Устройство поглощения энергии

Полезная модель относится к железнодорожной технике, точнее к конструктивным элементам буферных и сцепных устройств с поглощением удара путем остаточной деформации буферного элемента.
В настоящем описании термины будут использоваться в следующем толковании:
- вагон: в данном описании для краткости так будет называться любая единица подвижного состава как несамоходного, так и тягового или мотор-вагонного;
- деформирующий элемент: деталь или узел, непосредственно воздействующие на крэш-элемент для его деформации с целью поглощения энергии столкновения;
- 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: деформирующий элемент, деталь крэш-аппарата, в которую вдавливается трубчатый крэш-элемент, на редуцирование которого расходуется энергия столкновения; в уровне техники встречается эквивалентное, хотя и не вполне корректное название «фильера»;
- оправка: деталь крэш-аппарата, на которую насаживается трубчатый крэш-элемент, на раздачу которого расходуется энергия столкновения, в уровне техники встречается эквивалентное название «пуансон»;
- передний и задний, перед или позади (за): направлением вперед считается направление от вагона к сцепке;
- устройство поглощения энергии - по ГОСТ 32410-2013.
При прохождении кривых сцепленные вагоны поворачиваются относительно друг друга в горизонтальной плоскости. Кроме того, они смещаются по вертикали вследствие работы упругих элементов подвески. Поскольку собственно вагон является жесткой конструкцией, свободу указанных смещений должны обеспечивать сцепные устройства. Простейшим является введение зазоров в замковых устройствах и в соединении хвостовика сцепки с тяговым хомутом, как это сделано в стандартной сцепке СА-3 [ГОСТ 32885-2014].
Беззазорные сцепные устройства обладают рядом преимуществ перед автосцепкой и потому их использование предпочтительно в подвижном составе постоянного формирования. Однако сцепки (сцепные головки) таких устройств не имеют требуемых степеней свободы, которые, следовательно, должны обеспечивать другие элементы сцепных устройств.
Так известен узел соединения хвостовика автоматической беззазорной сцепки с тяговым хомутом, в котором хвостовик сцепки, выполненный в виде шара, входит в сферическую обойму, скрепленную с тяговым хомутом [RU № 65847 U1]. Такое соединение, имея две степени свободы, обеспечивает возможность поворота сцепки в двух плоскостях. Недостатками известного узла являются отсутствие в нем крэш-аппарата, который в ближайшем будущем может стать обязательным элементом сцепных устройств. Это обстоятельство, а также конструктивное исполнение шарнирного узла обусловливают низкую прочность сцепного устройства, особенно при аварийных столкновениях. Кроме того, использованное в нем техническое решение не может быть применено для модернизации уже эксплуатируемых сцепных устройств.
Более прочен и пригоден для модернизации эксплуатируемых сцепных устройств узел соединения хвостовика автоматической беззазорной сцепки с вилкой тягового хомута, в котором между шкворнем и проушиной хвостовика установлен сферический подшипник, превращающий этот узел в двухподвижную кинематическую пару, что полностью компенсирует неподвижность собственно сцепки [RU № 149527 U1].
Известный узел даже избыточен в конструктивном отношении, так как степень свободы, обеспечиваемая возможностью вращения сферического подшипника на шкворне, дублирует степень свободы, обеспечиваемую самим подшипником.
Как и у предыдущего аналога, недостатком сцепного устройства, использующего известный узел, является отсутствие в нем крэш-аппарата.
От этого недостатка свободно ударно-тяговое устройство с автосцепкой, в котором одна из степеней свободы (в горизонтальной плоскости) обеспечивается использованием шарнирного соединения на основе одноподвижной цилиндрической кинематической пары, образованной хвостовиком крэш-аппарата и вилкой тягового хомута, соединенных шкворнем [RU № 64168 U1]. Свобода в вертикальной плоскости обеспечивается конструкцией замкового устройства автосцепки, хвостовик которой выполнен в виде одной из труб крэш-аппарата. Крэш-аппарат состоит из телескопически сочлененных внешнего трубчатого крэш-элемента и деформирующего элемента в виде оправки, установленной на конце внутренней трубы деформирующего элемента, при аварии, вдавливаемой в крэш-элемент.
