УДАРНО-ТЯГОВОЕ УСТРОЙСТВО ПОДВИЖНОГО СОСТАВА
SHOCK-TRACTION EQUIPMENT OF ROLLING STOCK

Изобретение относится к железнодорожной технике, точнее к тяговым устройствам непрерывного действия, совмещенных с поглощающим и крэш-аппаратами.
автосцепка, автосцепное устройство, сцепка,
В настоящем описании термины  будут использоваться в толковании ГОСТ 33434-2015. Другие 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 моторвагонного;
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
- : 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»;
сцепное устройство
- : устанавливаемый на концевых частях единиц подвижного состава комплект сборочных единиц и деталей для их сцепления (механического соединения), передачи и амортизации продольных сил вне зависимости от того, является ли оно автосцепным или сцепным и каково конструктивное исполнение его непосредственно сопрягаемых головных частей (сцепок). Согласно ГОСТ 33434-2015 включает сцепку, поглощающий аппарат и устройство, передающее нагрузку на раму.
Известно беззазорное тяговое сцепное устройство, содержащее сцепку (сцепную головку) и тяговый хомут с установленным в нем поглощающим аппаратом, соединенные между собой двухподвижным сферическим шарниром, причем шарнир и тяговый хомут установлены в хребтовой балке вагона [RU №149527 U1]. Фактически хребтовая балка будучи вместилищем, силовым корпусом и направляющей для тягового хомута является частью сцепного устройства. Это усложняет его монтаж и обслуживание. Кроме того, лобовые части современных головных пассажирских вагонов выступают далеко вперед от их рамы и хребтовой балки, так что устанавливать известное устройство просто не в чем. Еще одним недостатком известного устройства является то, что максимальная энергоемкость используемого в нем поглощающего аппарата не превышает 200 кДж, тогда как для обеспечения безопасности при аварийных столкновениях требуется энергоемкость, по меньшей мере, на порядок большая.
Известно ударно-тяговое устройство, содержащее соединенные клином автосцепку и тяговый хомут с установленным внутри него поглощающим аппаратом, взаимодействующим с передним упором хребтовой балки вагона и с задним упором, подвижно установленным в хребтовой балке и взаимодействующим установленным там же крэш-аппаратом, точнее, со свободным концом трубчатого крэш-элемента, другой конец которого заправлен в деформирующий элемент, выполненный в виде плиты с отверстием, по окружности которого установлены резцы, взаимодействующие с наружной поверхностью крэш-элемента [RU №2559870 С2].
Недостатками известного устройства является то, что все его элементы, исключая головную часть автосцепки, размещены внутри хребтовой балки, служащей силовым корпусом и направляющей для тягового хомута, а также техническая сложность и малая длина выноса головной части автосцепки за хребтовую балку. Кроме того, используемый в нем крэш-аппарат дорог и не обеспечивает стабильно предсказуемую зависимость деформирующего усилия от длины деформированого участка.
От последнего из указанных недостатков свободны ударно-тяговые сцепные устройства, в котором удлиненный хвостовик автосцепки соединен с поглощающим аппаратом и через него шарнирно сочленен посредством шкворня с вилкой тягового хомута, которая, в свою очередь, соединена с крэш-аппаратом, установленным внутри укороченной хребтовой балки [RU №№2528511 С2 и 2528529 С2]. Недостатком известных устройств является их техническая сложность, значительная металлоемкость, габариты и масса.
Наиболее близким к предложенному по технической сущности и достигаемому результату является ударно-тяговое сцепное устройство, содержащее устройство для передачи рабочих усилий раме вагона, головную часть сцепки, хвостовая часть которой выполнена в виде крэш-аппарата, состоящего из телескопически сочлененных внешнего трубчатого крэш-элемента и внутреннего трубчатого деформирующего элемента с оправкой, при аварии вдавливаемой в крэш-элемент. При этом один конец крэш-аппарата соединен с головной частью автосцепки, а другим - с проушиной, шарнирно сочлененной посредством шкворня с вилкой тягового хомута, в котором расположен поглощающий аппарат [RU №64168 U1]. Шарнир, тяговый хомут и поглощающий аппарат установлены внутри хребтовой балки вагона.
