Узел поглощения энергии

Полезная модель относится к железнодорожной технике, точнее к конструктивным элементам буферных и сцепных устройств с поглощением удара путём остаточной деформации буферного элемента.
В настоящем описании термины будут использоваться в следующем толковании:
- деформирующий элемент: деталь или узел, непосредственно воздействующие на крэш-элемент для его деформации с целью поглощения энергии столкновения, для краткости далее он будет называться матрицей. В уровне техники встречается эквивалентное название «фильера»;
- крэш-элемент: необратимо деформируемая деталь, на деформацию которой расходуется энергия столкновения;
- наружный конус: признак «наружный»: по ГОСТ 25557-2006;
- предел прочности: максимальная механическая сила, растягивающая узел поглощения энергии, которая может быть применена к нему до начала его разрушения;
- пружинное плоское упорное кольцо: по ГОСТ 13943-86;
- редуцирование: уменьшение размера наружного контура трубы (Новый политехнический  словарь / М.: «Большая Российская энциклопедия», 2000);
- устройство поглощения энергии: по ГОСТ 32410-2013.
Известно буферное устройство поглощения энергии, содержащее деформирующий элемент, или матрицу, с сужающимся отверстием и трубчатый крэш-элемент, закреплённый в нём тугой посадкой по коническим сопряжённым поверхностям, имеющий на одном из концов коническое сужение, переходящее в цилиндрический участок, частично выступающий за выходную часть матрицы [RU 176226]. При столкновении крэш-элемент продавливается сквозь матрицу, уменьшая свой диаметр (редуцируясь) и поглощая тем самым энергию столкновения. Известное устройство может быть применено в тупиковых или противоударных устройствах (буферах), то есть там, где усилие может быть направлено только на сжатие крэш-элемента. Для применения в составе сцепных устройств, где усилия могут быть как сжимающими, так и растягивающими, известное буферное устройство непригодно, поскольку не может передавать тяговое усилие от сцепки к раме вагона.
Известно энергопоглощающее устройство для защиты подвижного состава. Оно включает узел поглощения энергии, состоящий из матрицы и закреплённого в ней крэш-элемента, выполненного в виде цилиндрической трубы, имеющей на одном из концов коническое сужение, переходящее в цилиндрический участок, частично выступающий за выходную часть матрицы. На этот участок надето и скреплено с ним сваркой кольцо, не позволяющее узлу распадаться под воздействием растягивающих усилий [RU 174223].
Предел прочности известного узла может быть достаточно высоким, но он рассчитан на восприятие только сжимающих усилий. Для использования в сцепных устройствах, испытывающих как сжимающие, так и растягивающие усилия, он малопригоден, поскольку в ходе длительной эксплуатации сцепного устройства, которое включало бы описанный узел, под воздействием знакопеременных нагрузок в сварном шве и окружающей его зоне термического влияния начинаются накапливаться дефекты, со временем приводящие к разрушению шва и разрыву узла и сцепного устройства.
Наиболее близким к предложенному по технической сущности и достигаемому результату является устройство поглощения кинетической энергии аварийного столкновения, предназнаяченное для использования в беззазорных сцепных устройствах, содержащее узел поглощения энергии, состоящий из матрицы с сужающимся отверстием и закреплённого в ней крэш-элемента, выполненного в виде цилиндрической трубы, имеющей на одном из концов коническое сужение, переходящее в цилиндрический участок, частично выступающий за выходную часть матрицы. Этот участок снабжён резьбой, на которую навёрнут резьбовой стопорный элемент (фасонная гайка), упирающийся своим прямым, плоским торцом в расточку матрицы [RU 176272].
Замена приваренного кольца гайкой позволила избежать отказов, вызванных разрушением сварного шва при знакопеременных нагрузках, но предел прочности узла, определяющий его надёжность, оказывается недостаточен.
В известном узле максимальная нагрузка приходится на витки резьбы, ближайшие к месту контакта торца гайки и расточки матрицы. Воздействие на них осевых растягивающих усилий из-за податливости свободного конца крэш-элемента, выступающего за выходную часть матрицы, приводит к частичному выходу витков резьбы крэш-элемента из витков гайки, и эта часть резьбы почти перестаёт воспринимать нагрузку, перекладывая её на и без того нагруженные ближайшие к торцу гайки витки.
Из-за неравномерного распределения нагрузки при возникающих изредка чрезвычайных усилиях тяги происходит срыв наиболее нагруженных витков. Нагрузка переходит на последующие витки, также срываемые спустя небольшое время. После отказа резьбового соединения узел утрачивает способность передавать тяговые усилия, сцепное устройство разрывается.
