Устройство и способ поглощения энергии
DEVICE AND METHOD OF ENERGY ABSORPTION

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к устройству и способу поглощения энергии, которая высвобождается при столкновении двух объектов между собой при их движении относительно друг друга. В конкретном аспекте настоящее изобретение относится к автосцепке, в которой реализовано устройство и способ поглощения энергии.
ПРЕДПОСЫЛКИ И УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Ранее были известны устройства поглощения энергии, например, выполненные как конструктивные элементы автосцепок, предназначенных для соединения рельсовых транспортных средств, которые соединены между собой последовательно для совместного перемещения в общем движении и направлении, причем исключительная нагрузка, приложенная к любому из соединенных между собой транспортных средств, такая как ударная нагрузка, приложенная, например, при падении, приводит к ускорению указанного транспортного средства по отношению к другому транспортному средству, и причем для замедления указанного ускорения энергия поглощается в процессе деформации элемента или элементов, включенных в указанную автосцепку.
В своей наиболее простой конструктивной форме устройство поглощения энергии для автосцепки может быть реализовано как срезающий элемент, который обеспечивает соединение между теми частями сцепки, которые поддаются под действием исключительной нагрузки, и теми частями, которые остаются неподвижными, соединенными с шасси транспортного средства. Использование срезаемых болтов можно найти, например, в патентном документе ЕР 2700556 А1.
Устройство поглощения энергии для автосцепок было известно ранее в виде деформационной трубки, которая предназначена для поглощения энергии во время смятия деформационной трубки в радиальном направлении, когда она принудительно проходит через коническое отверстие, наименьший диаметр которого меньше наружного диаметра деформационной трубки. Пример такого подхода можно найти, например, в патентном документе ЕР 0608531 А1.
Вариантом вышеуказанного решения является перевернутая конструкция, в которой деформационная трубка радиально расширяется, когда оправка с конической концевой частью, наружный диаметр которой больше внутреннего диаметра деформационной трубки, проталкивается через деформационную трубку. Пример такого подхода можно найти, например, в международной патентной публикации №2005/075272 А1.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Цель настоящего изобретения состоит в создании способа и устройства поглощения энергии альтернативной и усовершенствованной конструкции, которая может быть реализована в автосцепке и которая также имеет общее применение для поглощения энергии, выделяемой при столкновении любых двух объектов между собой при их движении относительно друг друга.
В этом контексте под объектами, находящимися в движении относительно друг друга, следует понимать объекты, движущиеся в противоположных направлениях, или объекты, движущиеся с разной скоростью в одном направлении, или объекты, только один из которых движется относительно другого объекта, который может быть неподвижным. При использовании в настоящей заявке объекты в их общем движении относятся к объектам, которые последовательно соединены для движения в одном направлении.
Цель изобретения достигается, соответственно, в способе, устройстве и в автосцепке, как определено в прилагаемой формуле изобретения.
В первом аспекте, вкратце, настоящее изобретение относится к способу поглощения энергии, которая высвобождается при столкновении любых двух объектов между собой при их движении относительно друг друга, причем исключительная нагрузка, приложенная к любому из двух объектов, приводит к ускорению указанного объекта относительно другого объекта, и при этом для замедления указанного ускорения энергия поглощается в процессе деформации элемента или элементов, которые подвергаются воздействию нагрузки от объектов при их столкновении. В соответствии с настоящим изобретением, процесс деформации включает регулируемое уменьшение диаметра при вынужденном удлинении полусплошного или сплошного деформационного болта, выполненного из материала способом холодного формования, в направлении силы, создаваемой при ускорении.
Во втором аспекте, вкратце, настоящее изобретение относится к устройству поглощения энергии, содержащему полусплошной или сплошной деформационный болт, выполненный из материала способом холодного формования, с сужающейся секцией, выполненной с возможностью установки в сквозное отверстие, которое выполнено в кольце из твердого металла.
В третьем аспекте, вкратце, настоящее изобретение относится к сцепке, подходящей для соединения рельсовых транспортных средств, которые в сцепленном состоянии перемещаются вместе в общем движении и направлении, причем исключительная нагрузка, приложенная к сцепке, приводит к ускорению сцепки или ее частей относительно транспортного средства, и при этом для замедления указанного ускорения энергия поглощается в процессе деформации элемента или элементов, включенных в сцепку. В соответствии с настоящим изобретением, поглощающий энергию элемент или элементы содержат по меньшей мере одну комбинацию из полусплошного или сплошного деформационного болта, выполненного из материала способом холодного формования, с сужающейся секцией, расположенной в сквозном отверстии, которое выполнено в кольце из твердого металла.
