Буферное устройство поглощения энергии

Полезная модель относится к железнодорожным транспортным средствам с устройствами для поглощения энергии удара при аварийном столкновении.
В настоящем описании термины будут использоваться в следующем толковании:
внутренний конус - коническая деталь или конический элемент, внутренняя поверхность которых коническая;
деформирующий элемент - деталь, непосредственно взаимодействующая на крэш-элемент, в настоящей полезной модели это коническая матрица или оправка;
крэш-аппарат - устройство для поглощения кинетической энергии аварийного столкновения подвижного состава за счет контролируемой необратимой деформации входящего в его состав крэш-элемента;
крэш-элемент - необратимо деформируемая деталь, на деформацию которой расходуется энергия столкновения;
матрица - деталь крэш-аппарата, в которую вдавливается трубчатый крэш-элемент, на редуцирование которого расходуется энергия столкновения; в уровне техники иногда не вполне корректно называется фильерой;
оправка - деталь крэш-аппарата, на которую насаживается трубчатый крэш-элемент, на раздачу которого расходуется энергия столкновения, в уровне техники встречается эквивалентное название пуансон:
устройство поглощения энергии - по ГОСТ 32410-2013.
Известен закрепленный на неподвижной опоре крэш-аппарат, содержащий скрепленный одним концом с удароприемным оголовком, в качестве которого служит стандартная автосцепка, трубчатый крэш-элемент и охватывающий один из его концов деформирующий элемент в виде кольцевой матрицы, скрепленной с опорой, причем взаимодействующие поверхности крэш-элемента и матрицы выполнены в виде соответственно наружного и внутреннего усеченных конусов с близкими углами при вершине [RU № 2253583].
Автосцепке удароприемного оголовка при монтаже придают обычное для автосцепок положение, чтобы она могла нормальным образом взаимодействовать с автосцепкой затормаживаемого поезда. Поскольку известный крэш-аппарат является частью тупикового упора, жестко скреплен с тупиковой призмой, не подвергается ударам или вибрации, вероятность поворота автосцепки вместе с крэш-элементом вокруг продольной оси последнего практически равна нулю. Но применять подобную конструкцию на подвижном составе нельзя. Как бы крепко ни был первоначально запрессован конец крэш-элемента в фильере, бесконечные толчки, удары и вибрация, сопровождающие движение, вызовут ослабление посадки и поворот автосцепки в нерабочее положение.
Известны также боковые и центральный крэш-аппараты с трубчатым крэш-элементом, и подвижным деформирующим элементом в виде поршня, на переднем конце которых укреплены противоподъемные ударные ребристые плиты или пассажирские сцепные устройства [SU № 2520632].
Известные крэш-аппараты не предотвращают поворота плит или сцепных устройств вместе с крэш-элементами, на конце которых они закреплены, поворота вполне неизбежного из-за толчков, ударов, вибраций и термоциклирования, которым подвергаются все элементы подвижного состава. В случае поворота ударных плит их ребра не смогут предотвращать подъем на препятствие. В случае поворота сцепного устройства исключается возможность присоединения к нему другой единицы подвижного состава.
Наиболее близким к предложенному по технической сущности и достигаемому результату является крэш-аппарат рельсового транспортного средства, содержащий неподвижный трубчатый крэш-элемент и установленный внутри него подвижный деформирующий элемент, выполненный в виде кольцевой оправки-пуансона из твердой стали, причем взаимодействующие поверхности крэш-элемента и пуансона выполнены в виде соответственно внутреннего и наружного усеченных конусов с близкими углами при вершине. Деформирующий элемент через поглощающий аппарат соединен с буфером или автосцепкой [RU № 2359853].
Конструкция известного крэш-аппарата также не предотвращает поворота деформирующего элемента относительно крэш-элемента, а вместе с ним и концевого устройства: буфера или сцепки. Для буфера с круглой тарелкой такой поворот еще терпим, но для ребристой плиты или сцепного устройства требуется безусловное соблюдение заданной ориентации в течение всего срока службы. Вероятность ослабления повышается еще и тем, что в большинстве случаев концевое устройство скрепляется с крэш-аппаратом консольно. Это снижает надежность защиты подвижного состава, поскольку ни ребристая плита, ни автосцепка, повернутые на некоторый угол от рабочего положения, не смогут выполнить свою функцию при столкновении должным образом.
Техническим результатом от использования предложенной полезной модели является повышение надежности защиты подвижного состава за счет предотвращения поворота концевого устройства, сопряженного с крэш-элементом или деформирующим элементом крэш-аппарата.
Указанный технический результат достигается благодаря тому, что на поверхности деформирующего элемента, взаимодействующей с трубчатым крэш-элементом, выполнены канавки, глубина которых составляет 0,003…0,02, а ширина - 0,03…0,2 от наибольшего диаметра рабочей части деформирующего элемента.
Благодаря наличию канавок с указанными параметрами при первоначальной запрессовке крэш-элемента его материал проникает в канавки деформирующего элемента, образуя подобие шлицевого соединения. Это исключает возможность их взаимного поворота в ходе эксплуатации единицы подвижного состава, оборудованной предложенными крэш-аппаратами, тем самым обеспечивая постоянную готовность к действию буферного или сцепного устройства, использующего крэш-аппарат.
Существо полезной модели поясняется чертежами.
На фиг. 1 показан крэш-аппарат с трубчатым крэш-элементом, конец которого заправлен в фильеру.
На фиг. 2 показан фрагмент сечения фильеры плоскостью, перпендикулярной образующей ее конуса.
На фиг. 3 показан фронтальный вид со стороны большего диаметра на фильеру предложенного крэш-аппарата.
