Барьер противотаранный шлагбаумного типа
ANTI-RAM TYPE BARRIER

Изобретение относится к механическим устройствам, в частности к средствам ограничения движения транспорта шлагбаумного типа, предназначенным для остановки транспортных средств всех категорий в случае несанкционированного проезда на охраняемые, режимные объекты и территории. Технический результат - повышение противотаранных свойств барьера за счет введения внутри балки кроме предварительно натянутого силового троса - дополнительного силового троса, длина и диаметр которого больше длины предварительно натянутого троса, придавая тем самым противотаранному барьеру более высокую степень устойчивости таранному удару. Барьер противотаранный шлагбаумного типа включает основание, опоры, балку с предварительно натянутым внутри нее силовым тросом и дополнительным силовым тросом. Заявляемый противотаранный барьер устанавливается на ровную поверхность и не требует наличия бетонного фундамента, а также проведения каких-либо земляных работ при монтаже.
Известен выдвижной противотаранный шлагбаум ВПШ-L, описанный в патенте RU 171932 U1 от 17.02.2017, содержащий основную и приемную силовые стойки и расположенную между ними с возможностью перемещения в горизонтальном направлении балку. Основная силовая стойка шлагбаума имеет механизм перемещения указанной балки, а приемная силовая стойка - механизм запора этой балки, причем в обеих стойках, их фундаментах и самой балке расположены кольцевые тросы, образующие в рабочем положении шлагбаума замкнутую систему.
Недостатками такой конструкции являются нерегламентированные свойства кольцевых тросов, а также обязательное наличие у силовых стоек прочного фундамента. Противотаранные свойства определяются только прочностью на разрыв натянутых и закрепленных стальных тросов или прочностью на разрыв мест закрепления тросов к опорам и опор к фундаменту. Для обеспечения надежной защиты данный барьер требует наличия очень прочного фундамента, что приводит к большому объему трудоемких и дорогостоящих земляных и бетонных работ при монтаже.
Еще одним недостатком является невозможность перемещения балки в вертикальной плоскости и необходимость учитывать наличие определенного пространства за основной силовой стойкой, так как балка шлагбаума движется только в горизонтальной плоскости, перпендикулярно дорожному полотну.
Также недостатком данной конструкции является то, что направляющие балки, предназначенные для взаимодействия с установленными на основной силовой стойке роликами, очень часто забиваются снегом или наледью, поэтому потребуется систематическая их очистка или увеличение мощности привода перемещения балки.
Известна конструкция противотаранного барьера шлагбаумного типа, описанная в патенте RU 2621774 С2 от 25.04.2017, для задержания транспортных средств в виде стрелы, выполненной в виде фермы из стальных замкнутых прямоугольных профилей. На обоих концах стрелы расположены штыри, сделанные в виде цилиндров из высокопрочной стали. Внутри верхнего и нижнего пояса фермы проходят стальные канаты, которые огибают штыри, образуя замкнутую систему. Основными элементами являются стальные канаты, штыри и опоры, образующие единую замкнутую силовую систему с фундаментом.
Недостаток описанного устройства состоит в конструкции балки, выполненной в виде фермы, состоящей из множества соединенных друг с другом стальных замкнутых прямоугольных профилей. При взаимодействии с таранящим транспортным средством непосредственно сама ферма не оказывает существенного сопротивления и не обладает противотаранными свойствами, являясь лишь элементом для нанесения цветной схемы. Противотаранные свойства определяются только прочностью на разрыв натянутых и закрепленных стальных тросов или прочностью на разрыв мест закрепления тросов и связью их с опорами. Для обеспечения надежной защиты данный барьер требует наличие очень прочного фундамента, что приводит к большому объему трудоемких и дорогостоящих земляных и бетонных работ при монтаже. Также недостатком являются нерегламентированные свойства стальных канатов.
Еще одним недостатком данной конструкции является отсутствие возможности поворота балки в горизонтальной плоскости.
Известна конструкция противотаранного барьера шлагбаумного типа, описанная в патенте RU 2224840 С1 от 27.02.2004, представляющая собой преграду, содержащую балку, один конец которой шарнирно закреплен на одной опоре с возможностью поворота балки в горизонтальной плоскости, а другой закреплен на другой опоре с помощью механического замкового устройства. Балка сварена из двух швеллеров и внутри балки вмонтированы и закреплены по концам балки предварительно натянутые стальные тросы, а снаружи балки наварены стальные шипы для повышения заградительных свойств балки.