Техническим результатом, достигаемым настоящим изобретением, является способность устройства поглощения энергии поглощать энергию, которая высвобождается при крушении, и, благодаря поглощению по меньшей мере части этой энергии, избегать или уменьшать повреждения конструкций, транспортных средств и причинения вреда пассажирам.
Другим техническим результатом, достигаемым в соответствии с настоящим изобретением, является по существу непрерывная способность поглощения энергии, которая должна быть получена во время полной длины хода деформации.
Еще одним техническим результатом, достигаемым в соответствии с настоящим изобретением, является уменьшение требования к монтажному пространству, то есть относительно разрушаемых труб.
Уменьшенное пространство для монтажа приводит к большей универсальности при проектировании соседних конструкций и определении пределов поглощения энергии, а также к большей свободе при установке.
Еще одним техническим результатом, обеспечиваемым настоящим изобретением, являются минимальные допуски в размерах, являющиеся результатом формирования одной части устройства, то есть деформационного болта, в процессе холодного формования с использованием другой части устройства, то есть кольца, действующего как экструзионная головка.
Описанное контролируемое производство с минимальными допусками повышает безопасность и снижает риск неправильного монтажа устройства поглощения энергии.
Характерные признаки преимущественных и предпочтительных вариантов выполнения, соответственно, способа, устройства и автосцепки указаны в зависимых пунктах формулы изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Варианты выполнения изобретения более подробно описаны ниже со ссылкой на прилагаемые схематические чертежи, на которых:
Фиг. 1А и 1В иллюстрируют, в два этапа, способ поглощения энергии с помощью устройства поглощения энергии, выполненного в соответствии с настоящим изобретением,
Фиг. 2А и 2В изображают кольцо, включенное в устройство поглощения энергии, соответственно, на виде в продольном разрезе и на виде с конца,
Фиг. 3 изображает фрагментированный вертикальный вид, показывающий центральную часть болта, включенного в устройство поглощения энергии,
Фиг. 4 изображает фрагментированный вид в частичном разрезе, показывающий автосцепку, содержащую устройство и способ поглощения энергии согласно настоящему изобретению, и
Фиг. 5 изображает фрагментированный вид в частичном разрезе, иллюстрирующий еще одну реализацию устройства поглощения энергии согласно настоящему изобретению.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ВЫПОЛНЕНИЯ
Фиг. 1А и 1В иллюстрируют процесс поглощения энергии за счет контролируемого уменьшения диаметра при вынужденном удлинении деформационного болта, выполненного из материала способом холодного формования. На чертежах номера позиций 1 и 2 относятся к первому и второму объектам, которые в этом случае связаны между собой для перемещения в их общем движении и в любом из двух направлений, обозначенных стрелкой F. Хотя объекты 1 и 2 и показаны схематически, следует понимать, что они являются символическими изображениями для любой произвольной пары железнодорожных или дорожных транспортных средств, судов или конструктивных элементов, встроенных в такие транспортные средства, суда или другие объекты, которые соединены последовательно для совместного перемещения в любом направлении F.
Как показано на Фиг. 2 и 3, объекты 1 и 2 связаны между собой через соединение посредством болта и гайки, образующее устройство поглощения энергии, на чертежах в целом обозначенное номером позиции 3. Устройство 3 поглощения энергии содержит болт 4, который имеет первую секцию 4.1 с первым диаметром, примыкающую, через сужающуюся секцию 5, ко второй секции 4.2 болта, имеющей второй диаметр, который больше, чем первый диаметр. Болт 4 выполнен из материала способом холодного формования, причем по меньшей мере первая секция 4.1 болта и сужающаяся секция 5 могут быть выполнены экструзией в процессе холодного формования.
На одном конце болта 4 секция 4.1 меньшего диаметра выполнена снаружи с резьбой 6 для резьбового соединения с гайкой 7. В затянутом положении на болте гайка фиксирует болт относительно первого объекта 1.
Устройство 3 поглощения энергии дополнительно содержит кольцо 8, которое выполнено с сужающимся сквозным отверстием 9. Кольцо 8 имеет внутренний диаметр 10, соответствующий наружному диаметру 11 секции 4.1 болта меньшего размера, сужающуюся часть 12 внутреннего диаметра кольца 8, согласованную с диаметром сужающейся секции 5 болта. При соединении объектов 1 и 2 болт 4 вставляют в кольцо 8 до тех пор, пока сужающаяся секция 5 на болте не будет полностью упираться в сужающуюся часть 12 на кольце. Другими словами, кольцо 8 образует седло 8 для болта 4. В соединенном состоянии объекты 1 и 2, таким образом, зажаты между гайкой 7 и кольцом 8, которое зафиксировано относительно сужающейся секции 5 на болте 4, как показано на Фиг 1А.