о
Задачей настоящей полезной модели является создание узла поглощения энергии, обладающего повышенным пределом прочности при воздействии растягивающих усилий и благодаря этому бльшим сроком службы в условиях воздействия знакопеременных нагрузок, характерных для сцепных устройств.
Техническим результатом от использования предложенного узла поглощения энергии является повышение его предела прочности к воздействию растягивающих усилий, что повышает наработку на отказ самого узла и сцепного устройства, в которое он входит.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном узле поглощения энергии, содержащем деформирующий элемент с сужающимся отверстием и трубчатый крэш-элемент, снабжённый резьбой, конец которого заправлен в отверстие деформирующего элемента и закреплён резьбовым стопорным элементом, внутри указанного конца установлен подпорный элемент, препятствующий уменьшению его внутреннего диаметра.
Кроме того, концевая часть крэш-элемента имеет расточку, в которой установлен подпорный элемент.
Кроме того, расстояние от плоской поверхности расточки до торца резьбового конца крэш-элемента составляет (0,2…0,5) длины участка с резьбой.
Кроме того, подпорный элемент закреплён в крэш-элементе пружинным плоским упорным кольцом.
Кроме того, подпорный элемент имеет сквозное отверстие.
Кроме того, подпорный элемент выполнен в виде диска.
Кроме того, подпорный элемент установлен соосно с трубой крэш-элемента.
Кроме того, стопорный элемент выполнен частично входящим в расточку деформирующего элемента, причём его торцевая часть и сопрягаемая с ним поверхность деформирующего элемента выполнены коническими, а коническая поверхность торца стопорного элемента выполнена как наружный конус с углом между образующей и осью в пределах (40…70)°.
Благодаря введению в конструкцию узла поглощения энергии подпорного элемента, установленного внутри конца крэш-элемента, снабжённого резьбой, увеличивается предел прочности узла в условиях знакопеременных нагрузок, что позволяет включать его в состав сцепных устройств.
Благодаря снабжению конца трубы крэш-элемента расточкой и установкой в ней подпорного элемента повышается предел прочности узла за счёт точной установки диска в трубе. Кроме того, это упрощает процесс сборки узла.
При установке подпорного элемента в расточку, плоская поверхность которй находится на расстоянии (0,2…0,5) длины участка с резьбой, от торца резьбового конца крэш-элемента, достигается наибольшая стойкость резьбы к срыву под воздействием предельных нагрузок, то есть повышается предел прочности узла, поскольку при этом обеспечивается равномерное распределение нагрузки по всем виткам резьбы.
Благодаря закреплению подпорного элемента в трубе крэш-элемента пружинным плоским упорным кольцом повышается предел прочности узла по сравнению с другими способами закрепления, ослабляющими узел.
Благодаря сквозному отверстию в подпорном элементе улучшается вентиляция полости трубы крэш-элемента, что, предотвращая коррозию, способствует увеличению срока службы узла. Отверстие также облегчает установку подпорного элемента в заточке.
Благодаря выполнению подпорного элемента в виде диска упрощается и удешевляется его изготовление, а заявленный технический результат достигается при минимальной его массе.
Благодаря установке подпорного элемента соосно с трубой крэш-элемента повышается предел прочности узла поглощения энергии за счёт азимутально симметричного распределения нагрузки на диск со стороны деформируемой трубы крэш-элемента.
Благодаря выполнению входящего в деформирующий элемент торца стопорного элемента и сопрягаемой с ним поверхности деформирующего элемента коническими с углом между образующей и осью в пределах (40…70)° при приложению к узлу растягивающего усилия создаётся радиально направленное к оси усилие, способствующее взаимному поджатию витков резьбы на всю высоту профиля и более равномерному распределению нагрузки по виткам резьбы, повышающему предел прочности узла.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, где изображён разрез предложенного узла плоскостью, проходящей через его ось.
Основными элементами предложенного узла поглощения энергиии являются крэш-элемент 1 и деформирующий элемент 2, который далее для краткости будет называться матрицей. Крэш-элемент представляет собой трубу 3, один конец которой редуцирован на конус 4 с образованием на концевой части дульца 5 и заправлен в сужающееся отверстие матрицы 2. Это отверстие может иметь в простейшем исполнении конические стенки, но может иметь и более сложный профиль, например параболический.
