ПЕРЕХОДНИК СЦЕПНОГО УСТРОЙСТВА ДЛЯ ПРИСПОСОБЛЕНИЯ СЦЕПНЫХ УСТРОЙСТВ РАЗЛИЧНОЙ КОНСТРУКЦИИ
COUPLER ADAPTER FOR DIFFERENT DESIGN COUPLERS

Настоящее изобретение относится к переходнику сцепного устройства для приспособления сцепных устройств различной конструкции, причем переходник сцепного устройства содержит первую соединительную зону для разъемного соединения переходника сцепного устройства с первой сцепкой, вторую соединительную зону для разъемного соединения переходника сцепного устройства со второй сцепкой, а также корпус переходника для соединения первого сцепного механизма со вторым сцепным механизмом.
Изобретение соответственно относится к переходнику сцепного устройства, например, для соединения автоматической центральной буферной сцепки и винтовой стяжки или сцепки AAR (Ассоциация Американских железных дорог), в результате чего первая соединительная зона может быть выполнена в форме сцепного замка для разъемного соединения переходника сцепного устройства с головкой автоматической центральной буферной сцепки, при этом вторая соединительная зона может быть выполнена в форме сцепной вилки для приспособления упряжного крюка винтовой стяжки или сцепки AAR к разъемному соединению переходника сцепного устройства с головкой винтовой стяжки или сцепки стандарта AAR.
Термин "соединительная зона", использованный здесь, следует, в общем, понимать как устройство сопряжения между корпусом переходника сцепного устройства на одной стороне и сцепкой, которая должна быть соединена с переходником сцепного устройства. Соединительная зона может быть выполнена, например, в форме сцепного замка или может содержать сцепной замок для разъемного соединения переходника сцепного устройства с головкой автоматической центральной буферной сцепки. С другой стороны, в соединительной зоне предусмотрена сцепная вилка, которая может быть приспособлена к упряжному крюку винтовой стяжки или сцепки стандарта AAR. Разумеется, также могут быть использованы другие варианты осуществления соединительной зоны.
Переходник сцепного устройства указанного выше типа в целом известен в железнодорожной отрасли и используется для соединения рельсовых транспортных средств с различными сцепными системами (например, для соединения сцепки Шарфенберга с головкой стандарта AAR или упряжным крюком). Соединение переходника сцепного устройства, например, с упряжным крюком или головкой стандарта AAR обычно выполняют вручную, тогда как в случае центральной буферной сцепки процесс сцепления может быть автоматическим.
Традиционный переходник сцепного устройства для соединения с автоматической центральной буферной сцепкой и, например, винтовой стяжкой обычно содержит корпус сцепного устройства, вкотором размещен сцепной замок в качестве первого соединительного механизма для механического соединения переходника сцепного устройства со сцепным замком, размещенным в сцепной головке автоматической центральной буферной сцепки. В сцепленном состоянии передняя поверхность корпуса сцепного устройства прилегает к переходнику сцепного устройства у передней плоскости сцепной головки автоматической центральной буферной сцепки.
На противолежащей передней поверхности переходника сцепного устройства в качестве второго соединительного механизма может быть предусмотрена сцепная вилка, в которую может быть принят, например, упряжной крюк винтовой стяжки или сцепки AAR, и таким образом обеспечено механическое соединение переходника сцепного устройства с винтовой стяжкой или сцепкой AAR.
При эксплуатации второму соединительному механизму переходника сцепного устройства, сформированному в виде сцепной вилки, от упряжного крюка винтовой стяжки или сцепки AAR передаются растягивающие и сжимающие нагрузки. Сжимающая нагрузка, переданная сцепной вилке и второму соединительному механизму соответственно, передается через стенку корпуса сцепного устройства лицевой поверхности переходника сцепного устройства и через нее передается лицевой поверхности головки автоматической центральной буферной сцепки, механически соединенной с переходником сцепного устройства.
С другой стороны, растягивающая нагрузка передается через первый соединительный механизм, такой как механически соединенные сцепные замки переходника сцепного устройства и автоматической центральной буферной сцепки. Сцепные замки, например, могут содержать коромысло, установленное шарнирно относительно корпуса сцепного устройства посредством главного шкворня, с присоединенным к нему тяговым хомутом. Таким образом, растягивающие усилия передаются через соответствующие тяговые хомуты, которые взаимодействуют с соответствующими коромыслами.
Следует отметить, что настоящее изобретение ни в коем случае не ограничено переходником сцепного устройства, сконструированным с возможностью соединения автоматической центральной буферной сцепки с винтовой стяжкой. Скорее изобретение относится в целом к переходнику сцепного устройства для приспособления сцепных устройств различной конструкции, в результате чего переходник сцепного устройства содержит соединительный механизм, который совместим со сцепкой первого типа конструкции и сформирован для обеспечения разъемного соединения со сцепкой первого типа конструкции, в результате чего переходник сцепного устройства дополнительно содержит второй соединительный механизм, который совместим со сцепкой второго типа конструкции и сформирован для обеспечения разъемного соединения со сцепкой второго типа конструкции.
Поскольку первый и второй соединительные механизмы соответственно соединены вместе через корпус соединителя в универсальном переходнике сцепного устройства, растягивающие и сжимающие нагрузки, возникающие во время эксплуатации при использовании переходника сцепного устройства для приспособления сцепки первого типа конструкции к сцепке второго типа конструкции, передаются от первого соединительного механизма второму соединительному механизму через корпус соединителя.