Недостатком известного крэш-аппарата является его ненадежность в аварийных случаях из-за низкой прочности на изгиб. При косых соударениях риск складывания или выгибания сочлененных труб крэш-аппарата в поперечном направлении весьма велик. Кроме того, оно ненадежно при авариях в холодном климате, когда охрупченная морозом труба внешнего крэш-элемента может быть распорота оправкой по образующей, перестав вследствие этого поглощать энергию столкновения. Недостатком ударно-тягового устройства в целом является разделение конструктивных решений, обеспечивающих две степени свободы, причем степень свободы в вертикальной плоскости обеспечивается зазорами в автосцепке и возможностью взаимного вертикального перемещения двух сцепок. Для использования с беззазорной сцепкой это устройство непригодно.
Известен крэш-аппарат, состоящий из телескопически связанных деформирующего элемента в виде кольца с режущей кромкой, установленного в торце наружной трубы и крэш-элемента, на наружной поверхности которого выполнен буртик, взаимодействующий с режущей кромкой деформирующего элемента и выполненный в виде ребер многозаходной спирали, разделенных на отдельные сегменты продольными разрезами по высоте [SU №867746]. К недостаткам известного крэш-аппарата следует отнести технологическую сложность изготовления крэш-элемента. Аварии случаются нечасто, и за одно-два-три десятилетия эксплуатации вагона деформирующий элемент может настолько корродировать, что, случись авария, он окажется неспособен выполнить свою функцию.
Схожую конструкцию крэш-элемента и деформирующего элемента и те же недостатки имеют крэш-аппараты [RU №№ 2181677 и 2476339].
Общим для этих аналогов недостатком является то, что они способны передавать усилие только в одном направлении, то есть не могут служить элементом для передачи тягового усилия от сцепки к раме вагона.
В известном крэш-аппарате с деформирующим элементом в виде ряда резцов, расположенных по окружности отверстия в плите, взаимодействующим с наружной поверхностью крэш-элемента, обточенный конец которого заправлен между резцами, крэш-элемент, представляющий просто отрезок трубы, значительно проще и дешевле [RU № 2559870 С2]. Но зато в нем сложнее устройство деформирующего элемента, который, как и в предыдущем аналоге, имеет тот недостаток, что может утратить работоспособность вследствие коррозии или даже утери резца или резцов. Этот крэш-аппарат способен передавать тяговое усилие от сцепки раме вагона, поскольку обточенный конец крэш-элемента выступает за плиту с резцами и с ним скреплена сваркой втулка, превосходящая по диаметру отверстие в плите и находящаяся с нею в контакте. Таким образом, тянущее усилие передается через крэш-элемент и втулку плите, скрепленной с рамой вагона, а толкающее передается через крэш-элемент резцам и через них плите и раме вагона. В условиях нормальной эксплуатации усилий толкания недостаточно для срабатывания крэш-аппарата.
Еще более простым, дешевым, надежным и наиболее близким к предложенному по технической сущности и достигаемому результату является крэш-аппарат, содержащий трубчатый крэш-элемент, заправленный одним концом в матрицу с сужающимся отверстием, служащую деформирующим элементом и закрепленную на опорной плите [RU № 2253583]. При столкновении крэш-элемент продавливается сквозь матрицу, уменьшая свой диаметр (редуцируясь) и поглощая тем самым энергию столкновения.
Общим недостатком всех известных крэш-аппаратов, независимо от используемого в них механизма поглощения энергии, является то, что они существуют как бы в изоляции от тех устройств, в которых могут быть применены, как самостоятельный, независимый блок. Если говорить о беззазорных сцепных устройствах, то типичную схему применения в них крэш-аппарата можно представить в виде последовательной цепочки: сцепка - некая двухподвижная кинематическая пара - тяговый хомут - поглощающий аппарат - крэш-аппарат - рама вагона. Двухподвижная кинематическая пара может занимать в этой цепочке любое место (кроме первого), но для беззазорных сцепных устройств она является обязательным элементом.