Недостатками такой конструкции являются нерегламентированные свойства предварительно натянутых стальных тросов, а также обязательное наличие у силовых стоек прочного фундамента. Противотаранные свойства определяются только прочностью на разрыв натянутых и закрепленных стальных тросов или прочностью на разрыв мест закрепления тросов к опорам и опор к фундаменту. Для обеспечения надежной защиты данный барьер требует наличие очень прочного фундамента, что приводит к большому объему трудоемких и дорогостоящих земляных и бетонных работ при монтаже.
Еще одним недостатком данной конструкции является перемещение балки барьера только в горизонтальной плоскости без возможности перемещения в вертикальной плоскости, а значит возникает необходимость увеличить свободное пространство в радиусе движения стрелы, консольный конец балки в горизонтальном положении поддерживается с помощью стойки и колеса, что при снежном покрове, намерзании наледи или неровностях дорожного покрытия затрудняет открытие и закрытие балки барьера. При такой конструкции практически невозможно применить электропривод и автоматизировать управление барьером. Эти факторы значительно уменьшают возможности применения барьера.
Известна конструкция противотаранного барьера, описанная в патенте RU 2338830 С1 от 20.11.2008, содержащая шарнирную и замковую опоры, выполненные из двух металлических труб разного диаметра с вваренной в них арматурой, залитой бетоном, и балку, сваренную из двух швеллеров в форме короба, закрепленную на опорах с возможностью ее поворота в горизонтальной плоскости, внутри балки вмонтированы предварительно натянутые стальные тросы, закрепленные по концам балки.
Недостатками описанного устройства являются нерегламентированные свойства натянутых стальных тросов и необходимость бетонирования силовых опор в грунт на обочинах проезжей части дороги на глубину примерно 1,5 метра. Противотаранные свойства определяются только прочностью на разрыв натянутых и закрепленных стальных тросов или прочностью на разрыв мест закрепления тросов к опорам. Для обеспечения надежной защиты данный барьер требует проведения большого объема трудоемких и дорогостоящих земляных и бетонных работ при монтаже силовых опор.
Еще одним недостатком данной конструкции является наличие сварных соединений, выполненных по всей длине балки, в области которых при взаимодействии с таранящим устройством, происходит хрупкое разрушение, в результате чего сваренные друг с другом швеллера работают по отдельности, снижая противотаранные свойства. При этом, выполняя сварные соединения вдоль всей длины балки, конструкция будет деформироваться во всех пространственных плоскостях, что вызывает необходимость в дополнительных трудозатратах на ее рихтовку и трудностях при сборке барьера. Так же проведение сварочных работ неизбежно приведет к повреждениям стальных тросов, снижая их прочностные характеристики.
Также недостатком данной конструкции является перемещение балки барьера только в горизонтальной плоскости без возможности перемещения в вертикальной плоскости, а значит возникает необходимость увеличить свободное пространство в радиусе движения стрелы.
Известен барьер противотаранный шлагбаумного типа, описанный в патенте RU 2677730 С1 от 21.01.2019, выбранный авторами в качестве прототипа, включающий основание, силовые опоры, балку, выполненной из стального профиля замкнутого сечения, в которую установлен предварительно натянутый силовой трос и шарнирную опору, обеспечивающей поворот балки.
Недостатками данного устройства являются нерегламентированные свойства предварительно натянутого силового троса, а также то, что его противотаранные свойства определяются не только прочностью на разрыв предварительно натянутого силового троса, прочностью на разрыв мест закрепления троса к опорам, но и прочностью мест крепления силовых опор к основанию. В связи с тем, что у данного барьера отсутствует прочный бетонный фундамент, то место крепления силовых опор к основанию, помимо прочих узлов, определяет общую конструкционную прочность изделия, и участвует в передачи энергии взаимодействия от силовых опор основанию. При недостаточной прочности этого узла возможен отрыв силовых опор от основания в момент наезда транспортного средства, что приведет к разрушению противотаранного барьера.