Поскольку корпус переходника сцепного устройства таким образом вовлечен в передачу нагрузки в случае растягивающих или сжимающих нагрузок, он должен отличаться соответствующей высокой прочностью и выдерживать сжимающие и растягивающие нагрузки. Поэтому корпус соединителя, обеспеченный в традиционном переходнике сцепного устройства, обычно реализован в форме металлической конструкции (прецизионное литье) с использованием материала, который имеет сравнительно высокую прочность на сжатие и растяжение, в частности имеет изотропные свойства, то есть физически однороден во всех направлениях.
Недостаток традиционного переходника сцепного устройства, известного в железнодорожной отрасли и описанного выше, состоит в том, что металлическая конструкция, в частности корпус соединителя, затрудняет процесс приспособления вручную переходника сцепного устройства между сцепками, которыенеобходимо согласовать, например упряжного крюка винтовой стяжки или сцепки AAR.
Таким образом, были предприняты множественные попытки создания переходника сцепного устройства легкой конструкции, обеспечивающего возможность более легкой физической манипуляции.
Настоящее изобретение решает задачу создания конструкции легкого корпуса сцепного устройства для переходника сцепного устройства, предыдущие попытки решения которой привели к созданию непригодной или малопригодной конструкции. Причина неудачи предыдущих подходов состоит в том, что, с одной стороны, для переходника сцепного устройства предоставлено лишь ограниченное пространство, поэтому геометрические размеры переходника сцепного устройства легкой конструкции должны по существу соответствовать размерам традиционного переходника сцепного устройства. С другой стороны, переходник сцепного устройства представляет собой компонент, на который действуют не только относительно большие сжимающие нагрузки, но также в частности большие растягивающие нагрузки. Поэтому, например, алюминий не может использоваться в качестве материала для корпуса сцепного устройства переходника сцепного устройства, поскольку алюминий имеет сравнительно низкую прочность на растяжение.
Направленное на решение этой проблемы, настоящее изобретение решает задачу проектирования переходника сцепного устройства указанной легкой конструкции для упрощения, в частности, физической манипуляции с таким переходником.
Эта задача решается с одной стороны проектированием корпуса сцепного устройства из волоконного композиционного материала, в частности композиционного материала на основе углеродных волокон, и в форме, приспособленной к геометрии выполненного из металла корпуса сцепного устройства.
С другой стороны, изобретение предлагает корпус соединителя, имеющий прочную волоконную структуру, ориентированную в соответствии с приложенными к ней нагрузками.
В одном возможном варианте осуществления решения согласно настоящему изобретению с учетом приложенных растягивающих и сжимающих усилий дополнительно предусмотрена возможность выполнения первого и/или второго соединительного механизма в форме вставки и его размещения в корпусе сцепного устройства с прочным соединением с указанным корпусом соединителя.
Под общеупотребительным термином "вставка", использованным здесь, понимается вставка, которая служит для предотвращения непосредственного действия сил на волокна композиционного материала в точке, в которой растягивающие и сжимающие нагрузки передаются переходнику сцепного устройства. Напротив, волокнакомпозиционного волоконного материала не испытывают нагрузок при передаче через вставку приложенных к переходнику сцепного устройства сил и таким образом при их распределении. Такая конструкция предотвращает действие на волокна композиционного волоконного материала пиковых нагрузок.
Армированные волокном пластики структурно основаны на армирующих волокнах, встроенных в матричные системы полимеров. Благодаря матрице, удерживающей волокна в заданном положении, распределяющей нагрузку между волокнами и предохраняющей волокна от действия внешних факторов, армирующие волокна улучшают нагрузочные механические свойства пластиков. В частности, для использования в качестве усиливающих волокон подходят арамидные, стеклянные и углеродные волокна. Однако из-за своей упругости арамидные волокна имеют низкую жесткость, и потому для изготовления жестких конструктивных элементов используют лишь стекловолокно и углеродное волокно. Благодаря высокой удельной прочности волокна углерода используются исключительно для компонентов, выдерживающих большие нагрузки, таких, например, как корпус соединителя для переходника сцепного устройства.
Известные, например, в космической технологии армированные углеродным волокном пластики (CFP) имеют высокую удельную жесткость и прочность и таким образом могут походить для изготовления структурных или опорных конструкций, хотя механические свойства армированных углеродным волокном пластиковявляются анизотропными, т.е. зависят от направления. В зависимости от типа волокна прочность на растяжение в направлении, поперечном к направлению волокон, составляет в каждом случае лишь примерно 5% прочности при растяжении вдоль волокон. Таким образом, корпус соединителя, выполненный из волоконного композита, на первый взгляд может показаться неподходящим для использования в переходнике сцепного устройства.
В случае настоящего изобретения известно, что волоконная структура, которая будет использована для изготовления корпуса сцепного устройства для переходника сцепного устройства, должна быть приспособлена к ожидаемым нагрузочным условиям для осуществления своего назначения. В частности, изобретение предлагает использование армированного углеродным волокном пластика в качестве материала для изготовления корпуса сцепного устройства, в котором, по меньшей мере, большинство волокон ориентировано в направлении, совпадающем с направлением предварительно рассчитанного вектора нагрузки. Для изготовления специальных секций, на которые будут действовать разнонаправленные нагрузки, при необходимости может быть выбрана квазиизотропная волоконная структура с идентичными характеристиками в разных пространственных направлениях.
Кроме того, внешняя форма корпуса сцепного устройства заимствует форму корпуса сцепного устройства, имеющегометаллическую конструкцию, в которой, однако, с механической точки зрения предпочтительно сознательно устранены все присутствующие в ней острые изгибы, складки и любые ребра жесткости, которые легко реализуются способом прецизионного литья. Таким образом, корпус соединителя согласно изобретению, выполненный из композитного волоконного материала, имеет форму, схожую с формой корпуса сцепного устройства металлической конструкции, но предпочтительно скругленную так, что резкие изменения в ориентации волокна, совмещенного с вектором силы, ведущие к разрыву волокон и разрушению конструкции, могут быть эффективно предотвращены в фактически идентичных конструктивных промежутках между волокнами.
