Модуль кабины машиниста локомотива
LOCOMOTIVE CAB MODULE

Изобретение относится к железнодорожному транспорту, а именно к несущим конструкциям кабины машиниста локомотива повышенной прочности или к силовым каркасам кабин управления для магистральных электровозов и тепловозов, в частности для магистральных электровозов 2ЭС6.
Модуль кабины машиниста локомотива воспринимает эксплуатационные нагрузки от основного оборудования и со стороны других несущих конструкций локомотива. В настоящее время особо актуальным является вопрос о системе защиты локомотивной бригады при аварийном столкновении локомотива с препятствием на железных дорогах колеи 1520 мм сети железных дорог ОАО «РЖД».
Известна кабина машиниста локомотива из патента UA 89664 с датой публикации 25.04.2014, содержащая на передней торцевой стенке стекло лобовое левое и стекло лобовое правое.
Из уровня техники известна кабина электровоза из патента РФ 134873 с датой публикации 27.11.2013, включающая взаимосвязанные между собой и смонтированные на силовом каркасе сборочные единицы - внешнюю обшивку, поручень верхний, подножку-поручень, стекло лобовое левое и стекло лобовое правое, капот левый и капот правый. При этом кабина выполнена съемной и унифицированной для электровозов, а сборочные единицы выполнены из конструкционных полимеров и снабжены размещенным между силовым каркасом и внешней обшивкой плавающим креплением. Плавающее крепление выполнено в виде размещенных на внутренних сторонах силового каркаса и бортовых панелей соответственно крепежных элементов и соединительных скоб. Соединительные скобы плавающего крепления могут быть выполнены с П-образным поперечным сечением или с С-образным поперечным сечением или с криволинейным поперечным сечением.
Недостатком полезной модели является недостаточная прочность при лобовом и боковом столкновении.
Известна кабина маневрового локомотива по патенту РФ 2641540 с датой публикации 18.01.2018, содержащая взаимосвязанные между собой поперечно и продольно расположенные стенки, днище, элементы каркаса и крышу, имеющие внешнюю и внутреннюю обшивку с теплоизоляционным слоем, дверные и лобовые оконные блоки боковых поперечных стенок. При этом кабина выполнена блочно-модульной конструкции с применением автономной унифицированной стапельной сборки с возможностью трансформации под установку необходимого оборудования, формируя беспрепятственный круговой обзор зоны надкапотного пространства. Силовые элементы выполнены из композиционных полимерных материалов.
Недостатком данного изобретения является недостаточная прочность при лобовом и боковом столкновении.
В патенте РФ 2231462 на изобретение «Рельсовое транспортное средство с кабиной машиниста» раскрыты сведения о кабине машиниста, обеспеченной энергопоглощающей конструкцией, выполненной с возможностью воспринимать столкновение, происходящее выше рамы транспортного средства, с датой публикации 27.06.2004. Изобретение относится к транспортному машиностроению, в частности к рельсовым транспортным средствам с кабиной для машиниста, и относится к такому транспортному средству, которое имеет энергопоглощающую конструкцию для защиты машиниста транспортного средства в случае столкновения. Кабина машиниста имеет защитный щит, выполненный с возможностью поглощения энергии удара с препятствием, которое ударяет по кабине машиниста выше уровня продольных балок рамы транспортного средства.
Рельсовое транспортное средство, имеющее конец с кабиной машиниста, при этом транспортное средство имеет жесткую раму, проходящую под кабиной машиниста, энергопоглощающий элемент и защитный щит, находящийся между внутренним пространством кабины машиниста и частью наружной обшивки и снабженный жесткой конструкцией. При этом защитный щит опирается на раму и связан с рамой посредством по меньшей мере одного энергопоглощающего элемента, расположенного локально между щитом и рамой. Энергопоглощающие элементы соединяют защитный щит продольно с рамой так, чтобы обеспечивать защитному щиту возможность перемещения относительно рамы в продольном направлении транспортного средства за счет деформирования энергопоглощающих элементов при фронтальном ударе. Рама и защитный щит, в месте их соединения, имеют взаимно дополняющие формы, образующие направляющее устройство подвижного типа в продольном направлении транспортного средства. Защитный щит также проходит по боковым сторонам кабины машиниста с образованием конструкции корпуса. На передний конец рамы опираются энергопоглощающие элементы. Энергопоглощающие элементы образованы конструкциями, которые деформируются.
Известна полезная модель «Рельсовое транспортное средство, имеющее кабину машиниста, обеспеченную энергопоглощающей конструкцией, выполненной с возможностью воспринимать столкновение, происходящее выше рамы транспортного средства» по патенту РФ с датой публикации 14.01.2020. Полезная модель относится к транспортному машиностроению, в частности к рельсовым транспортным средствам с кабиной для машиниста и имеющих энергопоглощающую конструкцию для защиты машиниста транспортного средства в случае столкновения.
