. Такую систему можно успешно выполнять с помощью компьютерного моделирования относительно ее прочности (нагрузки разрушения), а также ее характеристик деформации.
Кроме того, целесообразно выполнять одну плиту этой Х-образной системы в виде единого целого и с большей толщиной, чем обе другие плиты. За счет этого можно точно задавать нагрузку разрушения.
Кроме того, предпочтительно составлять эту Х-образную систему из нескольких, в частности, трех плит. За счет этого можно особенно точно задавать нагрузку разрушения и характеристики изгиба.
Целесообразно соединять плиты на линии пересечения плит, при этом особенно предпочтительным является сварное соединение.
В качестве другого предпочтительного варианта выполнения, возможно также выполнять передающий силы элемент в виде комбинированного передающего силы и поглощающего энергию элемента, который при превышении заданной нагрузки разрушения рассеивает энергию за счет деформации.
Это можно осуществлять различным образом в соответствии с уровнем техники в строительстве рельсовых транспортных средств. В качестве конкретных возможных вариантов выполнения можно назвать здесь трубчатые элементы соударения, которые при превышении максимальной нагрузки все больше коробятся, удерживаемые с геометрическим замыканием задающие прочность конструктивные элементы, которые при превышении спусковой силы за счет геометрического замыкания подвергаются обработке со снятием стружки, а также трубчатые элементы соударения, которые после превышения спусковой силы расширяются, сужаются или расслаиваются.
Данное изобретение обеспечивает возможность реализации рельсового транспортного средства с зоной деформации, прочность которой для статических нагрузок и пригодность для аварийных нагрузок при столкновениях (с большой пластичной деформацией) можно задавать практически и, по существу, раздельно, и которая пригодна также для столкновений с геометрически не совместимыми участниками движения и, в частности, также для транспортных средств с вертикальными концами вагонов с дверным проемом. Однако зона деформации, согласно изобретению, в принципе может быть предусмотрена на всех обычных типах рельсовых транспортных средств. В качестве геометрически не совместимых участников аварии можно рассматривать, в частности, локомотивы и грузовые вагоны.
В качестве элемента деформации можно использовать все обычные элементы деформации, в частности, также элементы из трубчатых профилей. Можно использовать также элементы деформации в виде алюминиевой сотовой конструкции или из металлической пены.
Данное изобретение особенно пригодно для рельсовых транспортных средств, которые предназначены для допуска к эксплуатации в США, поскольку соответствующие нормы предусматривают ввод испытательных сил через концевую поперечную балку и тем самым на конце вагона можно не предусматривать прикрепленные элементы деформации, поскольку они не могут выдерживать испытательные силы.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На чертежах в качестве примера изображено:
фиг.1 - рельсовое транспортное средство с вертикальным концом вагона, согласно уровню техники, на виде сбоку;
фиг.2 - рельсовое транспортное средство с прикрепленной зоной деформации, на виде сбоку;
фиг.3 - рельсовое транспортное средство с прикрепленной зоной деформации, на виде сверху;
фиг.4 - передающий силы элемент, на виде сбоку;
фиг.5 - рельсовое транспортное средство с прикрепленной зоной деформации и внутренним элементом деформации, на виде сбоку;
фиг.6 - идеализированный график зависимости пути от силы элемента деформации;
фиг.7 - идеализированный график зависимости пути от силы передающего силы элемента;
фиг.8 - компьютерная имитация столкновения в первой стадии, на виде сбоку;
фиг.9 - компьютерная имитация столкновения во второй стадии, на виде сбоку;
фиг.10 - компьютерная имитация столкновения в третьей стадии, на виде сбоку;
фиг.11 - компьютерная имитация столкновения в четвертой стадии, на виде сбоку;
фиг.12 - компьютерная имитация столкновения в пятой стадии, на виде сбоку;
фиг.13 - компьютерная имитация столкновения в первой стадии, в изометрической проекции;
фиг.14 - компьютерная имитация столкновения во второй стадии, в изометрической проекции;
фиг.15 - компьютерная имитация столкновения в третьей стадии, в изометрической проекции;
фиг.16 - компьютерная имитация столкновения в четвертой стадии, в изометрической проекции;
фиг.17 - компьютерная имитация столкновения в пятой стадии, в изометрической проекции.
РЕАЛИЗАЦИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На фиг.1 показано в качестве примера и схематично рельсовое транспортное средство с вертикальными концами вагонов, согласно уровню техники, на виде сбоку. Показан конец рельсового транспортного средства, которое имеет на своем конце концевую поперечную балку EQT.
На эту концевую поперечную балку EQT воздействуют продольные силы, для этого эта концевая поперечная балка EQT имеет соответствующие размеры и при необходимости снабжена крепежными средствами для размещения буферов, сцеплений и т.д.
Перпендикулярно этой концевой поперечной балке EQT предусмотрены угловые колонны ES, которые проходят до крыши рельсового транспортного средства.
Обшивка V служит, по существу, как обычно для защиты и оформления и не имеет соответствующей прочности при столкновении. Показанное на фиг.1 рельсовое транспортное средство не имеет существенных свойств рассеяния энергии, при столкновении на пассажиров действуют большие силы.