Вследствие того, что корпус соединителя для переходника сцепного устройства имеет сравнительно сложную объемную структуру, использование известных из уровня техники процессов для изготовления композитных материалов затруднено. Поскольку, как отмечено выше, волокна корпуса сцепного устройства для переходника сцепного устройства согласно изобретению расположены исходя из необходимости выдерживать приложенные нагрузки, т.е. формируют сетчатую структуру вдоль предварительно рассчитанных векторов силы, расстояние между волокнами должно часто меняться, поскольку силовые линии поля внутренней напряженности сходятся в точках сжатия, соответствующих областям, в которых растягивающие и сжимающие нагрузки передаются корпусу соединителя через первый и/или второй соединительный механизм. Однако, поскольку волокнам для размещения требуется определенное пространство, они не могутбыть расположены с произвольной плотностью. Более того, количество волокон должно быть сокращено в точках сжатия, соответствующих областям, принимающим большую нагрузку. В таких случаях, т.е. в областях корпуса сцепного устройства, принимающих большую нагрузку, промежутки расширяются вдоль линий расположения волокон, что может оказывать негативное воздействие на механические характеристики композиционного материала в этих областях, принимающих большую нагрузку.
Для предотвращения этого воздействия, одна предпочтительная реализация решения согласно изобретению обеспечивает, с учетом действия растягивающих и сжимающих сил, переданных корпусу соединителя через первый и/или второй соединительные механизмы, конструкцию первого и/или второго соединительного механизма в форме вставки, например металлической или керамической вставки, размещенной в корпусе сцепного устройства и прочно соединенной с указанным корпусом соединителя. Соответственно сила действует на волокна композиционного волоконного материала не в той области непосредственно, в которой растягивающие и сжимающие нагрузки передаются переходнику сцепного устройства. В этом случае сила не передается волокнам композиционного волоконного материала, так как, переданная переходнику сцепного устройства, она передается через соединительный механизм, сформированный в форме вставки, и таким образом разветвляется. Такая конструкция препятствует действию пиковых нагрузок на волокна композиционного волоконного материала.
Таким образом, благодаря специальной конструкции корпуса сцепного устройства, для его изготовления могут быть использованы композиционные волоконные материалы, в результате чего могут быть достигнуты значительные преимущества за счет снижения веса по сравнению с металлическими конструкциями при той же удельной прочности и жесткости в случае корпуса сцепного устройства, на который действуют большие нагрузки.
Дополнительные предпочтительные варианты осуществления переходника сцепного устройства согласно настоящему изобретению определены в зависимых пунктах формулы.
Как указано выше, одна предпочтительная реализация решения согласно настоящему изобретению обеспечивает, с учетом действия растягивающих и сжимающих сил, переданных через первый и/или второй соединительные механизмы корпусу соединителя, конструкцию указанных первого и/или второго соединительных механизмов в форме вставки, например, металлической вставки, размещение этой вставки в корпусе сцепного устройства и прочное соединение этой вставки с указанным корпусом соединителя. Соответственно сила действует на волокна композиционного волоконного материала, не в той области непосредственно, в которой растягивающие и сжимающие нагрузки передаются переходнику сцепного устройства. В этом случае сила не передается волокнам композиционного волоконного материала, но вместоэтого, переданная переходнику сцепного устройства, она передается через соединительный механизм, выполненный в форме вставки, и таким образом разветвляется. Такая конструкция препятствует действию пиковых нагрузок на волокна композиционного волоконного материала.
С другой стороны, корпус соединителя предпочтительно имеет специальную структуру волокон, которая направляет сжимающую нагрузку, переданную корпусу соединителя через первый соединительный механизм и/или второй соединительный механизм так, что, по меньшей мере, часть этой нагрузки поглощается армированным материалом на основе углеродных волокон в форме растягивающей нагрузки.
В другом варианте осуществления изобретения или дополнительно к вышеописанному корпус соединителя содержит области с растянутыми или сжатыми волокнами, которые пространственно отделены друг от друга, по меньшей мере, по секциям и интегрированы в композиционный волоконный материал на основе углерода, в результате чего растягивающие нагрузки, переданные корпусу соединителя через первый и/или второй соединительные механизмы, по существу поглощаются растянутой областью волокон, а сжимающие нагрузки, переданные корпусу соединителя первым и/или вторым соединительными механизмами, по существу поглощаются сжатой областью волокон.
Решение согласно настоящему изобретению, использованное в корпусе сцепного устройства, выполненном с заданной структурой волокон, способной выдерживать большие нагрузки, обеспечивает пространственное распределение сжимающих и растягивающих силовых линий, устойчивое к нагрузкам, которые действуют на корпус. Таким образом в этом варианте использовано специфическое распределение нагрузки, действующей на корпус соединителя, при котором сжимающая и растягивающая нагрузки направлены в совершенно различные области поглощения нагрузок. В соответствии с этими силовыми линиями, специальные растягивающие и сжимающие пряди волокна интегрированы в материал, использованный в вышеуказанной реализации решения согласно изобретению.
В одной возможной реализации решения согласно настоящему изобретению, в которой первый соединительный механизм имеет сцепной замок для разъемного соединения переходника сцепного устройства с головкой центральной буферной сцепки и второй соединительный механизм имеет сцепную вилку, выполненную с возможностью вставки упряжного крюка винтовой стяжки или сцепки AAR для разъемного соединения переходника сцепного устройства с головкой винтовой стяжки или сцепки AAR, предусмотрена вышеуказанная область сжатого волокна, сформированная в виде сжатого пояса, интегрированного в композиционный волоконный материал на основе углерода, проходящего от лицевой поверхности корпуса сцепного устройства со стороны вагона к области сцепной вилки, принимающей сжимающую нагрузку, и вышеуказанная область растянутого волокна, сформированная в виде растянутого пояса, интегрированного в композиционный волоконный материал на основе углерода, соединяющего главный шкворень сцепного замка с областью сцепной вилки, принимающей растягивающее усилие.