Тогда как Фиг. 1А, с одной стороны, показывает связь между объектами 1 и 2 и компонентами устройства 3 поглощения энергии при движении с нормальной нагрузкой, на Фиг Л В, с другой стороны, показаны те же элементы и компоненты в процессе замедления ускорения объекта 2 относительно объекта 1.
Это ускорение является результатом действия исключительной нагрузки FX, приложенной к объекту 2. Если исключительная нагрузка FX достаточна для того, чтобы вызвать разделение объекта 2 и объекта 1, например, при крушении, то по меньшей мере часть выделяемой энергии поглощается и преобразуется в тепло и в работу, приводящую к деформации болта 4. Болт 4 подвергается контролируемому уменьшению диаметра при вынужденном удлинении болта в направлении F силы, создаваемой исключительной нагрузкой FX.
2
С этой целью болт 4 выполнен из легированной стали в процессе холодного формования с составом, который делает материал подходящим для поглощения энергии посредством деформации. Сталь, подходящая для этой цели, представляет собой закаленную сталь, которая имеет высокую прочность на разрыв и обеспечивает высокое удлинение перед разрывом при температуре холодного формования. Одним из примеров стали подходящего качества, доступной на рынке, является сталь 34CrNiMo6 (европейский стандарт EN 10083) в качестве упрочненной для обеспечения прочности на разрыв не менее 900 Н/мм с размерами до 250 мм (соответствует предыдущему шведскому стандарту 2541-03). Следует понимать, что другие качества смежных свойств также значительны для вариантов выполнения болта, и что каждая реализация устройства для поглощения энергии требует своего выбора размеров и качества стали для конкретной реализации.
В процессе поглощения и деформации энергии сужающаяся секция 5 болта 4 смещается кольцом 8 в секцию 4.2 болта большего диаметра, удлиняя, тем самым, секцию 4.1 болта меньшего диаметра и одновременно укорачивая секцию 4.2 болта большего диаметра. Другими словами, диаметр деформированной части секции 4.2 болта уменьшается до диаметра секции 4.1 болта, тогда как общая длина болта увеличивается. Таким образом, в процессе поглощения энергии болт подвергается пластической деформации, которая может быть охарактеризована как преобразование диаметра в длину без потери материала или прочности. Характер этого процесса отличает устройство и способ поглощения энергии, выполненный в соответствии с настоящим изобретением, от предшествующего уровня техники срезаемых болтов и радиально разрушаемых труб.
Болт 4 представляет собой удлиненный, сплошной или полусплошной элемент. В некоторых вариантах выполнения может быть предпочтительным реализовать болт в виде сплошного стержня, имеющего однородное и непрерывное круглое сечение. Однако в некоторых вариантах выполнения или применениях может быть предпочтительным изменять свойства поглощения энергии по длине болта. Таким образом, вместо выполнения болта с непрерывным диаметром, диаметр более широкой секции 4.2 болта может быть выполнен слегка коническим, с диаметром, который возрастает от сужающейся секции 5 к концу болта. Другие альтернативы включают, например, формирование локальных изменений диаметра или формирование выпуклостей на более широкой секции 4.2 болта.
В других случаях может быть желательным удалить материал из центра болта, например, для уменьшения его веса. В этом случае полый центр не должен проходить по всей длине болта, но вместо этого может быть выполнен как глухое отверстие. В любом случае должно быть тщательно выбрано оптимальное соотношение внутреннего диаметра полого центра или глухого отверстия и внешнего размера болта, чтобы не подвергать опасности целостность оставшейся стенки болта и, таким образом, не потерять характер деформации, который был объяснен выше. Как общее правило, которое является неограничивающим примером, внутренний диаметр полого центра или глухого отверстия должен, в соответствующих случаях, не превышать 1/2 диаметра болта. В других вариантах выполнения может быть предпочтительным ограничивать внутренний диметр полого центра или глухого отверстия 1/3 или менее от диаметра болта, чтобы обеспечить целостность стенки болта во время деформации. Таким образом, представляется целесообразным охарактеризовать болт 4 как сплошной или полусплошной элемент.