Кабина машиниста обеспечена энергопоглощающей конструкцией, выполненной с возможностью воспринимать столкновение, происходящее выше рамы транспортного средства, содержащее срезаемую при сверхнормативном ударе автосцепку, энергопоглощающие элементы, расположенные перед буферным брусом и рамой, кабину, состоящую из деформируемой передней части и расположенной за деформируемой передней частью усиленной зоны безопасности для размещения локомотивной бригады, расположенный за зоной безопасности тамбур с входной дверью. В передней деформируемой части кабины между обшивкой и каркасом устанавливаются энергопоглощающие элементы, которые крепятся на деформируемых упорах, опирающихся на раму, дуги образуют переднюю часть каркаса кабины.
Наиболее близким техническим решением является изобретение «Модуль кабины управления для транспортного средства» по патенту РФ №2441784 с датой публикации 10.02.2012. Модуль кабины управления для транспортного средства, содержащий оболочку и металлический каркас, включающий крышу, фасадную часть с горизонтальным поясом жесткости, донную часть, заднюю стенку с центральным проемом для двери и бункерными выемками, элементы для крепления к металлическому каркасу, трубопроводы, элементы электромонтажа транспортного средства. Металлический каркас выполнен из модулей в виде рам, состоящих из балок профильной конструкции, соединенных угловыми элементами жесткости, бункерные выемки выполнены с двух сторон относительно проема для двери, рамы фасадной части установлены с наклоном относительно средней части в сторону, противоположную движению транспортного средства. Середина фасадной части снабжена балкой жесткости, нижняя рама донной части каркаса имеет выступ трапецеидальной формы и снабжена балкой, образующей основание трапеции. Угловые элементы жесткости выполнены с возможностью изменения угла наклона образующих граней. Боковые части каркаса снабжены рамами, выполненными из основания и профильных элементов, образующих оконные проемы.
Недостатками изобретения являются:
- не достигается упрочнение конструкции корпуса кабины, поскольку фасадная и боковая части не имеют общую связку помимо связки оболочкой;
- не улучшено сцепление оболочки с каркасом, так как оболочка в углах корпуса не закреплена, следовательно, при ударе кабины оболочка сразу же будет деформирована;
- затруднены монтаж и демонтаж стекол модуля кабины, вследствие того, что в каркасе предусмотрена ниша для стекла, необходимо проложить резинку, вклеить стекло в нишу, что доставляет неудобство при замене стекол.
Технической задачей заявляемого изобретения является усиление конструкции кабины машиниста для магистральных электровозов и тепловозов без изменения габаритных размеров кабины управления.
Техническими результатами, достигаемыми при реализации заявляемого изобретения, являются повышение прочности кабины машиниста при лобовом и боковом столкновении, повышение жесткости силового каркаса модуля кабины машиниста и надежности конструкции в процессе эксплуатации. Повышение прочности кабины машиниста обеспечит повышение безопасности для членов локомотивных бригад при наиболее вероятных сценариях аварийных столкновений подвижного состава с препятствием на пути следования подвижного состава.
Дополнительным техническим результатом является повышение удобства монтажа, демонтажа лобового стекла кабины машиниста и эксплуатации конструкции в целом за счет установки лобовых стекол и их закрепления с помощью съемных рам посредством резинового уплотнительного профиля, выполняющего функцию упора. Выполнение рамы лобового окна с разделительной стойкой и соединение ее упорами с антресольной частью крыши препятствует распространению трещины на все лобовое окно при столкновении с препятствием или ударе щебнем, поскольку при разрушении одной половины лобового окна, вторая половина окна остается целой. Вместе с тем, замена половины окна менее трудозатратна, по сравнению с заменой цельного лобового окна.
Технические результаты достигаются за счет выполнения модуля кабины машиниста локомотива, содержащего оболочку и металлический каркас, включающий крышу; антресольную часть; фасадную часть, состоящую из рамы лобового стекла и рамы передней нижней; донную часть, состоящую из нижней рамы и вертикального силового каркаса; боковые части, состоящие из нижней и верхней рамы; заднюю стенку с центральным проемом для двери и элементы для крепления к металлическому каркасу. Металлический каркас, кроме антресольной части и рам донной части, выполнен из модулей в виде рам, состоящих из параллельных поясов, выполненных из балок профильной конструкции, соединенных угловыми элементами жесткости, антресольная часть каркаса, нижняя рама донной части каркаса, вертикальный силовой каркас донной части каркаса изготовлены из профильной трубы. При этом рамы фасадной части, а именно рамы лобового окна и рама передняя нижняя установлены с наклоном относительно средней части в сторону, противоположную движению транспортного средства, а рама передняя нижняя снабжена балкой жесткости. Нижняя рама донной части каркаса имеет выступ трапецеидальной формы и снабжена балкой, образующей основание трапеции. Нижняя рама донной части каркаса снабжена элементами жесткости внутри трапеции, образующими ее высоту. Вертикальный силовой каркас донной части состоит из вертикальных балок и, по меньшей мере, из двух горизонтальных балок, изготовленных из профильной трубы, а также двух угловых вертикальных балок, представляющих из себя замкнутый составной профиль из гнутого листового элемента и балок, изготовленных из профильной трубы.
