ПОГЛОЩАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО ОТВОДА ЭНЕРГИИ УДАРА ДЛЯ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА

Полезная модель относится к железнодорожному транспорту, в частности к устройствам для поглощения механической энергии с целью уменьшения продольных усилий в железнодорожном подвижном составе.
Известно устройство для отвода энергии удара, включающее эластомерный амортизатор, в рабочий цилиндр которого вставлены два штока (RU 2210514, B61G 9/04, 11/16, опубл. 20.08.2003, Бюл. №23). Штоки имеют различные диаметры, причем шток с малым диаметром примыкает своим концом к днищу корпуса устройства, а днище эластомерного амортизатора упирается в ударную плиту. Устройство обеспечивает отвод энергии удара при различных условиях работы, смягчает удары, которые обладают малой энергией удара и те, которые имеют энергию удара вплоть до максимально допустимых предельных значений. Недостатком такого устройства является ограничение рабочего диапазона и сложность конструкции.
Известно поглощающее устройство, в частности, для железнодорожных пассажирских вагонов (RU 2176203, B61G 9/04, 11/14, опубл. 27.11.2001, Бюл. №33). Устройство содержит подвижную втулку, расположенную в корпусе с возможностью перемещения и опирающуюся на опорную плиту. Внутри подвижной втулки расположен пружинный амортизатор, на который опирается другой амортизатор - эластомерный. Эластомерный амортизатор расположен с возможностью перемещения во втулке, а шток этого амортизатора прилегает к днищу корпуса. Устройство направлено на расширение ассортимента изготовляемых поглощающих средств. Однако выполнение пружинного амортизатора в виде блока дисковых пружин не обеспечивает достаточную надежность работы устройства.
Известен поглощающий аппарат железнодорожного транспортного средства для поглощения механической энергии с целью уменьшения продольных усилий в железнодорожном подвижном составе, передающихся через автосцепное устройство на раму экипажа (RU 2173273, B61G 9/06, опубл. 10.09.2001, Бюл. №25). В устройстве, содержащем корпус с расположенным в нем фрикционным узлом и упругим комплектом, поджатым стяжным элементом, последний выполнен в виде стержня с запорными элементами на обоих концах и жестко закрепленной на стержне в его средней части шайбой, которая делит упругий комплект на две секции. Усилия поджатия секций стяжным элементом различны. Устройство повышает энергоемкость поглощающего аппарата увеличением полноты силовой характеристики упругого комплекта. Однако рабочий диапазон устройства ограничен, так как необходимо относительно большое собственное напряжение упругого комплекта, выполняющего роль амортизатора.
В настоящее время большую значимость приобретают технические характеристики современных вагонов, используемых для перевозки опасных грузов. Поэтому беспрерывно идет совершенствование конструкций грузовых вагонов, отвечающих повышенным требованиям безопасности в аварийных ситуациях. Из опыта эксплуатации и статистики крушений вагонов-цистерн установлено, что при столкновении двух единиц подвижного состава, движущихся со скоростями до 10 м/с (36 км/ч), требуется поглощение значительной части кинетической энергии соударения. Однако современные ударопоглощающие аппараты, совмещенные с автосцепным оборудованием, не всегда отвечают этим требованиям.
Проблему предложено решать, обеспечивая отвод энергии удара, когда полностью исчерпан ресурс стандартных поглощающих устройств, установленных на вагоне, применением энергоемких одноразовых поглощающих аппаратов (буферов), преимущественно, на вагонах-цистернах для перевозки опасных грузов (например, продуктов химического производства и т.п.).
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является энергопоглощающее одноразовое устройство (буфер), в конструкции которого предусмотрены сминаемые элементы, так называемые «слабые звенья», гасящие часть энергии столкновения, выполненные в виде труб. При столкновении сминаемые элементы (трубы) деформируются с образованием на каждой двух, четырех или нескольких складок, что повышает надежность гашения удара и безопасность. Для замены сминаемых элементов требуется не более 1 ч, после чего цистерна снова готова к эксплуатации (Безопасная цистерна для перевозки химических продуктов // Железные дороги мира. 2005. №7. С.34-35).
Однако указанное поглощающее устройство не обеспечивает надежность гашения удара и безопасность при больших скоростях столкновения, кроме того, процесс поглощения энергии не является управляемым.
Технической задачей предлагаемого решения является устранение вышеуказанных недостатков, а именно, повышение надежности гашения энергии удара при столкновении вагонов, обеспечение безопасности, управляемости и контролируемости процесса.
Поставленная задача решается тем, что в поглощающем устройстве отвода энергии удара для железнодорожного транспортного средства, содержащем корпус в виде подвижной и неподвижной втулок с расположенным в нем одноразовым деформируемым элементом, опорную плиту, согласно предложению, деформируемый элемент выполнен в виде цилиндрического стержня заодно с плоскими кольцевыми ребрами, один торец которого расположен на днище подвижной втулки, а второй торец соприкасается с инструментом-вставкой, установленной на днище неподвижной втулки, торец которой расположен на плоскости опорной плиты.