Такое пространственное разделение сжимающих и растягивающих силовых линий относительно областей головки сцепки, принимающей сжимающую и растягивающую нагрузку, является абсолютно новаторским, поскольку растягивающие и сжимающие нагрузки в традиционных применениях направлены по одним и тем же силовым линиям. Преднамеренный выбор пространственного разделения сжимающих силовых линий и растягивающих силовых линий обеспечивает эффективное предотвращение структуры CFP головки сцепки от необходимости поглощения обеих нагрузок в одинаковой степени. Пространственное разделение областей структуры CFP головки сцепки, принимающей сжимающую и растягивающую нагрузки, предложенное решением согласно изобретению, обеспечивает возможность более эффективного использования материала CFP.
С другой стороны, принципиальная отличительная особенность корпуса сцепного устройства состоит в том, что его конструкция имеет конический или воронкообразный профиль в горизонтальном продольном разрезе и на его коническом конце снабжена выемкой, проходящей вдоль продольной оси переходника сцепного устройства, причем сцепная вилка, выполненная в форме вставки, может быть принята в указанную выемку и прочно соединена с корпусом соединителя. Таким образом, согласно изобретению предложен профиль корпуса сцепного устройства, который приспособлен к головке автоматической центральной буферной сцепки, в частности головке автоматической центральной буферной сцепки Шрафенберга, который выравнивает головку автоматической центральной буферной сцепки, центрует ее и обеспечивает автоматическое соединение переходника сцепного устройства с головкой автоматической центральной буферной сцепки даже при больших боковых смещениях и смещениях по высоте.
Сцепная вилка, выполненная в форме вставки с возможностью приема в выемку, сформированную в коническом конце корпуса сцепного устройства, и прочного соединения с указанным корпусом соединителя, обеспечивает боковое распределение сил, переданных от упряжного крюка винтовой стяжки к сцепной вилке, в материале корпуса сцепного устройства и, в частности, в волокнах, ориентированных вдоль предварительно рассчитанных силовых линий.
В частности, предпочтительно выемка в коническом конце корпуса сцепного устройства имеет сечение U-образной формы с округленными краями в продольном разрезе. Такая конструкция обеспечивает эффективное предотвращение отклонения векторов силы в переходе между сцепной вилкой, выполненной в форме вставки, и выровненными волокнами композитного корпуса сцепного устройства, которое может привести к разрыву волокон и разрушению конструкции.
В одной предпочтительной реализации переходника сцепного устройства согласно вышеописанному варианту предусмотрена сцепная вилка, сформированная в виде вставки, которая в продольном разрезе имеет U-образное сечение, в результате чего дополнительно предусмотрен штифт упряжного крюка для соединения вместе двух ветвей U-образной сцепной вилки, который сконструирован с возможностью передачи растягивающих или сжимающих нагрузок от упряжного крюка винтовой стяжки или сцепки AAR к сцепной вилке, сформированной в виде вставки. Также в этом отношении, в частности, предусмотрен штифт упряжного крюка, который выполнен отдельно от сцепной вилки, сформированной в виде вставки, и размещен с осевым совмещением в отверстиях, высверленных в двух секциях ветвей сцепной вилки.
Для обеспечения максимально надежного соединения между сцепной вилкой, выполненной в форме вставки, и корпусом соединителя, выполненным из волоконного композита, в одном предпочтительном варианте выполнения переходника сцепного устройства предусмотрена сцепная вилка, выполненная в форме вставки, содержащая выполненные в форме втулки элементы, совмещенные в осевом направлении с отверстиями, высверленными в секциях ветвей сцепной вилки. Эти втулочные элементы, в свою очередь, могут быть приняты в высверленные отверстия, проходящие через корпус соединителя. Таким образом, сцепная вилка, выполненная в форме вставки, не только соединена тугой посадкой с корпусом соединителя, но также соответствует его форме.
Таким образом, предпочтительно предусмотрен штифт упряжного крюка сцепной вилки, проходящий через сформированные в виде втулок элементы сцепной вилки на одной стороне и на другой стороне через отверстия, высверленные в корпусе сцепного устройства, и в осевом направлении совмещенный с выполненными в форме втулок элементами сцепной вилки. Такая конструкция обеспечивает возможность в случае необходимости замены штифта упряжного крюка без отсоединения сцепной вилки, выполненной в форме вставки, от корпуса сцепного устройства из волоконного композита.
В частности, преимущество последнего варианта осуществления переходника сцепного устройства согласно настоящему изобретению состоит в том, что периферийная область высверленного в корпусе сцепного устройства отверстия сформирована в виде утолщенной секции. Поскольку периферийная область указанного высверленного отверстия передает нагрузку, принятую от штифта упряжного крюка, корпусу соединителя из волоконного композита, утолщенная секция увеличивает прочность на разрыв и на сжатие волоконной структуры в этой области корпуса сцепного устройства.