Нижняя рама боковой части представляет из себя ферму с параллельными поясами и снабжена раскосами, а передняя стойка нижней рамы боковой части усилена ребрами жесткости. Кроме того, верхняя рама боковой части соединена с рамой лобового окна угловой стойкой, представляющей из себя замкнутый составной профиль из гнутых листовых элементов с плоскими крышками сверху и снизу, усиленный ребрами жесткости. Горизонтальные балки рамы лобового окна имеют дополнительные ребра жесткости.
В качестве частных случаев выполнения заявляемого изобретения служат следующие признаки.
Вертикальный силовой каркас донной части может содержать две дополнительные горизонтальные балки в верхней части, изготовленных из профильной трубы.
В нижней раме боковой части между передней стойкой и одним из раскосов может быть установлена усиливающая косынка.
Передняя стойка и раскос нижней рамы боковой части могут быть соединены с угловой вертикальной балкой силового каркаса донной части гнутым листовым элементом изнутри кабины.
Рама лобового окна может дополнительно содержать вертикальную разделительную стойку и соединена упорами с антресольной частью металлического каркаса.
Лобовые стекла могут быть установлены и закреплены с помощью съемных рам посредством резинового уплотнительного профиля, выполняющего функцию упора.
Заявленное изобретение поясняется следующими фигурами:
фиг. 1 - модуль кабины машиниста локомотива, в частности для магистральных электровозов 2ЭС6. Общий вид. Аксонометрия;
фиг. 2 - каркас модуля кабины машиниста локомотива, в частности для магистральных электровозов 2ЭС6. Общий вид. Аксонометрия;
фиг. 3 - модуль каркаса (рама боковая нижняя);
фиг. 4 - модуль каркаса (каркас пола);
фиг. 5 - сечение передней угловой стойки в месте приложения горизонтальной силы 450 кН (на высоте 500 мм от уровня соединения с рамой);
фиг. 6 - сечение передней угловой стойки в месте приложения горизонтальной силы 200 кН (на высоте ~1300 мм от уровня соединения с рамой).
Модуль кабины машиниста для локомотива содержит оболочку (1) и металлический каркас (2), включающий крышу (3); антресольную часть (4); фасадную часть, состоящую из рамы лобового окна (5) и рамы передней нижней (6); донную часть, состоящую из нижней рамы (7) и вертикального силового каркаса (8); боковые части, состоящие из нижней (9) и верхней (10) рамы; заднюю стенку (11) с центральным проемом для двери и элементы для крепления к металлическому каркасу.
Металлический каркас (2), кроме антресольной части (4) и рам донной части, выполнен из модулей в виде рам (9), состоящих из параллельных поясов (12), выполненных из балок профильной конструкции, соединенных угловыми элементами жесткости (13). Антресольная часть (4) металлического каркаса (2) изготовлена из профильной трубы 80x60x5; нижняя рама (7) донной части металлического каркаса (2) изготовлена из профильной трубы 120x80x5; вертикальный силовой каркас (8) донной части металлического каркаса (2) изготовлен из комбинации профильной трубы 120x80x5 и 80x60x5. При этом:
рама фасадной части, а именно рамы лобового окна (5) и рама передняя нижняя (6) установлены с наклоном относительно средней части в сторону, противоположную движению транспортного средства;
рама передняя нижняя (6) снабжена балкой жесткости (14);
нижняя рама (7) донной части металлического каркаса (2) имеет выступ трапецеидальной формы и снабжена балкой (15), образующей основание трапеции, а также элементами жесткости (16) внутри трапеции, образующими ее высоту;
вертикальный силовой каркас (8) донной части металлического каркаса (2) состоит из четырех вертикальных балок (17) и горизонтальной балки (18), изготовленных из профильной трубы 120x80x5; горизонтальной балки (19) в нижней части и двух дополнительных горизонтальных балок (20) в верхней части, изготовленных из профильной трубы 80x60x5; а также двух угловых вертикальных балок (21), представляющих из себя замкнутый составной профиль из гнутого листового элемента (22) толщиной 5 мм и шести балок (23), изготовленных из профильной трубы 80x60x5;
нижняя рама боковой части (9) представляет из себя ферму с параллельными поясами (12), снабжена шестью раскосами (24), а передняя стойка (25) нижней рамы боковой части усилена ребрами жесткости (26) по всей высоте. Также между передней стойкой (25) и первым раскосом (24) установлена усиливающая косынка (27);
передняя стойка (25) и первый раскос (24) нижней рамы (9) боковой части соединены с угловой вертикальной балкой (21) силового каркаса (8) донной части гнутым листовым элементом (28) изнутри кабины;
верхняя рама (10) боковой части соединена с рамой лобового окна (5) угловой стойкой (29), представляющей из себя замкнутый составной профиль из гнутых листовых элементов с плоскими крышками сверху и снизу, усиленный ребрами жесткости (30);
горизонтальные балки рамы лобового окна (5) выполнены с увеличенным сечением и имеют дополнительные ребра жесткости;
рама лобового окна (5) содержит вертикальную разделительную стойку (31) и соединена упорами (32) с антресольной частью (4).