Заявленный авторами барьер противотаранный шлагбаумного типа (см. Рис. 1) включает в себя балку, с выполненным внутри нее силовым тросом 1 и дополнительным силовым тросом 2, основание 3, опоры 4.
Целью изобретения является повышение противотаранных свойств барьера, за счет внедрения внутри балки дополнительного силового троса, длина и диаметр которого больше, чем у предварительно натянутого силового троса, что приводит к перераспределению энергии взаимодействия при динамическом нагружении между всеми силовыми элементами противотаранного барьера.
Технический результат достигается тем, что внутри балки, кроме предварительно натянутого силового троса, выполнен дополнительный силовой трос длиной 1,1-1,2 длины предварительно натянутого силового троса и диаметром 1,2-1,4 диаметра предварительно натянутого силового троса.
Барьер противотаранный шлагбаумного типа работает следующим образом.
При наезде транспортного средства на барьер противотаранный шлагбаумного типа происходит взаимодействие с балкой. В силу конструктивных особенностей балки, процесс взаимодействия не зависит от направления воздействия и характеризуется следующими этапами:
- в начальный момент времени взаимодействия происходит интенсивная пластическая деформация транспортного средства в зоне воздействия балки. Интенсивность деформации определяется высокой энергией взаимодействия и локализацией воздействия балки на транспортное средство в месте касания балки и транспортного средства;
- дальнейшее движение транспортного средства приводит к дальнейшему деформированию балки с воздействием на предварительно натянутый трос.В этот момент времени энергия взаимодействия передается через трос на опоры противотаранного барьера. Сила, действующая на опоры, направлена внутрь барьера перпендикулярно опорам, что может привести к заваливанию опор внутрь или отрыву их от основания. Диаметр предварительно натянутого троса подбирается таким образом, чтобы он мог принять на себя только часть кинетической энергии транспортного средства, после чего должен разрушиться;
- после разрушения предварительно натянутого силового троса происходит дальнейшая деформация балки до момента натяжения дополнительного силового троса. При натяжении дополнительного силового троса под действием наезжающего транспортного средства, энергия взаимодействия передается на опоры противотаранного барьера под углом не менее 24 градусов (между тросом и нормалью к опоре). Это приводит к перераспределению сил, воздействующих на опоры. А именно, сила, действующая на опоры, разбивается на две проекции - перпендикулярную и параллельную плоскости опоры. Это приводит к уменьшению силы, способствующей заваливанию опор внутрь и их отрыву от основания за счет появления проекции силы, лежащей в плоскости опоры. А жесткость конструкции в плоскости опоры гораздо выше, чем в перпендикулярной ей плоскости.
Таким образом, вся энергия взаимодействия транспортного средства с барьером распределяется сначала по предварительно натянутому тросу, а после его обрыва - по дополнительному силовому тросу. Это позволяет существенно снизить нагрузку на силовые опоры и исключить их заваливание внутрь или их отрыв от основания.
Гарантированная эффективность достигается при выборе длины дополнительно натянутого силового троса, составляющей 1,1-1,2 длины предварительно натянутого силового троса балки.
При длине дополнительного силового троса менее 1,1 длины предварительно натянутого троса, его длина практически приближается к длине предварительно натянутого силового троса, в связи с этим эффективность его при перераспределении энергии взаимодействия на опоры после обрыва предварительно натянутого силового троса будет невелика. Это объясняется тем, что при близких значениях длин тросов значения углов, под которыми тросы воздействуют на опоры будут близки к 90 градусам, что не позволяет уменьшить силу, способствующую заваливанию опор внутрь и отрыву их от основания.
При длине дополнительного силового троса более 1,2 длины предварительно натянутого троса, при отсутствии нагрузки, у свободно лежащего внутри балки дополнительного силового троса высока вероятность появления заломов и западания прядей троса, что в свою очередь при появлении динамической нагрузки может привести к разрыву дополнительного силового троса в месте залома (западания прядей). Увеличение длины дополнительного силового троса более 1,2 длины предварительно натянутого троса, помимо технологических сложностей при прокладке, приведет также к увеличению массы самой балки, что в свою очередь приведет к увеличению нагрузки на остальные элементы конструкции барьера и увеличению их материалоемкости.
Таким образом, оптимальная длина дополнительно натянутого силового троса составляет 1,1-1,2 длины предварительно натянутого силового троса балки.