Переходник сцепного устройства предпочтительно сконструирован с возможностью смешанного сцепления между автоматической центральной буферной сцепкой Шарфенберга и винтовой стяжкой. В этом случае сцепной замок переходника сцепного устройства содержит коромысло с тяговым хомутом, шарнирно прикрепленным к корпусу соединителя посредством вертикально проходящего главного шкворня. Поскольку, по меньшей мере, растягивающие усилия передаются от автоматической центральной буферной сцепки, соединенной с переходником сцепного устройства, к указанному переходнику сцепного устройства и затем передаются через основную часть и главный шкворень корпусу соединителя из волоконного композита, предпочтительно верхняя и/или нижняя концевые секции главного шкворня, установленного во втулочные элементы, выполненные в форме вставок, предусмотрены в основном корпусе и установлены в высверленные отверстия, проходящие в продольном направлении главного шкворня, и прочно соединены с основным корпусом. Таким образом, передача силы в корпусе сцепного устройства, выполненного из волоконного композита, в этой предпочтительной реализации переходника сцепного устройства происходит не напрямую через главный шкворень, а скорее происходит косвенно через втулочный элемент так, что переданные силы могут быть сбоку распределены в разные стороны между волокнами корпуса сцепного устройства, выполненного из волоконного композита. Такая конструкция эффективно предотвращает структурное повреждение корпуса сцепного устройства из волоконного композита в области главного шкворня.
В принципе, предпочтительно основной корпус волоконного композита, который целиком выполнен в форме тела вращения, изготовлен из углеродных волокон в форме непрерывных волокон. Наиболее подходящей для изготовления корпуса сцепного устройства является так называемая технология выборочного размещения волокна (TFP), в которой волокна фиксируются посредством сшивания с плоскими подложками, такими, например, как на основе материала из стекловолокна или углеродного волокна. Фиксация может быть осуществлена с использованием различных прошивочных материалов. Тогда как, например, полиэфирная нить может способствовать прочности современного материала CFP, арамид, стекловолокно или углеродное волокно могут улучшить прочность при межслоевом сдвиге. Также в принципе может быть использована способная плавиться нить, которая плавится во время фазы инфильтрации. Таким образом, скрепленные прошивкой волокна смягчаются и обеспечивают гомогенную волоконную структуру.
Однако конечно также предусмотрен, так называемый, процесс изготовления полуфабрикатов с предварительной пропиткой для изготовления корпуса сцепного устройства из волоконного композита. Такой процесс начинается с тонких прядей волокна из параллельных непрерывных нитей, предварительно пропитанных вязкой полимерной смолой. Такие препеги (предварительно пропитанные материалы) снабжены разделяющими листами или пленками с обеих сторон и обработаны прокаткой меж роликов. Полученный материал режут и затем структурируют послойно в соответствии с планом расположения.
Так как процесс предварительной пропитки, в частности, подходит для относительно больших и немного криволинейных компонентов, а также для не сложных трехмерных конструкций, для изготовления корпуса сцепного устройства, использованного в переходнике сцепного устройства согласно настоящему изобретению, предпочтительно использование так называемого процесса инфильтрации. Этот процесс влечет за собой первичную переработку "сухого", т.е. не содержащего смолу полуфабриката углеродного волокна в заготовку, которая позже может быть пропитана полимерной смолой, имеющей низкую вязкость.
Далее будут сделаны ссылки на сопроводительные чертежи в описании предпочтительных вариантов осуществления переходника сцепного устройства согласно настоящему изобретению.
Фиг.1 иллюстрирует перспективный вид переходника сцепного устройства согласно первому варианту реализации настоящего изобретения.
Фиг.2 иллюстрирует перспективный вид дополнительного варианта осуществления переходника сцепного устройства согласно настоящему изобретению.
Фиг.3а иллюстрирует перспективный вид задней части корпуса сцепного устройства для переходника сцепного устройства, снабженного вставками согласно одному варианту реализации настоящего изобретения.
Фиг.3b иллюстрирует перспективный вид спереди корпуса сцепного устройства, показанного на Фиг.3а.
Фиг.4 иллюстрирует перспективный вид задней части корпуса сцепного устройства для переходника сцепного устройства согласно одному варианту реализации настоящего изобретения без вставок.
Фиг.5а иллюстрирует перспективный вид сцепной вилки, выполненной в форме вставки, для использования в корпусе сцепного устройства в соответствии, например, с Фиг.4.
Фиг.5b иллюстрирует перспективный вид штифта упряжного крюка для использования в корпусе сцепного устройства в соответствии, например, с Фиг.4.
Фиг.6а иллюстрирует перспективный вид сверху и снизу втулочного выполненного в форме вставки элемента, например, в форме металлической вставки, для приема главного шкворня в корпусе сцепного устройства в соответствии, например, с Фиг.4.
Фиг.6b иллюстрирует перспективный вид главного шкворня для использования в корпусе сцепного устройства, показанного, например, на Фиг.4.
Фиг.7 иллюстрирует вариант осуществления тягового хомута гибридной конструкции для варианта осуществления переходника сцепного устройства согласно настоящему изобретению.
Вариант осуществления переходника 1 сцепного устройства согласно настоящему изобретению, изображенный на чертежах, имеет легкую конструкцию и состоит из корпуса 10 соединителя, выполненного из композиционного волоконного материала. В корпусе 10 соединителя размещен сцепной замок 5 в качестве первого соединительного механизма для разъемного соединения переходника 1 сцепного устройства с головкой автоматической центральной буферной сцепки. В частности, переходник 1 сцепного устройства, изображенный на чертежах, сконструирован с возможностью соединения с автоматической центральной буферной сцепкой Шарфенберга.
Сцепной замок 5, размещенный в корпусе 10 соединителя из волоконного композита, содержит, в частности, коромысло 6, которое установлено шарнирно относительно корпус 10 соединителя посредством вертикального главного шкворня 8. Тяговый хомут 7 соединен с коромыслом 6 и служит для взаимодействия в коромысле автоматической центральной буферной сцепки, которая должна быть соединена с переходником 1 сцепного устройства.
