Барьер противотаранный шлагбаумного типа
ANTI-RAM BARRIER OF BOOM GATE 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 установки в узлах крепления опор к основанию, в местах изгиба дополнительного силового троса поворотных роликов, придавая тем самым противотаранному барьеру более высокую степень устойчивости таранному удару. Барьер противотаранный шлагбаумного типа включает основание, опоры, балку с выполненным внутри нее силовым тросом и дополнительным силовым тросом, проложенным в опорах и основании. Заявляемый противотаранный барьер устанавливается на ровную поверхность и не требует наличия бетонного фундамента, а также проведения каких-либо земляных работ при монтаже.
Известна полезная модель шлагбаума противотаранного мобильного ШПМ-L описанная в патенте RU 139316 U1 от 21.11.2013, содержащая основание, приемную стойку с основанием и замковым механизмом, основную стойку с основанием и подъемным механизмом, полую стрелу, внутри усиленную металлическим тросом и противовесом, четыре фундаментных (железобетонных) блока, которые установлены на основания основной и приемной стоек и закреплены на них посредством крепежных лент.
По утверждению авторов технического решения, преимуществом устройства является упрощение эксплуатации шлагбаума и упрощенный процесс его установки, определяемый отсутствием необходимости проведения бетонных и земляных работ. Однако это достоинство является одновременно и недостатком, так как отсутствие общего основания приводит к снижению возможности восприятия больших динамических нагрузок и, следовательно, к снижению надежности конструкции.
Еще одним недостатком данной конструкции является отсутствие возможности поворота стрелы в горизонтальной плоскости.
Отчасти лишен этих недостатков выдвижной противотаранный шлагбаум ВПШ-L, описанный в патенте RU 171932 U1 от 17.02.2017, содержащий основную и приемную силовые стойки и расположенную между ними с возможностью перемещения в горизонтальном направлении балку. Основная силовая стойка шлагбаума имеет механизм перемещения указанной балки, а приемная силовая стойка - механизм запора этой балки, причем в обеих стойках, их фундаментах и самой балке расположены кольцевые тросы.
Недостатком этого устройства является невысокая надежность обеспечения противотаранных свойств, вызванная тем, что их конструкции не являются цельным изделием, не имеют общего для всех элементов основания, приемная и основная стойки закреплены каждая на отдельном основании и устанавливаются раздельно. Применяемые в конструкции данных устройств силовые тросы расположены в отдельных элементах устройств, не образуя в рабочем положении шлагбаума замкнутую систему, что приведет к невозможности равномерного распределения энергии взаимодействия по всем силовым элементам шлагбаума.
Еще одним недостатком является невозможность перемещения балки в вертикальной плоскости и необходимость учитывать наличие определенного пространства за основной силовой стойкой, так как балка шлагбаума движется только в горизонтальной плоскости, перпендикулярно дорожному полотну.
Известно устройство противотаранное, описанное в патенте RU 156994 U1 от 18.03.2015, содержащее фундаментную раму, являющуюся основанием с установленными на ее противоположных концах опорами, и полую балку с двумя каналами, в которых предварительно размещен удерживающий канат. На каждой из опор смонтирован мотор-редуктор с электродвигателем. Концы удерживающего каната связаны между собой, при этом удерживающий канат образует замкнутую петлю, имеющую две ветви и два петлевых конца, причем каждая ветвь размещена в соответствующем канале указанной балки, а каждый петлевой конец закреплен посредством соответствующего анкерного устройства.
Недостатком такой конструкции является то, что применяемый удерживающий канат, концы которого закреплены на фундаментной раме, проходит только через опоры и полую балку, в рабочем положении не образует замкнутую систему и при несанкционированном проезде транспортного средства через данное устройство высока вероятность отрыва опор от рамы, что существенно снижает надежность обеспечения противотаранных свойств.
Еще одним недостатком является наличие в каждой опоре мотор-редукторов, которые отвечают за подъем балки, наличие в конструкции, кроме удерживающего каната, подъемных канатов и средств торможения, что значительно усложняет конструкцию устройства и приводит к увеличению его стоимости.
Известна конструкция противотаранного барьера шлагбаумного типа, описанная в патенте RU 2621774 С2 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 только через фундамент. Противотаранные свойства определяются только прочностью на разрыв натянутых и закрепленных внутри фермы стальных тросов и прочностью мест крепления 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, описанного в патенте RU 2338830 С1 от 20.11.2008, 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.
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 барьер противотаранный шлагбаумного типа, описанный в патенте RU 2747742 С1 от 02.11.2020, включающий в себя балку с выполненным внутри нее силовым тросом, опоры, установленные на основании, а также проложенный в опорах и основании дополнительный силовой трос.
Недостатком описанного устройства является то, что дополнительный силовой трос, проходя через основание и опоры, имеет две точки изгиба в узлах крепления опор к основанию. При изгибе любого троса, возникает крутящий момент, стремящийся повернуть трос вокруг оси в направлении его свивки, тем самым увеличивая суммарное напряжение от изгиба и растяжения. Кроме того, в местах изгиба происходит трение троса об элементы опор и основания, и в момент возникновения динамической нагрузки высока вероятность излома и обрыва дополнительного силового троса.
Заявленный авторами барьер противотаранный шлагбаумного типа (см. Рис. 1) включает в себя балку с выполненным внутри нее силовым тросом 1, основание 2, опоры 3, дополнительный силовой трос 4, проходящий в каналах опор и основания, поворотные ролики 5, установленные в местах изгиба дополнительного силового троса, в узлах крепления опор к основанию.
