Энергопоглощающее устройство для защиты подвижного состава

Полезная модель относится к железнодорожному транспорту, точнее, к средствам для поглощения энергии удара при аварийном столкновении путем их необратимой деформации.
В настоящем описании термины будут использоваться в следующем толковании:
- внутренний конус: коническая деталь или конический элемент, внутренняя поверхность которых коническая;
- деформирующий элемент: деталь, непосредственно взаимодействующая на крэш-элемент, в настоящей полезной модели это коническая матрица или оправка;
- коническая поверхность - поверхность, образуемая движением прямой, проходящей все время через неподвижную точку и пересекающей данную линию, которая не обязательно является правильной окружностью. В частности, она может быть и квадратом или эллипсом;
- 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 иногда не вполне корректно называется фильерой;
- оправка: деталь крэш-аппарата, на которую насаживается трубчатый крэш-элемент, на раздачу которого расходуется энергия столкновения, в уровне техники встречается эквивалентное название пуансон;
- передний, входной - расположенный ближе к той стороне, откуда приходит удар; соответственно, задний, выходной: расположенный с той стороны матрицы, откуда выходит редуцированный крэш-элемент;
- цилиндрическая поверхность - поверхность, образуемая движением прямой, сохраняющей одно и то же направление и пересекающей данную линию, которая не обязательно является правильной окружностью. В частности, она может быть и квадратом или эллипсом;
- энергопоглощающее устройство - крэш-аппарат.
Известен ряд крэш-аппаратов рельсовых транспортных средств, содержащих трубчатый или сплошной крэш-элемент, один из концов которого заправлен в деформирующий элемент, выполненный в виде кольцевого режущего элемента [US №4346795, SU №867746], либо в виде плиты с отверстием, по окружности которого установлены режущие элементы (резцы), взаимодействующие с наружной поверхностью крэш-элемента [RU №2559870]. Энергия столкновения поглощается срезанием режущими элементами стружки с поверхности крэш-элемента.
Такие крэш-аппараты технически сложны, дороги и не обеспечивает стабильно предсказуемую зависимость деформирующего усилия от длины деформированого участка. В случае выкрашивания часть режущего элемента нарушается симметрия распределения усилия по окружности крэш-элемента и возникает опасность выворачивания его вбок с потерей значительной доли энергопоглощающей способности.
Известен ряд крэш-аппаратов рельсовых транспортных средств, содержащих трубчатый крэш-элемент и установленный внутри него деформирующий элемент, выполненный в виде кольцевой оправки-пуансона из твердой стали, причем взаимодействующие поверхности крэш-элемента и пуансона выполнены в виде, соответственно, внутреннего и наружного усеченных конусов с близкими углами при вершине. Поглощение энергии столкновения происходит за счет раздачи крэш-элемента вдвигаемой в него оправкой. [RU №№2359853, 2438899, 2462381, 64168 U1, US №8893866 В2]. Такие крэш-аппараты ненадежны при авариях в холодном климате, когда охрупченная морозом труба раздаваемого крэш-элемента может быть распорота оправкой по образующей, перестав вследствие этого поглощать энергию столкновения.
По этой причине более надежны крэш-аппараты, в которых поглощение энергии столкновения происходит при редуцировании трубчатого крэш-элемента посредством вдавливания его в коническое сходящееся отверстие матрицы.
Так, например, известен крэш-аппарат, содержащий трубчатый крэш-элемент, входная часть которого размещена в отверстии большей по диаметру трубы, внутренняя поверхность торцевой части которой имеет коническую сходящуюся под небольшим (<10°) поверхность, то есть выполняет функцию матрицы, редуцирующей крэш-элемент. Труба крэш-элемента имеет фланец, прижатый к входной торцевой части матрицы [выложенное описание к неакцептованной заявке ФРГ №1947819]. Недостатком известного крэш-аппарата является высокая стоимость крэш-элемента, изготавливаемого с большим отходом материала, вызванным необходимостью проточки его внешней поверхности с оставлением фланца. Другой недостаток состоит в том, что матрица, она же торцевая часть трубы, может быть разорвана огромными усилиями, возникающими при вдавливании в нее крэш-элемента. Причем этот недостаток усиливается в холодном климате. Еще один недостаток состоит в том, что при малом угле схождения конической поверхности матрицы поглощение энергии на единицу длины деформированного крэш-элемента оказывается небольшим, и для поглощения полной энергии столкновения длина крэш-аппарата должна быть большой.
Известно путевое энергопоглощающее устройство тупикового упора, состоящее из ряда взаимосвязанных последовательно установленных энергопоглощающих пар элементов, каждая из которых выполнена в виде крэш-элемента из цилиндрической трубы, задним концом установленного с натягом в матрице (в источнике она названа фильерой), закрепленной на переднем конце крэш-элемента следующей пары, установленного на опоре, внутренний диаметр, длина и натяг в матрице каждого последующего крэш-элемента больше наружного диаметра, длины и натяга в матрице предыдущего крэш-элемента с возможностью телескопического складывания друг в друга [RU №2374110].