Хотя на чертежах не изображено явно, в этом варианте осуществления изобретения предусмотрено, что сцепной замок 5 также содержит, в дополнение к указанному коромыслу 6, которое шарнирно установлено в корпусе 10 соединителя посредством главного шкворня 8 и к которому прикреплен тяговый хомут 7, работающие на растяжение пружины, направляющие пружин и храповик с запорным болтом, обеспечивающие возможность сцепления и расцепления переходника 1 сцепного устройства с автоматической центральной буферной сцепкой, например сцепкой Шарфенберга. Таким образом, предпочтительно сцепной замок 5, размещенный в корпусе 10 соединителя, сформирован как традиционный поворотный замок и сконструирован с возможностью механического соединения разъемным способом с головкой автоматической центральной буферной сцепки.
В варианте выполнения переходника сцепного устройства 1 согласно настоящему изобретению, изображенном на чертежах, коромысло 6, главный шкворень 8, а также тяговый хомут 7 имеют металлическую конструкцию (прецизионное литье). Для существенного уменьшения веса переходника 1 сцепного устройства, по меньшей мере, для некоторых компонентов, формирующих сцепной замок 5, таких как корпус 10 соединителя, предусмотрена реализация в форме конструкции из волоконного композита.
Например, предусмотрено выполнение тягового хомута 7 в форме гибридной конструкции, как может быть понято из изображения на Фиг.7. В случае тягового хомута 7, изображенного на Фиг.7, секции указанного тягового хомута 7, служащие для передачи растягивающего усилия от сцепного замка 5 коромыслу 6, выполнены в форме вставок, например металлических вставок, тогда как, по меньшей мере, часть средней секции указанного тягового хомута 7 выполнена из композиционного волоконного материала.
Сцепной замок 5, размещенный в корпусе 10 соединителя, служит для передачи тяговой нагрузки, когда переходник 1 сцепного устройства механически соединен с головкой автоматической центральной буферной сцепки (не показана на чертежах). С другой стороны, сжимающая нагрузка передается через плоскую лицевую поверхность 11 корпуса 10 соединителя. Как может быть видно, например, из Фиг.1 и 2, корпус 10 соединителя имеет на этом конце профиль, который состоит из широкого плоского края 13, а также конических/воронкообразных направляющих поверхностей. Этот профиль автоматически выравнивает переходник 1 сцепного устройства с автоматической центральной буферной сцепкой, которая должна быть механически соединена с переходником 1 сцепного устройства, центрирует ее и обеспечивает возможность скольжения друг в друге даже при больших боковых смещениях и смещениях по высоте.
В частности, как показано на Фиг.3b, лицевая поверхность 11 корпуса 10 соединителя, сформированная с указанным корпусом 10 соединителя за одно целое, имеет широкий плоский край 13, к которому дополнительно прикреплен широкий плоский кольцевой выступ 12. Указанный дополнительно обеспеченный кольцевой выступ 12, по сравнению с корпусом соединителя металлической конструкции, увеличивает область контакта между лицевой поверхностью 11 корпуса 10 соединителя из волоконного композита и лицевой поверхностью головки автоматической центральной буферной сцепки, механически соединенной с переходником 1 сцепного устройства. Увеличенная область контакта, обеспеченная таким образом, предотвращает или уменьшает концентрацию векторов силы на лицевой поверхности 11 корпуса 10 соединителя во время передачи сжимающей нагрузки усилия.
Поскольку, как уже отмечено выше, сжимающие усилия передаются корпусу соединителя автоматической центральной буферной сцепки, механически соединенному с переходником 1 сцепного устройства через плоскую лицевую поверхность 11 и дополнительный кольцевой выступ 12 в переходнике 1 сцепного устройства согласно настоящему изобретению, изображение на Фиг.2 предпочтительного варианта осуществления переходника 1 сцепного устройства согласно настоящему изобретению показывает переднюю пластину 2, выполненную из металла, которая разъемным способом соединена с лицевой поверхностью 11 корпуса 10 соединителя из волоконного композита. Выполненная из металла передняя пластина 2 обеспечивает возможность эффективного распределения сжимающих нагрузок, переданных корпусу 10 соединителя от переходника 1 сцепного устройства, по большой поверхности для предотвращения концентрации векторов силы в области лицевой поверхности корпуса 10 соединителя.
Как показано на Фиг.1, корпус 10 соединителя из волоконного композита для переходника 1 сцепного устройства схожим образом может содержать лицевую поверхность 11, выполненную из волоконного композита, сформированную за одно целое с корпусом 10 соединителя. Указанная лицевая поверхность 11 предпочтительно содержит раструб 14 для приема тягового хомута автоматической центральной буферной сцепки, которая должна быть механически соединена с переходником 1 сцепного устройства. Рядом с раструбом 14, сформированным в лицевой поверхности 11 корпуса 10 соединителя, на лицевой поверхности 11 корпуса 10 соединителя в переходнике 1 сцепного устройства, показанном на Фиг.1, дополнительно сформирован конус 15, выполненный из волоконного композита.
Таким образом, лицевая поверхность 11 переходника 1 сцепного устройства имеет профиль, который совместим с профилем головки автоматической центральной буферной сцепки.
Как показано на Фиг.3а, сцепная вилка 16 сформирована в концевой секции переходника 1 сцепного устройства напротив лицевой поверхности 11 корпуса 10 соединителя, в которую может быть вставлен упряжной крюк 100 винтовой стяжки для разъемного соединения переходника 1 сцепного устройства с указанной винтовой стяжкой. С этой целью корпус 10 соединителя из волоконного композита содержит выемку 17, проходящую вдоль продольной оси переходника 1 сцепного устройства на его концевой секции с противоположной стороны от лицевой поверхности 11. Сцепная вилка 16, выполненная в форме вставки, например металлической вставки, размещена в этой выемке 17 и прочно соединена с композиционным волоконным материалом корпуса 10 соединителя, в частности, клеевым соединением.