На фиг.2 показано в качестве примера и схематично рельсовое транспортное средство с прикрепленной зоной деформации, на виде сбоку. В принципе показана зона деформации, согласно изобретению, при этом рельсовое транспортное средство выполнено как показанный на фиг.1 пример уровня техники. Зона VZ деформации, согласно изобретению, прикреплена на торцевой стороне рельсового транспортного средства и содержит передающий силы элемент KUE, который расположен между концевой поперечной балкой EQT и передней поперечной балкой FQT, при этом передняя поперечная балка FQT расположена параллельно на расстоянии от концевой поперечной балки EQT в направлении конца вагона. Кроме того, предусмотрены наклонные колонны SS, которые соединяют переднюю поперечную балку с угловой колонной ES. Эти конструктивные элементы зоны VZ деформации (передняя поперечная балка FQT, передающий силы элемент KUE и наклонная колонна SS) выполнены так и имеют такие размеры, что они надежно передают все рабочие и испытательные силы между концевой поперечной балкой EQT, соответственно, концевыми колоннами SS, соответственно, колоннами KS столкновения и передней поперечной балкой FQT.
Наклонная колонна SS может содержать также вертикальные участки. Передающий силы элемент KUE имеет при нагрузке график зависимости пути от силы, показанный на фиг.7.
Кроме того, зона VZ деформации содержит элементы VE деформации, которые расположены на торцевой стороне на наклонных колоннах ES и которые имеют при нагрузке график зависимости пути от силы, показанный на фиг.6, т.е. пригодны для рассеяния энергии в случае пластичной деформации. Эти элементы VE деформации расположены так, что они не участвуют в передаче статических нагрузок или лишь при складывании или разрушении передающего силы элемента KUE вступают в действие. Кроме того, при столкновении с геометрически не совместимым участником столкновения вступают в действие элементы VE деформации.
На фиг.3 показано в качестве примера и схематично рельсовое транспортное средство с прикрепленной зоной деформации на виде сверху с передающим силы элементом. Показано рельсовое транспортное средство из фиг.2. В этом примере выполнения предусмотрены четыре расположенные вертикально, соединенные с концевой поперечной балкой EQT колонны. Две из этих четырех колонн, которые являются угловыми колоннами ES, расположены на наружной стороне концевой поперечной балки EQT, две другие колонны, которые являются колоннами KS столкновения, расположены на расстоянии от угловых колонн в направлении середины вагона. Наклонные колонны SS проходят между передней поперечной балкой FQT и соответствующей одной колонной KS столкновения. Такая конструкция соответствует часто желаемому в США типу транспортного средства, при этом средний проход между обеими наклонными колоннами SS легко реализуем. Пространство позади концевой поперечной балки EQT, в частности, между угловой колонной ES и колонной KS столкновения, хорошо пригодно также для расположения, защищенного от столкновений, пульта машиниста. В зависимости от желаемой формы транспортного средства, обшивка V может образовывать наклонные, закругленные или вертикальные концы транспортного средства.
На фиг.4 показан в качестве примера и схематично передающий силы элемент на виде сбоку. Показан передающий силы элемент KUE, который соединяет концевую поперечную балку EQT с передней поперечной балкой FQT. Этот передающий силы элемент KUE имеет график зависимости пути от силы, показанный на фиг.7. Для достижения такой зависимости пути от силы особенно предпочтительно выполнять передающий силы элемент KUE из расположенных Х-образно плит и располагать линию пересечения Х-образно расположенных плит передающего силы элемента KUE поперек продольного направления транспортного средства. За счет такого расположения хорошо возможен расчет нагрузки разрушения, и при этом расположении, после складывания при превышении нагрузки разрушения, дальнейшей деформации оказывается лишь очень небольшое сопротивление.
На фиг.5 показано в качестве примера и схематично рельсовое транспортное средство с прикрепленной зоной деформации и внутренним элементом деформации на виде сбоку. Это является модификацией транспортного средства, согласно изобретению, с прикрепленной зоной VZ деформации, показанного на фиг.2 и 3. Внутренний элемент IVE деформации расположен посредине концевой поперечной балки и поддерживает предпочтительные характеристики деформации транспортного средства, согласно изобретению. Этот внутренний элемент IVE деформации имеет такие размеры, что он вступает в действие лишь после разрушения передающего силы элемента KUE. Кроме того, внутренний элемент IVE деформации улучшает характеристики деформации рельсового транспортного средства при столкновениях с геометрически не совместимыми участниками столкновения, в частности, при столкновении с плоским грузовым вагоном, при котором элемент VE деформации в экстремальных случаях деформируется лишь с опозданием или совсем не деформируется.