Гарантированная эффективность достигается при выборе диаметра дополнительного силового троса, соответствующего 1,2-1,4 диаметра предварительно натянутого силового троса балки.
При диаметре дополнительного силового троса балки менее 1,2 диаметра предварительно натянутого силового троса балки, его прочности может быть недостаточно в момент экстремального нагружения, что может привести к его разрыву.
При диаметре дополнительного силового троса балки более 1,4 диаметра предварительно натянутого силового троса балки, его прочности будет достаточно, но уменьшается гибкость троса. Уменьшение гибкости троса с увеличением диаметра создает технологические сложности при прокладке троса в балке.
Также увеличение диаметра дополнительного силового троса балки более 1,4 диаметра предварительно натянутого силового троса балки приводит к увеличению массогабаритных характеристик балки, что приводит к большей нагрузке на прочие элементы конструкции барьера, и, следовательно, к увеличению их материалоемкости, трудоемкости изготовления и, следовательно, себестоимости.
Таким образом, оптимальный диаметр дополнительно натянутого силового троса составляет 1,2-1,4 диаметра предварительно натянутого силового троса балки.
С целью снижения массы изделия, дополнительный силовой трос может быть выполнен из высокомодульного полимерного материала. Как известно, например, стальной трос тяжелее троса, выполненного из высокомолекулярных полимерных волокон, аналогичного по разрывной нагрузке, минимум в 10 раз.
Описанное изобретение может быть применено в барьерах противотаранных шлагбаумного типа с перемещением стрелы как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскостях, что существенно расширяет область его применения.
Предлагаемое техническое решение было реализовано в опытном образце барьера противотаранного шлагбаумного типа, включающего основание, опоры, балку с выполненным внутри нее предварительно натянутым силовым тросом и дополнительным силовым тросом.
Балка была выполнена из стальной трубы ∅159×5 мм. Внутри балки установлен предварительно натянутый силовой трос и дополнительный силовой трос длиной 1,1-1,2 длины предварительно натянутого силового троса. Цельносварное основание, каркас которого был выполнен из швеллера №12, было обшито рифленым стальным листом толщиной 8 мм, ориентированным рубашкой наружу. На основание были установлены две силовые опоры, выполненные из швеллера №20 и обшитые стальными листами. Балка установлена на шарнирной опоре посредством вала ∅60 мм и подшипников, расположенных внутри опоры. В качестве предварительно натянутого силового троса был взят стальной канат ∅ 24 мм, а дополнительного силового троса - стальной канат ∅ 30,5 мм, по ГОСТ 2688-80.
Испытания по экстремальному нагружению опытного образца барьера противотаранного шлагбаумного типа проводились в испытательном центре специальных материалов АО «НПО Спецматериалов» (аттестат аккредитации №РОСС RU.0001.22C308 от 26.08.2014). Таран производился автомобилем КАМА3-5511 массой 20035 кг на скорости 40,5 км/ч.
В результате осмотра опытного образца барьера противотаранного шлагбаумного типа видно, что после наезда транспортного средства произошла деформация стрелы, обрыв предварительно натянутого троса и деформация основания изделия. Заваливания силовых опор внутрь (в сторону транспортного средства), равно как и отрыва их от основания, не произошло. Это говорит о том, что предлагаемый авторами дополнительный силовой трос, проложенный внутри балки, успешно выполнил свою функцию по перераспределению энергии взаимодействия между всеми силовыми элементами конструкции.
Таким образом, действие заявляемых параметров изобретения позволило обеспечить достижение заявленного технического результата -повышение противотаранных свойств барьера, за счет внедрения в балку дополнительного силового троса, длина и диаметр которого больше, чем у предварительно натянутого силового троса, что приводит к перераспределению энергии взаимодействия при динамическом нагружении между всеми силовыми элементами противотаранного барьера.
Заявленное техническое решение по конструктивным особенностям барьера противотаранного шлагбаумного типа является новым, так как совокупность отличительных признаков изобретения, в том числе и в частных случаях, неизвестна из литературных данных и практического опыта работ в этой области.
Решение соответствует критерию «изобретательский уровень», так как предложенное не следует явным образом для специалиста из анализа отечественного и зарубежного уровня техники.