Целью изобретения является повышение противотаранных свойств барьера за счет внедрения поворотных роликов в местах изгиба дополнительного силового троса, в узлах крепления опор к основанию, обеспечивая оптимальный радиус изгиба троса, при котором не происходит снижение прочности троса на разрыв и обеспечивается равномерное распределения энергии взаимодействия по всем силовым элементам барьера.
Технический результат достигается тем, что внутри барьера, в узлах крепления опор к основанию, в местах изгиба дополнительного силового троса установлены поворотные ролики диаметром равным 2-6 диаметров дополнительного силового троса.
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, который начинает передавать энергию удара на опоры. Дополнительный силовой трос, выполненный внутри опор и основания, соединяя их между собой, проложен в местах перехода из опор в основание через поворотные ролики, которые воспринимают нагрузку от дополнительного силового троса и равномерно распределяют ее по дополнительному силовому тросу. Кроме того, наличие поворотных роликов в конструкции барьера исключают заломы и перетирание дополнительного силового троса на неподвижных элементах барьера. Таким образом, дополнительный силовой трос, принимая часть энергии удара на себя, передает ее основанию, а 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 основания через дополнительный силовой трос будет неравномерным. Задача поворотных роликов состоит как раз в том, чтобы, увеличить радиус изгиба дополнительного силового троса и снизить возникающее напряжение растяжения и изгиба, а при вращении - между более нагруженной и менее нагруженной опорами, равномерно распределяя энергию взаимодействия на дополнительный силовой трос в целом.
Гарантированная эффективность достигается при выборе диаметра поворотных роликов равного 2-6 диаметров дополнительного силового троса.
При диаметре поворотных роликов менее 2 диаметров дополнительного силового троса, радиус изгиба в точке набегания на поворотный ролик будет довольно малым. На внутренней части троса, в месте соприкосновения с поворотным роликом, происходит смещение прядей и появление зазоров между прядями в тросе. В свою очередь, во внешней части троса, в месте соприкосновения с поворотным роликом, происходит растяжение прядей и проникновение их в зазоры, образованные во внутренней части троса. Такие процессы внутри дополнительного силового троса, приводят к появлению заломов и западанию отдельных прядей троса в месте соприкосновения троса и поворотного ролика. Появление динамического воздействия может привести к обрыву троса в месте соприкосновения с поворотным роликом, так как нагрузка на пряди распределяется неравномерно - запавшие пряди воспринимают большую нагрузку.
При диаметре поворотных роликов равном 6 диаметрам дополнительного силового троса, радиус изгиба в точке набегания на поворотный ролик будет достаточным для того, чтобы не происходило снижение прочностных характеристик троса. При таком радиусе изгиба троса не происходит заломов и западания прядей троса. Дальнейшее увеличение диаметра поворотных роликов является нецелесообразным, т.к. приведет только к увеличению габаритных размеров опор и основания, что, в свою очередь, приведет к увеличению габаритных размеров и массы всего барьера.
Таким образом, оптимальный диаметр поворотных роликов составляет 2-6 диаметров дополнительного силового троса.
Описанное изобретение может быть применено в барьерах противотаранных шлагбаумного типа с перемещением стрелы как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскостях, что существенно расширяет область его применения.
Предлагаемое техническое решение было реализовано в опытном образце барьера противотаранного шлагбаумного типа, включающего в себя балку с выполненным внутри нее силовым тросом, основание, опоры, дополнительный силовой трос, проходящий в каналах опор и основания, и поворотные ролики, установленные в местах изгиба дополнительного силового троса, в узлах крепления опор к основанию.
Балка была выполнена из стальной трубы ∅159×5 мм. Внутри балки установлен силовой трос 028 мм по ГОСТ 2688-80. 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. В местах соединения опор и основания установлены два цельнометаллических поворотных ролика 0120 мм. Балка установлена на шарнирной опоре посредством вала 060 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 в испытательном центре специальных материалов АО «НПО Спецматериалов» (аттестат аккредитации №РОСС RU.0001.22C308 от 26.08.2014). Таран производился автомобилем КАМА3-5511 массой 20 т на скорости 40 км/ч. Испытания признаны успешными.
В результате осмотра опытного образца барьера противотаранного шлагбаумного типа видно, что после наезда транспортного средства произошла деформация стрелы и основания изделия. Силовой трос в балке сохранил свою целостность. Отрыва от основания или заваливания силовых опор внутрь (в сторону транспортного средства) не произошло. Для проведения детального анализа воздействия транспортного средства на все элементы барьера, он был разобран. Осмотр показал, что дополнительный силовой трос, проложенный внутри опор и основания, не получил каких-либо видимых повреждений. Поворотные ролики также не получили повреждений, равно как не произошло их отрыва от мест установки.
Это говорит о том, что предлагаемые авторами поворотные ролики в узлах крепления опор к основанию, в местах изгиба дополнительного силового троса, успешно выполнили свою функцию по перераспределению 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 в узлах крепления опор к основанию, в местах изгиба дополнительного силового троса поворотных роликов, что приводит к равномерному распределению возникающих напряжений по всему силовому тросу и, как следствие, к равномерному распределению энергии взаимодействия при динамическом нагружении между всеми силовыми элементами противотаранного 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.