р
Для фиксации крэш-элемента 1 в матрице 2 его дульце 5 снабжено резьбой 6, на которую навёрнут стопорный элемент 7, который выполнен в виде втулки с внутренней резьбой (фасонной гайки), конец которой частично входит в расточку 8 матрицы 2. Обращённая к матрице торцевая часть стопорного элемента 7 может быть выполнена конической так, что её поверхность 9 представляет собой боковую поверхность усечённого наружного конуса с углом α между образующей и осью конуса, предпочтительно лежащим в пределах (40…70)°. Соответственно, сопрягаемая с ней поверхность матрицы 2 также должна быть выполнена конической, как поверхность усечённого внутреннего конуса. С противоположного матрице 2 конца стопорный элемент 7 может иметь конструктивные элементы, облегчающие его затяжку, например лыски на боковой поверхности или шлицы на тоце.
Стопорный элемент затянут по резьбе 6 так, чтобы его торцевая часть находилась в плотном контакте с дном расточки 8 матрицы 2. Если учесть, что диаметр крэш-элементов лежит в пределах (120...220) мм, такое стопорение оказывается достаточно прочным для того, чтобы выдерживать тяговое усилие от сцепного устройства. Такое закрепление придаёт узлу поглощения энергии способность сопротивляться не только сжимающим но и растягивающим усилиям, то есть делает его пригодным для использования в сцепных устройствах.
В собранном узле поглощения энергии затянутый стопорный элемент 7 соединён с тонким концом трубы 3 нестандартным сварным швом 10. Назначение шва 10 состоит в предотвращении отвинчивания стопорного элемента 7, и он может быть выполнен прерывистым. Тяговую нагрузку от сцепного устройства он не воспринимает, и потому знакопеременные нагрузки ему не страшны.
Внутри узкого конца трубы 3 в плотном контакте со стенками трубы соосно с ней установлен подпорный элемент 11, препятствующий уменьшению внутреннего диаметра узкого конца трубы под воздействием осевых растягивающих нагрузок на узел. Он может быть выполнен, например, в виде короткого отрезка стержня или толстостенной втулки, а также, как это показано на чертеже, в виде диска. Подпорный элемент 11 может иметь по меньшей мере одно сквозное отверстие 12 для предотвращающей коррозию вентиляции внутренности трубы 3 и облегчения монтажа. Для более точной установки подпорного элемента внутри трубы 3 может быть сделана расточка. Подпорный элемент 11 должен быть зафиксирован внутри трубы 3, например пружинным плоским упорным кольцом 13. Фиксация сваркой, даже в отдельных точках, нежелательна, поскольку она изменяет механические свойства трубы и подпорного элемента.
l
l
L,
L
При установке подпорного элемента 11 в расточке трубы 3 предпочтительно, чтобы расстояние  от плоской поверхности (дна) расточки, к которой прижат подпорный элемент и от которой начинается его подпорное действие, до торца резьбового конца крэш-элемента находилось в пределах  = (0,2…0,5)где  – длина участка с резьбой. Именно в этом диапазоне распределение нагрузки по длине резьбового участка, как следует из результатов расчётов и прочностных испытаний, оказывается наиболее равномерным.
В состав узла поглощения энергии могут входить также элементы, служащие для обеспечения возможности сочленения с частями сцепного устройства. Так, труба 3 может быть скреплена на свободном конце с фланцем или втулкой 14, а наружная поверхность матрицы 2 может иметь проточку 15 для захвата узла хомутами, соединяющими части сцепного устройства.
Работает предложенный узел следующим образом.
При столкновениях труба 3 крэш-элемента 1 вдавливается в отверстие матрицы 2. Совершаемая при этом работа деформации поглощает энергию столкновения, уменьшая отрицательное ускорение и тем самым снижая нежелательное воздействие на пассажиров и подвижной состав.
При растягивающих узел усилиях, как от тяги, так и от рывков, дно расточки 8, воздействуя на торцевую часть стопорного элемента 7, загружая ближайшие к ней витки резьбы, создаёт усилие, которое вследствие её податливости стремится стянуть конец трубы 3 к её оси и разгрузить витки резьбы, ближайшие к концу трубы 3, что создаёт угрозу срыва резьбы. Однако стягиванию конца трубы 3 и разгрузке ближайших к её концу витков резьбы препятствует подпорный элемент 11. Распределение нагрузки по виткам резьбы становится более равномерным, и предел прочности узла возрастает, как показали испытания, на (23±4) % по сравнению с заявленной полезной моделью, подпорного элемента не имеющей.
Ещё более способствует повышению нагрузочной стойкости соединения выполнение сопрягаемых поверхностей стопорного элемента и матрицы коническими, поскольку коническая поверхность 9 торца стопорного элемента 7, упираясь в коническую поверхность сопряжённого с ней дна проточки в матрице, стремится обжать резьбу стопорного элемента 7 вокруг трубы 3, увеличивая тем самым площадь взаимодействия витков резьбы и снижая на них удельную нагрузку.