Недостатком известного устройства является его большая длина, настолько большая, что авторы этого изобретения включили в состав устройства три подвижные поддерживающие крэш-аппарат опоры, установленные на рельсах. Для тупиковых упоров, возможно, это не очень значимый недостаток, но для подвижного состава габариты устройства очень важны. Кроме того, прочность на разрыв кольцевых матриц, установленных на концах трубчатых крэш-элементов, невелика из-за их малого диаметра. Кроме того, столь длинное устройство обладает малой поперечной устойчивостью. При малейшем отличии направления соударения от прямого, оно может выгнуться вбок и сложится пополам.
Причина создания столь громоздкого решения видна из его прототипа, который является также и наиболее близким к предложенному энергопоглощающему устройству по технической сущности и достигаемому результату. Это энергопоглощающее устройство тупикового упора, включающее трубчатый крэш-элемент, на одном конце которого установлен толкатель удароприемного оголовка, а другой конец размещен в матрице (в источнике она названа фильерой), плотно вставленной в опорную плиту неподвижной опоры. Матрица выполнена в виде кольца с круглым коническим отверстием, причем угол между образующей конуса и его осью не превышает 5°.
Входная часть наружной поверхности крэш-элемента и рабочая поверхность матрицы имеют вид усеченных конусов вращения с близкими углами раствора [RU №2253583]. Плита выполняет функцию бандажа, ограничивая расширение матрицы и предотвращая ее разрыв. Тем не менее, прочность матрицы остается недостаточной из-за выкрашивания ее задней кромки. Из-за малого угла конуса усилие редуцирования крэш-элемента сравнительно невелико и потому длина крэш-аппарата, достаточная для поглощения требуемого количества энергии, оказывается неприемлемо большой для того чтобы его можно было использовать в подвижном составе. Повысить усилие, увеличивая толщину стенки трубы крэш-элемента не удается как из-за отсутствия в сортаменте толстостенных труб, так и из-за неприемлемого возрастания массы крэш-элемента. Для заправки конца крэш-элемента в матрицу при первоначальной сборке его приходится предварительно обтачивать на конус.
Технические задачи, решаемые настоящей полезной моделью, состоят в повышении прочности матрицы сокращении длины и массы крэш-аппарата, упрощении его сборки.
Технические результаты от использования предложенного энергопоглощающего устройства состои(я)т в сокращении длины и массы крэш-аппарата, увеличении его надежности за счет повышении прочности матрицы.
Указанные технические результаты достигаются тем, что в известном энергопоглощающем устройстве для защиты подвижного состава содержащем редуцируемый при столкновении трубчатый крэш-элемент и бандаж с установленной в нем матрицей, имеющей коническую рабочую поверхность, входная и выходная части матрицы имеют прямолинейные цилиндрические участки, причем выполняются следующие соотношения:
a/D=(0,1…0,3)D;
b/D=(0,04…0,4);
c/D=(0,07…0,7);
t/D=(0,05…0,16),
где a, b и c - длины конического рабочего участка матриц, прямолинейных участков входной и выходной частей матрицы соответственно;
D - начальный наружный диаметр крэш-элемента;
t - толщина стенки креш-элемента, причем угол между образующей конуса матрицы и ее осью составляет (18…24)°.
Кроме того, в исходном состоянии редуцированный при сборке конец крэш-элемента выполнен выступающим за выходную часть матрицы и соединен сваркой с надетым на него диском, находящимся в контакте с выходной частью, наружный диаметр которого превосходит поперечный размер матрицы.
Благодаря тому, что угол между образующей конуса матрицы и ее осью составляет (18…24)°, а также благодаря тому, что длина конического участка матрицы, измеренная вдоль ее оси, составляет (0,1…0,3)D, сокращается продольный габарит и масса крэш-аппарата, поскольку при таких углах сопротивление деформации крэш-элемента весьма высоко и, в то же время, риск осадки крэш-элемента у входа в матрицу еще не столь велик.
Благодаря оснащению матрицы входным цилиндрическим участком повышается надежность крэш-аппарата за счет предотвращения раздачи крэш-элемента у входа в матрицу, облегчается процесс запрессовки крэш-элемента в матрицу при сборке крэш-аппарата.
Благодаря оснащению матрицы выходным цилиндрическим участком повышается надежность крэш-аппарата за счет предотвращения выкрашивания выходного конического участка матрицы, и исключения возможности отпуска рабочего участка матрицы в ходе операции сварки диска и крэш-элемента.
Благодаря тому, что редуцированный при сборке конец крэш-элемента выполнен выступающим за выходную часть матрицы и соединен сваркой с надетым на него диском, находящимся в контакте с выходной частью, наружный диаметр которого превосходит поперечный размер матрицы, повышается надежность крэш-аппарата, предотвращается выпадение крэш-элемента из матрицы.
Обоснование заявленных пределов допустимых изменений соотношений размеров представлено ниже.
Существо полезной модели поясняется чертежами.