На фиг. 4 показан крэш-аппарат с трубчатым крэш-элементом, насаженным на пуансон с деформирующим элементом на конце.
На фиг. 5 показан фронтальный вид со стороны меньшего диаметра на деформирующий элемент предложенного крэш-аппарата.
В предложенных крэш-аппаратах энергия столкновения расходуется на деформирование трубчатого крэш-элемента. Возможны два равноправных с точки зрения достижения заявленного технического результата варианта конструктивного исполнения предложенного крэш-аппарата. В первом варианте энергия расходуется на уменьшение (редуцирование) диаметра трубчатого крэш-элемента 1 продавливанием его усилием столкновения через кольцевую коническую матрицу 2 из твердого материала (фиг. 1). Во втором варианте энергия расходуется на раздачу (увеличение диаметра) трубчатого крэш-элемента 1 насаживанием его на деформирующий элемент, состоящий из конической оправки (пуансона) 3, выполненной из твердого материала, и установленный на конце трубы 4.
В исходном, то есть до столкновения, состоянии один из концов крэш-элемента заранее, то есть при изготовлении, деформирован с образованием внешнего (фиг. 1) или внутреннего (фиг. 2) конуса, который соответственно, либо заправляется в фильеру 2 либо насаживается на оправку 3 и трубу 4.
3
В первом варианте диаметр матрицы 2 плавно уменьшается, а во втором диаметр оправки  плавно увеличивается в направлении от конца крэш-элемента.
В крэш-аппарате первого варианта (фиг. 1) обычно фильера 2 закреплена в плите 5, установленной на раме 6 вагона или локомотива, а ребристая ударная плита 7 или сцепка - на свободном конце крэш-элемента.
В крэш-аппарате второго варианта (фиг. 4) возможны два исполнения: когда ребристая ударная плита 7 или сцепка укреплены на свободном конце трубы 4 либо когда они укреплены на свободном конце крэш-элемента 1, как это показано на фиг. 4. Второй из взаимодействующих элементов крэш-аппарата закрепляется в плите 5, установленной на раме 6 вагона.
Крэш-аппарат в исполнении по первому варианту короче и нет риска того, что труба крэш-элемента лопнет по образующей в момент раздачи, снизив тем самым усилие деформации до минимума. При низких (до - 60°C) температурах, при которых должны работать отечественные железные дороги, этот риск должен приниматься во внимание. Крэш-аппарат по второму варианту при равной длине хода крэш-элемента вдвое длиннее первого и его применение целесообразно в случаях большого рассстояния от рамы до передней части вагона или локомотива.
На рабочей, то есть непосредственно взаимодействующей с крэш-элементом, конической поверхности матрицы 2 или пуансона3 выполнены канавки 8 или 9, направленные вдоль образующей конической поверхности. Как показали испытания, форма поперечного сечения канавок не оказывает влияние на достижение заявленного технического результата и определяется удобством изготовления.
Так для фильеры 2 канавки могут быть нарезаны цилиндрической торцевой фрезой, конец которой перемещается вдоль образующей конуса матрицы. В поперечном сечении получаемые канавки 8 имеют профиль кругового сегмента. Помимо удобства изготовления, канавки с таким профилем не создают концентраторов напряжений и меньше ослабляют матрицу, работающую на радиальное растяжение.
Для оправки 3 анавки могут быть нарезаны дисковой фрезой. Считая квадрат и треугольник предельными вырожденными случаями трапеции, можно называть поперечный профиль получаемых таким способом канавок 9 рапецеидальным (фиг. 5). Предпочтительным является трапецеидальный профиль с соотношением оснований трапеции 1:(1,2…2), поскольку при таком соотношении металл крэш-элемента гарантированно заполняет полностью всю канавку.
h
t
D
D
Существенным для достижения заявленного технического результата является соотношение размеров канавок  и  с диаметром  деформирующего элемента 2 или 3 фиг. 2). Поскольку рабочая поверхность деформирующего элемента коническая, в данном описании диаметром  деформирующего элемента считается наибольший диаметр деформирующего элемента, непосредственно соприкасающийся с крэш-элементом (см. фиг. 1 и 4).
h
t
D
h
t
Стендовыми испытаниями установлен диапазон допустимых изменений соотношений размеров =(0,003…0,02)2) и =(0,03…0,2). При уменьшении любого из соотношений ниже нижнего из указанных пределов происходит срыв материала крэш-элемента, внедренного в канавки, под действием крутящего момента 2000 Н⋅м. Вращательное усилие с таким моментом, как установлено расчетным путем, может возникнуть в ходе эксплуатации крэш-аппарата с ударной плитой или автосцепкой, увеличение обоих параметров  и  сверх высших указанных пределов, снижает прочность деформирующего элемента.
Количество канавок 8 или 9 определяется диаметром трубы крэш-элемента 1 должно быть не менее трех для диаметра трубы 100 мм, не менее пяти для диаметра 180 мм и не менее семи для диаметра 220 мм. Предпочтительным является симметричное расположение канавок. На фиг. 3 показана матрица 2 с тремя канавками 8, а на фиг. 5 - оправка 3 с пятью канавками 9.
Материал деформирующего элемента (обычно это закаленная низколегированная сталь) тверже материала крэш-элемента (конструкционная сталь).
Указанный технический результат может быть достигнут и при использовании крэш-элемента с отличным от круглого поперечным сечением, например, квадратного или овального. Однако такое исполнение оказывается намного дороже.
Опыт практической эксплуатации сотен образцов крэш-аппаратов, изготовленных согласно предложенной полезной модели, показал полное отсутствие поворотов установленных на них плит или сцепок. Выборочные стендовые испытания показали отсутствие разрушений деформирующих элементов с канавками, имеющими заявленные размеры, на полной длине хода крэш-аппарата.