На фиг.6 показан в качестве примера и схематично идеализированный график зависимости пути от силы элемента деформации. Показан идеализированный график зависимости пути от силы элемента VE деформации при пластичной деформации. На горизонтальной оси показан путь х деформации, на вертикальной оси показана действующая на элемент VE деформации сила F. Ход изменения силы F имеет сильно нарастающий участок и при дальнейшей деформации затем горизонтальный участок. Область этого горизонтального участка, на котором дальнейшая деформация х происходит при постоянной силе F, представляет существенную для рассеяния энергии область. Если конструктивно заданный максимальный путь деформации исчерпан, т.е. элемент VE деформации полностью сжат, то возникает очень крутое нарастание силы, и элемент VE деформации больше не имеет существенного действия рассеяния энергии.
На фиг.7 показан в качестве примера и схематично идеализированный график зависимости пути от силы передающего силы элемента. Показан график зависимости пути от силы типичного передающего силы элемента KUE при пластичной деформации, соответственно, при нестабильности. На горизонтальной оси показан путь х деформации, на вертикальной оси показана, действующая на передающий силы элемент KUE, сила F. В противоположность показанному на фиг.6 графику зависимости пути от силы элемента VE деформации, ход изменения пути в зависимости от силы передающего силы элемента KUE не имеет после крутого увеличения силы при начинающейся деформации вплоть до максимального значения силы F примыкающего горизонтального прохождения силы. Существенное свойство передающего силы элемента KUE, состоящее, с одной стороны, в способности надежной передачи определенной максимальной силы, но при превышении этой максимальной силы (возможно, увеличенной на определенный фактор безопасности) разрушения и не противодействия дальнейшей деформации, показано на фиг.7. После превышения определенной максимальной силы F происходит дальнейшая деформация при, существенно, более низком, по сравнению с максимальной силой F практически пренебрежительно малом уровне силы. Лишь когда заканчивается конструктивно предусмотренный максимальный путь деформации, т.е. передающий силы элемент KUE полностью сжат, происходит очень крутое увеличение силы.
На фиг.8 показана на виде сбоку компьютерная имитация столкновения в первой стадии, т.е. без деформации. Показана имитация столкновения рельсового транспортного средства с прикрепленной зоной деформации, как на фиг.5, с локомотивом L. Локомотив L представляет массивного, по существу, не деформируемого и геометрически не совместимого участника столкновения. Наклонные колонны SS имеют вертикальные участки. Локомотив L ударяется в точке над передней поперечной балкой FQT, так что в этом месте начинается пластичная деформация. В этом примере выполнения показан другой передающий силы элемент KUE, чем на фиг.4.
На фиг.9 показана на виде сбоку компьютерная имитация столкновения во второй стадии, т.е. с первыми деформациями. Для пояснения протекания процесса деформации на фиг.9-12 нет обозначения позиций. Обшивка V не оказывает деформации достойного упоминания сопротивления и уже разрушена при небольшом пути деформации. Наклонные колонны SS за счет ввода сил в месте соприкосновения с локомотивом L частично направлены вверх, элементы VE деформации проявляют первые деформации и рассеивают энергию деформации. Передающие силы элементы KUE еще сохраняют форму.
На фиг.10 показана на виде сбоку компьютерная имитация столкновения в третьей стадии, т.е. с сильными деформациями. За счет продолжающейся деформации наклонные колонны SS направлены вверх, и лежащие за ними элементы VE деформации почти сжаты. В этой стадии деформации передающие силы элементы KUE уже сложились, проявляются первые деформации угловых колонн ES.
На фиг.11 показана на виде сбоку компьютерная имитация столкновения в четвертой стадии, т.е. с очень сильными деформациями. Элементы VE деформации полностью сжаты, образуются сильные деформации угловых колонн ES.
На фиг.12 показана на виде сбоку компьютерная имитация столкновения в пятой стадии, т.е. с экстремальными деформациями. В этой стадии угловые колонны сильно изогнуты в направлении внутрь вагона, внутренний элемент деформации сработал и полностью сжат.
На фиг.13 показана в изометрической проекции компьютерная имитация столкновения в первой стадии, т.е. без деформации. Показан сценарий из фиг.8 в изометрической проекции и в разрезе посредине в продольном направлении.
На фиг.14 показана в изометрической проекции компьютерная имитация столкновения во второй стадии, т.е. с первыми деформациями. Показан в изометрической проекции сценарий, согласно фиг.9.
На фиг.15 показана в изометрической проекции компьютерная имитация столкновения в третьей стадии, т.е. с сильными деформациями. Показан в изометрической проекции сценарий, согласно фиг.10.
На фиг.16 показана в изометрической проекции компьютерная имитация столкновения в четвертой стадии, т.е. с очень сильными деформациями. Показан в изометрической проекции сценарий, согласно фиг.11.
На фиг.17 показана в изометрической проекции компьютерная имитация столкновения в пятой стадии, т.е. с экстремальными деформациями. Показан в изометрической проекции сценарий, согласно фиг.12.
ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОЧНЫХ ПОЗИЦИЙ
EQT Концевая поперечная балка
ES Угловая колонна
V Обшивка
VZ Зона деформации
FQT Передняя поперечная балка
SS Наклонная колонна
VE Элемент деформации
KUE Передающий силы элемент
KS Колонна столкновения
IVE Внутренний элемент деформации
F Сила
X Путь
L Локомотив