Кольцо 8 действует как волочильная матрица или экструзионная головка, когда оно перемещается вниз по болту в процессе поглощения энергии. С этой целью кольцо 8 содержит вставку 8.1 из твердого металла, которая может поддерживаться в держателе 8.2 вставки (см. Фиг. 2А и 2В). Вставка 8.1 может быть изготовлена из высокопрочной стали, тогда как держатель 8.2 вставки может быть изготовлен из стали другого качества, если это необходимо.
С дополнительной ссылкой на Фиг. 2А и 2В, кольцо 8 или, точнее, вставка 8.1 из твердого металла, формируется на своем внутреннем диаметре с рядом радиальных углублений 13. Углубления 13 проходят по меньшей мере на часть осевой секции кольца 8, выходя из сужающейся части 12 на переднем конце кольца (то есть на конце, который обращен к конусной секции 5 на болте 4). При выдавливании на болте 4 в процессе предварительной формовки эти углубления 13 во внутреннем диаметре кольца образуют соответствующее количество радиальных выступов 14, которые поднимаются над поверхностью секции 4.1 болта меньшего диаметра, как можно видеть на Фиг. З. Радиальное зацепление между выступами 14 на болте и углублениями 13 в кольце образует средство для предотвращения вращения болта 4 относительно кольца 8, когда гайка 7 затягивается для фиксации болта с первым объектом 1.
Фиг. 4 изображает вариант выполнения устройства 3 поглощения энергии, установленного в автосцепке. На чертеже автосцепка в целом обозначена номером позиции 100. Автосцепка 100 предназначена для создания соединения между рельсовыми транспортными средствами (не показанными), соединенными последовательно и в связанном между собой состоянии, движущимися вместе в одном из двух направлений, обозначенных на Фиг. 4 стрелкой F.
Автосцепка 100 содержит тяговый элемент 101, который шарнирно прикреплен к шасси рельсового транспортного средства (не показано) через шкворень 102, который шарнирно соединен с кронштейном 103 шарнира. Кронштейн 103 шарнира посредством хомута 104 поддерживается на монтажной пластине 105, которая образует часть шасси транспортного средства или прикреплена к тому же самому концу транспортного средства. Кронштейн 103 шарнира проходит через отверстие 106 в монтажной пластине для создания болтового соединения 107 с хомутом на задней поверхности монтажной пластины 105. Хомут 104 может крепиться болтами к задней поверхности монтажной пластины 105 посредством срезаемых болтов 108.
Несмотря на то, что в сцепке 100 может быть установлено любое количество устройств 3 поглощения энергии, чтобы обеспечить требуемую способность поглощения энергии, по меньшей мере два устройства 3 поглощения энергии могут быть установлены в монтажной пластине 105 по одному на каждой противоположной стороне сквозного отверстия 106. В общей сложности четыре устройства 3 поглощения энергии могут, в качестве альтернативы и предпочтительно, быть равномерно распределены вокруг сквозного отверстия 106 путем размещения в автосцепке 100.
В каждом случае болт 4 устройства 3 поглощения энергии проходит через хомут и через монтажную пластину, которая должна быть закреплена гайкой 7 на передней поверхности монтажной пластины 105. На задней стороне хомута 104 кольцо 8 из твердого металла закреплено в зажатом состоянии между задней поверхностью хомута и сужающейся секцией 5 болта 4. Кольцо 8 может быть зафиксировано в хомуте путем плотного прижатия, которое предотвращает вращение кольца и болта, когда гайка 7 затянута на монтажную пластину.
В случае исключительной нагрузки FX, приложенной к автосцепке 100, в той степени, в которой срезаемые болты 108 ломаются, кронштейн шарнира будет смещаться в направлении FX, толкая, тем самым, хомут 104 и кольцо 8 на длине хода деформации, при котором поглощается по меньшей мере часть энергии, которая остается после срезания болтов 108.
В этой связи следует отметить, что исключительная нагрузка, которая вызывает активацию устройства 3 поглощения энергии, как правило является результатом столкновения или крушения, при котором высвобождается больше энергии, чем то количество, которое может быть поглощено другими регенеративными устройствами поглощения энергии, такими как пружины и гасители колебаний, которые обычно устанавливают в сцепках указанного выше типа. Следует также отметить, что исключительная нагрузка, которая вызывает ускорение сцепки относительно транспортного средства и, тем самым, активирует устройство поглощения энергии, может быть приложена к сцепкам в режиме сцепления между транспортными средствами, а также к сцепкам в несцепленном режиме, таким как, например, передняя или задняя сцепка первого и последнего транспортного средства в составе.