Вставка, формирующая сцепную вилку 16, например металлическая вставка, изображенная отдельно на Фиг.5а, имеет в поперечном сечении U-образную форму так, что компонент вставки, вставленный в выемку, формирует паз 18, проходящий вдоль продольной оси переходника 1 сцепного устройства. Как показано на Фиг.1 и 2, упряжной крюк 100 винтовой стяжки может быть вставлен в указанный паз 18.
Дополнительно к вставке, формирующей сцепную вилку 16, показанную на Фиг.5а, также предусмотрено формирование сцепной вилки из двух опорных конструкций, сформированных в виде вставки, которые полностью выполнены из CFP. В двух концах могут быть встроены металлические втулки, в которые запрессованы штифты для соединения этих двух опорных конструкций вместе. Эти штифты имеют утолщенную центральную часть, расположенную между этими двумя опорными конструкциями, и их торцы выполнены вровень с указанными опорными конструкциями. Металлические элементы в форме полураковин могут быть прикреплены (например, приварены) к стороне, обращенной к лицевой поверхности, в качестве защиты от удара.
Сцепная вилка 16, сформированная в задней части переходника 1 сцепного устройства, дополнительно содержит штифт 19 упряжного крюка, который пересекает паз 18, проходящий в продольном направлении переходника 1 сцепного устройства, и соединяет вместе секции 16.1, 16.2 сцепной вилки 16, выполненной в форме вставки, например металлической вставки. На Фиг.5b показан штифт 19 упряжного крюка отдельно. Он имеет предпочтительно металлическую конструкцию и может быть прочно соединен со сцепной вилкой 16, выполненный в форме вставки, например металлической вставки.
В противоположность этому, в переходнике 1 сцепного устройства, показанном на чертежах, штифт 19 упряжного крюка с одной стороны и сцепная вилка 16, выполненная в форме вставки, например металлической вставки, с другой стороны, выполнены в форме отдельных компонентов.
Через сцепную вилку 16, расположенную в задней части переходника 1 сцепного устройства, и, следовательно, через соединенный с ней штифт упряжного крюка 19 растягивающие и сжимающие нагрузки, возникающие во время эксплуатации переходника 1 сцепного устройства, передаются от упряжного крюка 100 винтовой стяжки в корпус 10 соединителя из волоконного композита, поскольку упряжной крюк 100 винтовой стяжки вставлен в паз 18, сформированный в задней части переходника 1 сцепного устройства. Для предотвращения пиковых напряжений при передаче нагрузки корпусу 10 соединителя из волоконного композита, секции 16.1, 16.2 сцепной вилки 16, выполненной в форме вставки, например металлической вставки, сформированы сравнительно широкими и с увеличенными приливами материала вровень с композитным волоконным материалом корпуса 10 соединителя.
Таким образом, предпочтительно выемка 17, сформированная в задней части корпуса 10 соединителя из волоконного композита, имеет соответственно скругленную форму для обеспечения максимально непрерывного распространения векторов потока сил при передаче нагрузок между сцепной вилкой 16, выполненной в форме, например, металлической вставки, и композиционным волоконным материалом корпуса 10 соединителя.
Сцепная вилка 16, выполненная в форме вставки, например металлической вставки, как отмечено выше, фактически соединена через поверхность ее секций 16.1, 16.2, в частности связанных друг с другом, с композиционным волоконным материалом корпуса 10 соединителя. В дополнение к этому соединению через материал, вариант осуществления переходника 1 сцепного устройства согласно настоящему изобретению, как изображено на чертеже, также обеспечивает положительное соединение. В частности, на внешних поверхностях каждой из двух секций 16.1, 16.2 сцепной вилки 16, выполненной в форме вставки, например металлической вставки, сформированы или обеспечены втулочные элементы 20 (см. Фиг.5а). Каждый из этих втулочных элементов 20 надежно принят в соответствующее горизонтальное высверленное отверстие 21 в корпусе 10 соединителя из волоконного композита (см. Фиг.3а).
Указанный штифт 19 упряжного крюка проходит через втулочные элементы 20 сцепной вилки 16, выполненной в форме вставки, например металлической вставки. Соответствующие концы штифта 19 упряжного крюка соответственно закреплены посредством арматуры 22 и соответствующей гайки для предотвращения выхода штифт 19 упряжного крюка из горизонтального отверстия 21, причем соответствующие втулочные элементы 20 сцепной вилки 16 размещены в горизонтальном отверстии 21.
Вертикальный главный шкворень 8 сцепного замка 5, который обеспечивает возможность поворота коромысла 6 относительно корпуса 10 соединителя, изображен отдельно на Фиг.6b. Главный шкворень 8 соединен с корпусом 10 соединителя из волоконного композита подобным способом. В частности, втулочные элементы 23, использованные в предпочтительном варианте выполнения переходника 1 сцепного устройства согласно настоящему изобретению, изображенного на чертежах, предпочтительно выполнены в форме металлической конструкции, через которую проходит вертикальный главный шкворень 8 сцепного замка 5, и приняты в вертикально высверленном отверстии 24 в корпусе 10 соединителя из волоконного композита. Втулочные элементы 23, предпочтительно выполненные в форме вставок, например металлических вставок, изображены отдельно на Фиг.6а.
Фиг.6а и 3а, взятые вместе, непосредственно показывают, что периферийная область высверленного отверстия 24 в корпусе 10 соединителя и проходящего в продольном направлении главного шкворня 8 предпочтительно сформирована в виде утолщенной секции 26, при этом втулочные элементы 23 имеют выступающий наружу кольцевой выступ 27, опирающийся на указанную утолщенную секцию 26.