Задачей настоящей полезной модели является создание крэш-аппарата, позволяющего упростить эту цепочку посредством совмещения функций входящих в нее элементов.
Техническим результатом от использования предложенного крэш-аппарата в сцепных устройствах является их упрощение и удешевление за счет обеспечения возможности поворота крэш-элемента относительно плиты крэш-аппарата в поперечных направлениях.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном крэш-аппарате, содержащем трубчатый крэш-элемент, плиту с отверстием и установленный в этом отверстии деформирующий элемент в виде матрицы с сужающимся отверстием, в котором заправлен и закреплен конец крэш-элемента, наружная поверхность матрицы и стенки отверстия в плите образуют сферический шарнир.
Кроме того, крэш-аппарат содержит средства для предотвращения вращения матрицы вокруг ее оси.
Кроме того, указанные средства выполнены в виде канавок на наружной сферической поверхности матрицы и взаимодействующих с ними элементов, скрепленных с плитой.
Кроме того на поверхности матрицы, взаимодействующей с трубчатым крэш-элементом, выполнены канавки, направленные вдоль оси матрицы.
Кроме того, заправленный в матрицу конец крэш-элемента выполнен выступающим за матрицу и снабжен резьбой, на которую навернут стопорный элемент в виде втулки с буртиком, причем торцовая часть втулки находится в контакте с матрицей.
Кроме того, поперечные размеры буртика превосходят поперечные размеры отверстия в плите.
Благодаря выполнению наружной поверхности матрицы и стенок отверстия плиты, таким образом, что они образуют сферический шарнир, предложенный крэш-аппарат, сохраняя функциональные возможности, определяющие его основное назначение, становится еще и двухподвижной кинематической парой, что упрощает и удешевляет сцепное устройство, в которое он входит.
Наличие в крэш-аппарате средств для предотвращения вращения матрицы вокруг ее оси и выполнение их в виде стопорных элементов, взаимодействующих с канавками на наружной сферической поверхности матрицы, а также выполнение на поверхности матрицы, взаимодействующей с трубчатым крэш-элементом, канавок, направленных вдоль оси матрицы, являются наиболее простыми, недорогими и надежными техническими решениями, предотвращающими вращение крэш-элемента вокруг его оси, что важно в случае использования крэш-аппарата в цепных или буферных устройствах.
Наружная резьба на редуцированной при заправке в матрицу части крэш-элемента и навернутый на нее стопорный элемент с буртиком, торцовая часть которой упирается в матрицу, являются одним из возможных и самых простых решений, обеспечивающих передачу крэш-аппаратом тягового усилия.
Выполнение буртика гайки с наружным диаметром, превышающим диаметр отверстия в устройстве, для передачи усилий раме единицы подвижного состава, предотращая разрыв крэш-аппарата при распрессовке крэш-элемента и матрицы.
Благодаря применению в предложенном крэш-аппарате пары трубчатый крэш-элемент - матрица с сужающимся отверстием повышается надежность крэш-аппарата, в частности в условиях холодного климата.
Совмещение функций двух- или трехподвижной кинематической пары и крэш-аппарата в одном и том же узле открывает новые возможности для конструирования как сцепных, так и буферных устройств, обладающих рядом технических преимуществ.
Полезная модель поясняется чертежами.
На фиг. 1 изображен разрез предложенного крэш-аппарата плоскостью, проходящей через ось крэш-элемента.
На фиг. 2 изображен фронтальный вид на плиту с установленной в ней матрицей и стопорными элементами.
На фиг. 3 схематически изображен один из возможных вариантов исполнения ударно-сцепного устройства с предложенным крэш-элементом.
Основными элементами предложенного крэш-аппарата являются крэш-элемент 1, матрица 2 и плита 3. Крэш-элемент представляет собой трубу, не обязательно круглого поперечного сечения, один конец которой редуцирован на конус 4 с образованием 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.