Из приведенного выше проиллюстрированного описания сцепки специалистам в данной области техники будет понятно, что комбинация средств поглощения энергии, содержащая деформационный болт 4 и сплошное кольцо 8, могут, в качестве альтернативы, быть установлены в сцепке 100. Точнее, в инверсном исполнении (не показано на чертежах) болт 4 может быть зафиксирован гайкой 7 на задней поверхности хомута 104 таким образом, что сужающаяся секция 5 и более широкая секция 4.2 болта проходят на переднюю сторону монтажной пластины 105. В этом случае сплошное металлическое кольцо 8 будет поддерживаться на передней поверхности монтажной пластины зажатым между монтажной пластиной 105 и сужающейся секцией 5 на болте 4. В любом случае деформационный болт 4 неподвижно установлен относительно одного из: монтажной пластины 105 и кронштейна 103 шарнира, а кольцо 8 неподвижно установлено относительно другого из: монтажной пластины 105 и кронштейна 103 шарнира.
ПРИМЕР
Устройство 3 поглощения энергии было испытано в лабораторных условиях. Сплошной болт, выполненный из вышеуказанной легированной стали SIS 2541-03, был выполнен экструзией, чтобы иметь первую секцию болта диаметром 30 мм, примыкающую к второй секции болта диаметром 34 мм через сужающуюся секцию. На длине хода деформации, используя волочильную матрицу с внутренними углублениями, длина болта увеличилась на 25 мм при уменьшении его диаметра от 34 до 30 мм. В этом случае на длине хода деформации болт непрерывно поглощал силу величиной 420-440 кН.
Хотя каждое применение требует своей собственной конструкции болта и размеров, вышеприведенный пример все-таки демонстрирует потенциал в деформационном болте для работы в устройстве и способе поглощения энергии, в соответствии с настоящим изобретением.
Следует отметить, что устройство поглощения энергии, выполненное в соответствии с настоящим изобретением, имеет более широкое применение наряду с показанными приложениями в автосцепке и других соединениях транспортных средств, как представлено в настоящем документе, исключительно в целях объяснения изобретения, а не в целях ограничения. Точнее, раскрытое устройство и способ поглощения энергии обеспечивают конструкции защиты от ударов и безопасности, которые могут быть установлены в буферах, бамперах, шасси или кузовах транспортных средств, лифтах и т.д., где исключительная нагрузка может непредвиденным образом создаваться в случае возникновения чрезвычайной ситуации.
Один из примеров последней ситуации показан на Фиг. 5, на котором схематично проиллюстрировано устройство поглощения энергии, установленное в качестве аварийного стопора 200 в лифте. На Фиг. 5 болт 4 установлен в кольце 8, которое закреплено на верхнем конце монтажного кронштейна 201. Монтажный кронштейн 201 жестко прикреплен к стенке 202 шахты 203 лифта, так что комбинация болтов и колец в этом случае является неподвижной. Резьбовой конец 6 болта вставлен в тяговый блок 204, имеющий повернутый вверх крюк 205, который выступает в шахту лифта, причем крюк 205 обращен к корпусу кабины 206 лифта, которая выполнена с возможностью перемещения в шахте лифта. Защелка 207 встроена в конструктивные элементы 208 кабины лифта, причем защелка имеет крюк 209, повернутый вниз, обращенный наружу от корпуса кабины лифта. При нормальной работе защелка 207 отведена в конструкцию 208 кабины лифта, как схематично показано пунктирными линиями на Фиг. 5. В своем отведенном положении защелка 207 свободно проходит тяговый блок и крюк 205 как вверх, так и вниз. В случае возникновения чрезвычайной ситуации и запроса на аварийную остановку кабины лифта при движении вниз, защелка 207 высвобождается из отведенного положения и выталкивается в зацепление с тяговым блоком, крюки 205 и 209 входят в зацепление, чтобы вытянуть деформируемый болт 4 через кольцо 8 при пластической деформации болта.
Высвобождение и выталкивание защелки 207 можно реализовать различными способами, используя, например, акселерометр и электромеханическое или взрывное устройство для выталкивания защелки. В случае лифта может быть установлено несколько устройств 3 поглощения энергии, которые могут быть разнесены друг от друга по вертикали в шахте лифта таким образом, что в случае падения кабина лифта перемещается лишь на ограниченную длину к ближайшему расположенному устройству 3 для зацепления с ним.
Приложенная формула изобретения составлена для определения объема изобретения, включая раскрытые варианты выполнения и их модификации и реализации, которые могут быть получены из описания.