Недостатком известного устройства является его техническая сложность и высокая стоимость. Оно непригодно для беззазорных сцепных устройств, поскольку не обладает степенью свободы в вертикальной плоскости. 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. Еще один недостаток состоит в том, что при существующих у современных вагонов расстояниях от лобовой части до хребтовой балки, даже с длинными крэш-аппаратами, рассчитанными на поглощение всей энергии столкновения, головная часть автосцепки просто не выйдет за лобовую часть современного головного вагона наружу.
Целями настоящего изобретения, решаемыми им задачами являются уменьшение количества деталей известного ударно-тягового устройства, его упрощение и удешевление, снижение массы, повышение надежности, увеличение вылета автосцепки за раму вагона.
Техническим результатом от использования предложенного ударно-тягового устройства является упрощение и удешевление ударно-тягового устройства.
Указанный технический результат достигается благодаря совмещению функций шарнира тягового хомута и деформирующего элемента в одном деформирующем элементе. Подробнее: благодаря тому, что в известном ударно-тяговом устройстве подвижного состава, содержащем головную часть сцепки, поглощающий аппарат, устройство для передачи усилий раме единицы подвижного состава и крэш-аппарат с трубчатым крэш-элементом, один из концов крэш-элемента заправлен в матрицу, установленную в отверстии устройства для передачи усилий раме единицы подвижного состава с образованием между ними двухподвижной кинематической пары, а поглощающий аппарат установлен между головной частью сцепки и вторым концом крэш-элемента.
Кроме того, устройство для передачи усилий раме единицы подвижного состава выполнено в виде плиты с отверстием, в котором установлена матрица, причем наружная поверхность матрицы и стенки отверстия образуют сферический шарнир.
Кроме того, предложенное устройство 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 стопорных элементов, скрепленных с плитой.
Кроме того, на поверхности матрицы, взаимодействующей с трубчатым крэш-элементом, выполнены канавки, направленные вдоль оси матрицы.
Кроме того, редуцированная при заправке в матрицу часть крэш-элемента снабжена наружной резьбой, на которую навернута гайка с буртиком, торцовая часть которой упирается в матрицу.
Кроме того, наружный диаметр буртика превышает диаметр отверстия в устройстве для передачи усилий раме единицы подвижного состава.
Благодаря тому, что один из концов крэш-элемента заправлен в матрицу, установленную в отверстии устройства для передачи усилий раме вагона с образованием между ними двухподвижной кинематической пары, а поглощающий аппарат установлен между головной частью сцепки и вторым концом крэш-элемента, деформирующий элемент дополнительно выполняет функции шарнира тягового хомута, что упрощает и удешевляет конструкцию ударно-тягового устройства, позволяет вынести его из хребтовой балки, увеличивая тем самым вылет головной части сцепки от рамы вагона. Кроме того, упрощение и удешевление предложенного устройства обеспечивается и тем, что из него исключен тяговый хомут как отдельный элемент.
Благодаря применению в предложенном устройстве крэш-аппарата с редуцированием трубчатого крэш-элемента продавливанием его через матрицу, повышается надежность устройства в условиях холодного климата.
Выполнение устройства для передачи усилий раме единицы подвижного состава в виде плиты с отверстием, в котором установлена матрица, причем наружная поверхность матрицы и стенки отверстия образуют сферический шарнир, является наиболее простым и недорогим техническим решением, обеспечивающим безотказную работу предложенного устройства.
Наличие в предложенном устройстве 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 сцепки вокруг оси крэш-элемента.
Наружная резьба на редуцированной при заправке в матрицу части крэш-элемента и навернутая на нее гайка с буртиком, торцовая часть которой упирается в матрицу, являются одним из возможных и самых простых решений, обеспечивающих передачу тягового усилия от крэш-элемента раме вагона.
Выполнение буртика гайки с наружным диаметром, превышающим диаметр отверстия в устройстве для передачи усилий раме единицы подвижного состава, предотвращая разрыв сцепки при распрессовке крэш-элемента и матрицы.
Существо изобретения поясняется чертежами.
На фиг. 1 изображен вид сбоку на предложенное устройство. Для удобства чтения правая часть чертежа изображена в масштабе, вдвое более крупном, чем левая.
На фиг. 2 изображен фронтальный вид на устройство для передачи усилий раме вагона (плиту) с матрицей.