Наружная поверхность матрицы 2 имеет выпуклую сферическую форму. Такую же форму имеют и стенки отверстия в плите 3 так, что плита 3 образует со вставленной в нее матрицей 2 трехподвижную кинематическую пару, то есть пару с тремя степенями свободы. Для некоторых элементов подвижного состава больше подходит крэш-элемент с трехподвижной парой, а для некоторых - с двухподвижной. Так, для буферов с круглыми тарелками целесообразен крэш-элемент с трехподвижной парой, обеспечивающий равномерный азимутальный износ тарелок. Для сцепных же устройств необходимо число степеней свободы ограничить до двух, устранив вращательную степень, то есть, предотвратив возможность вращения матрицы вокруг оси ее симметрии.
В предложенном крэш-аппарате для этого служат канавки 6 на наружной сферической поверхности матрицы 2, взаимодействующие со стопорными элементами 7, установленные в боковых кромках плиты 3. Такими элементами могут служить болты с проточенными на цилиндр концами, как и показано на фиг. 2.
Если труба 1 крэш-элемента имеет круглое поперечное сечение, что бывает в большинстве исполнений, то в двухподвижном исполнении крэш-аппарата должна быть устранена возможность ее вращения в матрице 2. Как одно из решений этой задачи, на сходящейся поверхности матрицы 2, должны быть выполнены канавки 8, направленные вдоль оси матрицы или под небольшим углом к ней (фиг. 2). При сборке крэш-аппарата концевая часть крэш-элемента 1 запрессовывается в эти канавки, образуя подобие шлицевого соединения, вследствие чего проворот крэш-элемента в матрице 2 становится невозможным.
Для того чтобы крэш-элемент 1 не выпадал из матрицы 2 и был в состоянии передавать как толкающее, так и тянущее усилие, он должен быть надежно закреплен в ней. Для этого дульце 5, образованное при первоначальной запрессовке крэш-элемента в матрицу, снабжено резьбой 9, на которую навернут стопорный элемент, представляющий собой фасонную гайку в виде втулки 10 с буртиком (фиг. 1). Стопорный элемент затянут по резьбе 9 так, чтобы торцовая часть втулки 10 находилась в плотном контакте с торцом 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 сцепки. На случай же вырыва матрицы 2 из плиты 3 диаметр буртика 11 выбран таким, чтобы он не мог пройти через отверстие плиты 3. Для удобства навинчивания буртик 11 может быть снабжен прорезями 12. Для защиты от загрязнений и сырости заднее отверстие плиты закрыто тонкой крышкой 13, прорываемой в случае аварийного срабатывания крэш-аппарата. Хорошим материалом для крышки 13 является тонкая листовая резина, совмещающая функции крышки и уплотнения.
С противоположного матрице конца крэш-элемент 1 соединяют с другими элементами вагонной оснастки с образованием неразъемного (сварного) или разъемного соединения. В последнем случае в торцовую часть крэш-элемента вваривается заглушка 14 с резьбовыми отверстиями 15либо с проточенной под хомут канавкой 16 (нижняя часть фиг. 1).
Из фиг. 3, где показан пример использования предложенного крэш-аппарата в беззазорном сцепном устройстве видно, насколько упрощается это устройство благодаря заявленному техническому решению. Здесь к головной части сцепного устройства (сцепке) 17 непосредственно присоединен поглощающий аппарат 18, соединенный с помощью хомута 19 с крэш-элементом 1. Плита 3 является в данном примере деталью, непосредственно передающей усилие скрепленной с ней раме (или хребтовой балке) 20 вагона.
2
Два выреза 21 в плите 3 (фиг. 2) необходимы для того, чтобы заправить матрицу  в сферическое отверстие плиты 3 при сборке крэш-аппарата.
Предложенный крэш-аппарат может быть использован также и в автосцепных и буферных устройствах. В настоящее время изготавливается партия таких крэш-аппаратов для беззазорных сцепных устройств электропоезда.