На фиг. 1 показан продольный разрез предложенного устройства.
На фиг. 2 представлен чертеж матрицы, выделенный из чертежа фиг. 1 для удобства простановки размеров.
Предложенное энергопоглощающее устройство включает в себя крэш-элемент 1, выполненный в виде трубы диаметром D, с толщиной стенки t, не обязательно круглого сечения, матрицу 2 с конической рабочей частью 3, а также входным 4 и выходным 5 цилиндрическим участками (фиг. 1). Длины частей 3, 4 и 5 далее будут обозначены как a, b и с (фиг. 2). Матрица 2 установлена в ступенчатом отверстии массивной плиты 6, и закреплена в ней накидным фланцем 7. Плита 6 служит для присоединения энергопоглощающего устройства к раме 8 вагона, локомотива или призме тупикового упора. Она также является бандажом для матрицы 2, воспринимая от нее радиальные усилия и предотвращая тем самым разрыв матрицы. Если осевой размер матрицы 2 существенно превосходит расчетную толщину плиты 6, то для снижения веса часть радиальной нагрузки от матрицы 2 может быть воспринята также накидным фланцем 7, при условии согласования их диаметров по скользящей или плотной посадкам. Если толщина матрицы 2 близка к расчетной толщине плиты 6, она может быть запрессована в плиту по плотной или тугой посадке.
Цилиндрический входной участок 4 матрицы 2 служит для направления и облегчения заправки конца крэш-элемента 1 в матрицу перед его запрессовкой, а также для предотвращения осадки (раздачи) у входа в рабочую часть матрицы. Экспериментально установлено, что длина участка 4 должна быть не менее 0,041D, поскольку при меньшей длине осадка не предотвращается. Чем больше угол α между образующей конической поверхности матрицы и ее осью, тем выше усилие редуцирования крэш-элемента, выше вероятность его осадки при входе и тем длиннее должен быть участок 4. Максимальная длина участка 4 ограничена значением 0,41) по конструктивными соображениям из-за роста массы устройства.
Угол α находится в пределах (18…24)°. При α<18° из-за снижения усилия редуцирования для поглощения заданной энергии приходится увеличивать рабочий ход (и длину) крэш-элемента настолько, что размещение крэш-аппарата в большинстве известных единиц подвижного состава становится невозможным. При α>24° осадка, то есть раздача, выпучивание в стороны, крэш-элемента становится почти неизбежной при любых соотношениях между D и t.
Благодаря наличию цилиндрического выходного участка 5 матрицы 2 предотвращается выкрашивание задней, выходной кромки конического участка матрицы. Как установлено опытным путем, длина этого участка должна быть не менее 0,072D. Максимальная длина участка 5 ограничена значением 0,72D по конструктивными соображениям из-за неоправданного роста массы и продольного размера матрицы.
При t/D<0,05 возможно смятие трубчатого крэш-элемента перед входом в матрицу. При t/D>0,16, как установлено рядом испытаний, соотношение масса крэш-аппарата/поглощаемая энергия становится невыгодным, а усилие редуцирования приближается к пределу прочности рамы вагона. Если поглощаемая крэш-аппаратом энергия меньше, чем требуется, то целесообразнее увеличивать не t, a D или длину рабочего хода крэш-элемента.
При сборке предложенного устройства крэш-элемент 1 запрессовывается в матрицу 2 настолько, чтобы его редуцированный конец 8 вышел из матрицы на расстояние, близкое к t. На него надевается диск 9, наружный диаметр которого превосходит поперечный размер матрицы, после чего диск плотно прижимается к матрице 2 и соединяется сваркой с редуцированным концом 8. Такое конструктивное решение предотвращает выпадение крэш-элемента из матрицы, то есть повышает надежность крэш-аппарата. Благодаря наличию участка 5 место сварки оказывается удаленным от заднего конца 10 закаленной конической рабочей поверхности матрицы. Это исключает отпуск рабочей поверхности, что опять же повышает надежность крэш-аппарата.
Передний конец крэш-элемента 1 скрепляется с сцепной головкой, либо тяговым хомутом, либо, как это в качестве примера показано на фиг. 1, с ударной ребристой плитой 11.
Поперечное сечение трубчатого крэш-элемента не обязательно является окружностью. Это может быть эллипс, квадрат со скругленными углами или иная замкнутая фигура. Взятым из справочника по элементарной математике приведенным выше определениям цилиндрической или конической поверхностей это не противоречит. Угол α в таких случаях это наибольший угол между образующей и осью матрицы, а диаметр D - наибольший поперечный размер. Достоинством таких некруглых крэш-элементов является то, что они не могут вращаться в матрице, что важно при размещении на их переднем конце сцепных головок или ребристых плит.
При разработке предложенного устройства был выполнен большой объем ударных и прессовых испытаний, по результатам которых были установлены заявленные соотношения размеров и допустимые пределы их изменения. Выпущена опытная партия буферных модулей, оснащенных описанными энергопоглощающими устройствами.