Благодаря использованию втулочных компонентов 20 и 23 для размещения штифта 19 упряжного крюка и главного шкворня 6, нагрузки, переданные корпусу 10 соединителя из волоконного композита от главного шкворня 8 и штифту 19 упряжного крюка соответственно, распределены по максимально возможной поверхности в композиционном волоконном материале. Следовательно, нагрузки передаются в композиционный волоконный материал через максимально возможную область, в частности, для предотвращения концентрации векторов потока силы в точках приложения силы.
Этот эффект предпочтительно усилен тем, что, как предложено выше, периферийные области отверстий 21, 24, высверленных в корпусе 10 соединителя из волоконного композита, соответственно армированы. Эти утолщения 25, 26 в периферийных областях отверстий 21, 24, высверленных в корпусе 10 соединителя, предпочтительно сформированы симметрично по отношению к точкам приложения силы.
Как может быть видно на Фиг.1 и 2, корпус 10 соединителя из волоконного композита в общем имеет форму, приспособленную к корпусу 10 соединителя, выполненному из металла, хотя и скругленную. Таким образом, геометрические размеры переходника 1 сцепного устройства согласно настоящему изобретению по существу соответствуют размерам традиционного металлического переходника сцепного устройства для соответствия требованиям к занимаемому пространству, ограничивающим использование переходника 1 сцепного устройства. Скругленная форма корпуса 10 соединителя из волоконного композита служит для устранения изгибов с острыми углами, складок и т.д. Таким образом, при формировании корпуса 10 соединителя из волоконного композита волокна могут быть ориентированы вдоль предполагаемых векторов потока силы, в результате чего могут быть предотвращены резкие изменения направления векторов. Такие резкие изменения в направлении векторов приводят к эффекту разрыва волокон и к разрушению конструкции.
В частности, предусмотрено, что волокна в материале корпуса 10 соединителя из волоконного композита ориентированы вдоль предварительно рассчитанных векторов потока силы так, что указанные волокна сохраняют устойчивость к действующим на них силам. Поскольку расположение волокон вдоль предварительно рассчитанных векторов потока силы может привести к трехмерной ориентации волокон, предпочтительно послойное формирование стенки корпуса 10 соединителя и оптимизация ориентации волокна в пределах каждого слоя. Такое выполнение реализует заданную структуру волокна, сконструированную с возможностью обеспечения свойств корпуса 10 соединителя переходника 1 сцепного устройства, приспособленных к предполагаемым нагрузкам. Таким образом, предпочтителен выбор квазиизотропной структуры волокна, например, с компонентами волокна идентичной величины в направлении действия растягивающих и сжимающих сил.
В конструкции корпуса 10 соединителя из волоконного композита предпочтительно использовано углеродное волокно в форме непрерывных волокон. Для изготовления таких непрерывных волокон используют так называемый прототип, т.е. начинают с полимера с высоким содержанием углерода, который относительно легко поддается прядению в непрерывные волокна, которые затем в технологически последующем этапе пиролиза преобразуют в углеродное волокно. В общем, волокна углерода состоят из непрерывных параллельных нитей, также обозначенных техническим термином "равинг".
В принципе, для изготовления корпуса 10 соединителя из композиционного волоконного материала могут быть пригодны различные технологические процессы. Однако, особенно подходящим для изготовления корпуса 10 соединителя является способ так называемого выборочного размещения волокна (TFP), в котором волокна наложены с фиксацией на плоскую основу, такую, например, как материал из стекловолокна или углеродного волокна. Указанная фиксация может быть осуществлена различными швейными нитяными материалами.
В частности, при изготовлении корпуса 10 соединителя из волоконного композита предпочтительно использование способа TFP для расположения углеродных волокон в форме решетки вдоль предварительно рассчитанных путей, соответствующих расчетным векторам потока силы. Хотя корпус 10 соединителя из волоконного композита имеет относительно сложную трехмерную конструкцию, близкую к форме корпуса 10 соединителя из металла, даже технология TFP не может помочь избежать использования непрерывных углеродных волокон, расположенных с относительно малыми радиусами кривизны, в частности в передней и задней областях корпуса 10 соединителя. При малых радиусах кривизны равинги имеют тенденцию к вертикальному наклону или подъему в криволинейных областях. Нити на внутренних участках кривизны пути их расположения могут быть вспучены или раздуты во внешнюю сторону. Однако жесткость армирующих волокон не допускает продольную компенсацию при растяжении и сжатии нитей, что может привести к уменьшению прочности конструкции.
Поэтому предпочтительно корпус 10 соединителя из волоконного композита выполнен в форме тела вращения, причем непрерывные углеродные волокна уложены петлями. Благодаря тому, что сила приложена не к корпусу 10 соединителя из волоконного композита в переходнике 1 сцепного устройства согласно настоящему изобретению непосредственно, а к относительно большим вставкам, например металлическим вставкам 16, 20, 23, нагрузка эффективно действует не в области, в которую непосредственно передается сила, но всегда распределяется среди достаточно большого количества волокон, способных выдерживать большую нагрузку.
Изобретение не ограничено вариантами выполнения переходника 1 сцепного устройства, описанными выше со ссылкой на приложенные чертежи. Следовательно, также, например, может быть предусмотрено использование других компонентов переходника 1 сцепного устройства в дополнение к корпусу 10 соединителя из волоконного композита или в форме гибридной конструкции, например, на лицевой поверхности 11 корпуса 10 соединителя может быть сформирован замок, схожий по конструкции с волоконным композитом, сформированный за одно целое с корпусом 10 соединителя из волоконного композита.
С другой стороны, также может быть предусмотрено формирование тягового хомута 7 сцепного замка в форме гибридной конструкции, причем области тягового хомута 7 могут быть сформированы в виде вставок, например, металлических вставок, тогда как остальные области могут быть выполнены из волоконного композита.