Лобовые стекла установлены и закреплены с помощью съемных рам посредством резинового уплотнительного профиля, выполняющего функцию упора.
Прочность конструкции каркаса согласно заявленному изобретению при рассмотренных режимах нагружения оценивалась по допускаемым напряжениям, принятым в соответствии с требованием п. 5 «Технических требований к системе защиты локомотивной бригады при аварийном столкновении локомотива с препятствием» ОАО «РЖД», утвержденных в 2021 г.
Выполнение металлического каркаса из модулей в виде рам с применением угловых элементов жесткости повышает технологичность изготовления узлов, обеспечивает удобство сборки и монтажа конструкции, а также повышает прочность металлического каркаса.
Снабжение модуля кабины машиниста вертикальным силовым каркасом донной части значительно повышает прочность при лобовом и боковом столкновении локомотива, повышает жесткость и надежность конструкции в процессе эксплуатации, а также обеспечивает высокую степень защиты экипажа от аварийных ситуаций в дорожных условиях эксплуатации.
Обеспечение нижней рамы донной части каркаса дополнительными элементами внутри трапеции, образующими ее высоту, значительно повышает прочность при лобовом столкновении локомотива, повышает жесткость и надежность конструкции.
Снабжение середины фасадной части горизонтальной балкой жесткости повышает прочность при лобовом и боковом столкновении локомотива, повышает жесткость и надежность конструкции в процессе эксплуатации, а также обеспечивает высокую степень защиты экипажа от аварийных ситуаций в дорожных условиях эксплуатации.
Изготовление нижней рамы боковой части в виде фермы с параллельными поясами и снабжение ее раскосами (например, шестью) и усиливающей косынкой между передней стойкой и первым раскосом дополнительно повышает прочность при лобовом столкновении локомотива повышает жесткость и надежность конструкции.
Усиление ребрами жесткости по всей высоте передней стойки нижней рамы боковой части, а также соединение передней стойки и первого раскоса нижней рамы боковой части с угловой вертикальной балкой силового каркаса донной части гнутым листовым элементом изнутри кабины дополнительно повышает прочность при лобовом и боковом столкновении локомотива, повышает жесткость и надежность конструкции.
Снабжение модуля кабины машиниста угловой стойкой, представляющей из себя замкнутый составной профиль из гнутых листовых элементов с плоскими крышками сверху и снизу, усиленный ребрами жесткости, и соединяющей верхнюю боковую раму с рамой лобового окна, значительно повышает прочность при лобовом и боковом столкновении локомотива, повышает жесткость и надежность конструкции в процессе эксплуатации, а также при ударе сверху и обеспечивает высокую степень защиты экипажа от аварийных ситуаций в дорожных условиях эксплуатации.
Выполнение горизонтальных балок рамы лобового окна с увеличенным сечением и снабжение дополнительными ребрами жесткости повышает прочность при лобовом и боковом столкновении локомотива, повышает жесткость и надежность конструкции в процессе эксплуатации, а также обеспечивает высокую степень защиты экипажа от аварийных ситуаций в дорожных условиях эксплуатации.
Снабжение рамы лобового окна вертикальной разделительной стойкой повышает технологичность изготовления узла, обеспечивает удобство монтажа лобового окна, а также позволяет минимизировать трудозатраты при замене лобового окна.
Таким образом, заявляемое изобретение обеспечивает повышение безопасности перевозок, снижение рисков травмирования и гибели членов локомотивных бригад, причинения ущерба подвижному составу в результате аварийных столкновений подвижного состава с препятствием.