Отличием устройства является то, что плоские кольцевые ребра расположены на стержне равномерно или неравномерно, а цилиндрический стержень с ребрами выполнен по длине переменной жесткости, а кольцевые пространства между ребрами на стержне заполнены эластичным материалом повышенной вязкости и обхвачены втулкой заданной толщины с расчетным зазором между ней и цилиндрической поверхностью ребер.
Особенностью устройства является то, что оно обеспечивает отвод энергии соударения как процесс, контролируемый и последовательно дозируемый. При этом деформируемый элемент, как «слабое звено», отводит энергию удара на преодоление внутренних сил сопротивления разрушению путем среза (сдвига) плоских кольцевых ребер, выполненных на боковой поверхности цилиндрического стержня, и сил сопротивления течению эластичного материала из кольцевого пространства.
с
р
р
с
Технический результат предлагаемого решения достигается тем, что конструктивно цилиндрический стержень по длине может изготавливаться с требуемой переменной жесткостью не только ребра при сдвиге GA, но и поперечного сечения стержня при растяжении ЕА (здесь Е и G - модули упругости материала стержня при растяжении и сдвиге соответственно, А - площадь поперечного сечения стержня без ребра. А - площадь среза).
Для увеличения энергоемкости устройства пространство между ребрами заполняется эластичным материалом и обхватывается втулкой заданной толщины с расчетным зазором между цилиндрической поверхностью ребер.
Преимуществом устройства является низкая стоимость изготовления, простота обслуживания и эксплуатации, быстрая замена деформируемого элемента, как «слабого звена», после аварийного инцидента.
Сущность предлагаемого устройства поясняется чертежами, где на фиг.1 дана схема поглощающего устройства отвода энергии удара с равномерным расположением ребер постоянной жесткости сдвигу; на фиг.2 - устройство с расположением ребер переменной жесткости сдвигу; на фиг.3 - устройство с заполненным межреберным пространством материалом повышенной вязкости и охватываемой втулкой.
i
Поглощающее устройство отвода энергии удара при столкновении транспортных средств (Фиг.1) содержит корпус, выполненный в виде подвижной 1 и неподвижной 2 втулок, внутри которых расположен одноразовый деформируемый элемент в виде цилиндрического стержня 3. На стержне заодно с ним выполнены плоские кольцевые ребра 4, один торец стержня расположен на днище 5 подвижной втулки 1, а второй торец, совмещенный с поверхностью крайнего ребра, соприкасается с инструментом-вставкой 6, установленной в днище 7 неподвижной втулки 2. Торец этой втулки расположен на внутренней плоскости 8 опорной плиты 9. Кольцевые ребра могут быть выполнены разной толщины h (Фиг.2). Кольцевые пространства между ребрами 4 могут быть заполнены эластичным вязким материалом 10 и охвачены втулкой 11 (Фиг.3).
Устройство работает следующим образом.
Устройство вступает в работу тогда, когда энергия отвода значительно превосходит энергоемкость штатного поглощающего аппарата вагона. Возникающие силы при ударном воздействии передаются в продольном направлении через днище подвижной втулки 1 на стержень, «слабое звено» 3. Пока силы не велики, а именно, не достигают заданного расчетного значения, не происходит значительного уменьшения длины стержня, за исключением малых упругих деформаций. Это означает, что отвода энергии не происходит. При последующем возрастании внешней силы и достижении ею предельного расчетного значения внутренних сил сопротивления в плоском крайнем кольцевом ребре 4, соприкасающегося с инструментом-вставкой 6 в днище 7 неподвижной втулки 2, в его продольном сечении на стыке с боковой цилиндрической поверхностью стержня возникают предельные напряжения, вызываемые сдвигом. На перемещении, равном толщине крайнего срезаемого первым ребра, внешние силы совершают работу, равную работе, затраченной на разрушение одного ребра, в данном случае крайнего ребра 4. При энергии удара, превышающей поглощенную энергию одним ребром, разрушению подлежит каждое последующее ребро по мере надобности, вплоть до исчерпания расчетной энергоемкости устройства.
Пример конкретного осуществления.
В лаборатории Челябинского института путей сообщения проведены испытания поглощающего устройства отвода энергии удара для железнодорожного транспортного средства по предлагаемой конструкции. Разрушение происходило:
i
I. При равномерном распределении ребер (Фиг.1) и при силе, соответствующей скорости движения падающего груза в момент соударения с устройством равной 5,4 м/с (20 км/час). При этом диаметр стержня d=8 мм, толщина кольцевых ребер h=1,5 мм, кольцевых ребер 6 штук. Срезалось 4 кольцевых ребра.
i
i
II. При неравномерном распределении ребер (Фиг.2), где толщина крайнего ребра h=3 мм, других ребер h=1,5 мм, скорость соударения оставалась той же - срезалось 2 кольцевых ребра.
III. При заполненном кольцевом пространстве эластичным вязким материалом (Фиг.3) и обхваченным втулкой, у стержня (по п.I) при той же скорости соударения срезалось только 2 ребра.
Испытания показали, что незначительные затраты и несущественные изменения модели-образца устройства (Фиг.2 и Фиг.3) по сравнению с устройством (Фиг.1) привели более чем к двукратному увеличению его энергоемкости.
Таким образом, предлагаемое устройство повышает надежность гашения удара при столкновении объектов (вагонов), обеспечивает безопасность, управляемость и контролируемость процесса.