1
1
2
3
4
5
5
6
7
8
9
10
11
12
5
9
13
5
9
13
1
Предложенное ударно-сцепное устройство состоит из сцепки , беззазорного сцепного устройства. В качестве сцепки может служить и стандартная автосцепка, так и беззазорное сцепное устройство той или иной конструкции. Хвостовая часть сцепки  хомутом  соединена с поглощающим аппаратом , который, в свою очередь, хомутом  соединен со свободным концом трубчатого крэш-элемента . Второй конец крэш-элемента  обжат (редуцирован) на конус  с образованием цилиндрического дульца , на котором нарезана резьба . Этот конец заправлен в матрицу  и закреплен в ней посредством фасонной гайки , имеющей буртик . Для удобства навертывания буртик может быть снабжен вырезами . Для предотращения вращения крэш-элемента  в матрице , на поверхности матрицы, поверхности, взаимодействующей с крэш-элементом, выполнены канавки , направленные вдоль оси матрицы (фиг. 2). При первоначальной запрессовке крэш-элемента  в матрицу  его материал проникает в канавки , образуя подобие шлицевого соединения. Это исключает возможность взаимного поворота матрицы и крэш-элемента в ходе эксплуатации, тем самым обеспечивая постоянную ориентацию сцепки .
9
14
9
9
15
14
9
14
16
14
9
Наружная поверхность матрицы  имеет выпуклую сферическую поверхность, сопряженную с вогнутой сферической поверхностью устройства для передачи усилий раме вагона. В данном описании в качестве примера это устройство показано выполненным в виде плиты  с отверстием, в котором установлена матрица . Наружная поверхность матрицы и стенки отверстия образуют сферический шарнир, точнее сферическую трехподвижную кинематическую пару с тремя степенями свободы. Для устранения вращательной степени свободы, то есть для того чтобы предотвратить вращение матрицы  относительно ее оси, она содержит на наружной поверхности две сферические канавки, в которые входят концы болтов , завернутых в плиту . Тем самым пара матрица  - плита  превращаются в двухподвижную кинематическую пару. Два выреза  в плите  необходимы для того, чтобы заправить матрицу  в сферическое отверстие плиты при сборке крэш-аппарата.
14
17
9
10
17
18
Для уменьшения массы периферическая часть плиты  выполнена тоньше центральной, образующей цилиндрический выступ , в котором частично расположены матрица  и гайка . С правой по чертежу стороны отверстие выступа  закрыто заглушкой  из любого тонкого материала, например из листовой резины.
11
14
8
Наружный диаметр буртика  превышает внутренний диаметр сферической поверхности плиты  в месте выхода ее на плоскость. Это предотращает разрыв сцепного устройства в случае срыва резьбы .
14
19
Плита  закреплена на любом элементе рамы вагона, способном сообщать ей тяговое усилие, например, на поперечном или буферном брусе  рамы вагона, либо на торце его хребтовой балки. Выбор этого элемента зависит от конкретной конструкции вагона и на достижение заявленного технического результата не влияет.
Работает предложенное ударно-сцепное устройство следующим образом.
1
18
1
3
5
10
9
14
18
1
3
5
9
14
18
Тяговое усилие передается от сцепки  поперечному брусу  рамы вагона по цепочке: сцепка  - поглощающий аппарат  - крэш-элемент  - гайка  - матрица  - плита  - брус . Усилие торможения передается по цепочке: сцепка  - поглощающий аппарат  - крэш-элемент  - матрица  - плита  - брус .
При поворотах или взаимном смещении смежных вагонов по вертикали группа сцепка - поглощающий аппарат - крэш-элемент поворачиваются в шарнире матрица-плита в горизонтальной или вертикальной плоскости, сохраняя способность передавать тяговое или тормозное усилие.
5
9
5
7,
18
5
В случае аварийного столкновения тормозное усилие становится настолько большим, что крэш-элемент  начинает вдавливаться в матрицу . Редуцированный конец крэш-элемента  с диаметром, равным диаметру дульца  прорывает заглушку  и выходит внутрь рамы вагона. Вдавливание происходит либо до полного поглощения энергии столкновения, в том числе и с участием других, например боковых, крэш-аппаратов, либо до полного исчерпания длины рабочего хода крэш-элемента .
Изготовлена и установлена в электропоезд опытная партия описанного ударно-сцепного устройства. Результаты опытно-промышленной эксплуатации показали его полную работоспособность. При этом его масса и стоимость на 26% и 33% соответственно ниже, чем у оснащенного той же сцепкой беззазорного сцепного устройства БСУ-3 в паре с крэш-модулем ТМ135.