УСТРОЙСТВО ПОГЛОЩЕНИЯ ЭНЕРГИИ УДАРА Российский патент 2005 года по МПК F16F7/12 

Изобретение относится к рельсовому транспорту в части энергопоглощающих устройств и применимо в различных областях техники, где целесообразно преобразование кинетической энергии движущихся объектов в работу энергопоглощающих устройств.

Известны поглощающие аппараты, применяемые в железнодорожном транспорте в устройствах автосцепок, например пружинно-фрикционные с фрикционными клиньями, типа Ш-1-ТМ, Ш-2-Т, типа “Во-Гуд”, пластинчатый типа Вестингауза, аппараты с кольцевыми рессорами, позволяющие при их сжатии снизить продольные усилия ударного характера, например, на раму кузова вагона, за счет преобразования кинетической энергии соударяющихся объектов в работу сил трения (необратимое поглощение энергии) и в потенциальную энергию упругих деформаций (поглощение энергии обратимое) с энергоемкостью до 55-65 кДж при силе, воспринимаемой ими, до 2,5-2,8 МН (см. книгу “Вагоны. Конструкция, теория и расчет” под редакцией Л.А.Шадура, Москва, “Транспорт”, 1980, стр. 277-287).

Ввиду сравнительно небольшой энергоемкости поглощающие аппараты автосцепки малоэффективны для восприятия ударных нагрузок, приходящихся на головную часть подвижного состава при аварийной ситуации, когда требуется реализация энергопоглощения свыше 0,5-1 МДж.

Известно также устройство поглощения энергии удара по патенту России №2120874, МКИ В 61 G 11/16 - прототип. Устройство содержит подвижную упорную плиту, подвижную стабилизирующую опору, соединенную с несущей частью одной конструкции, неподвижную опору с направляющими для перемещения подвижной упорной плиты и подвижной стабилизирующей опоры, связываемую с несущей частью другой конструкции, энергопоглощающие элементы, собранные в автономную системную обойму и выполненные с начальной погибью заданной формы.

Недостатком конструкции является то обстоятельство, что при срабатывании данного устройства пластические шарниры образуются одновременно во всех энергопоглощающих элементах в сечениях, где величина погиби наибольшая. При работе устройства величина внешней силы, необходимой для перемещения подвижной упорной плиты относительно неподвижной, первоначально увеличится до образования пластического шарнира, а затем будет уменьшаться за счет увеличения расстояния от вектора внешней силы до пластического шарнира. То есть будет иметь место максимум внешней силы и последующее значительное ее падение, следовательно, неравномерный характер перегрузок, испытываемых пассажирами, и относительно малая эффективность энергопоглощения.

Данное устройство рассчитано на восприятие только лишь продольного усилия, следовательно, требует наличия направляющих, по которым скользит подвижная упорная плита, что ведет к увеличению массогабаритных характеристик всего устройства. Также возможно выпадение энергопоглощающих элементов из обоймы либо в период, либо после срабатывания устройства.

Предлагаемым изобретением решается задача создания устройства поглощения кинетической энергии удара, свободного от упомянутых недостатков и способного обеспечить эффективное энергопоглощение с относительно равномерным характером перегрузок, испытываемых пассажирами.

Для достижения этого технического результата в устройстве поглощения энергии удара, содержащем энергопоглощающую часть, подвижную и неподвижную опорные плиты, энергопоглощающая часть устройства выполнена из металлических пластинчатых элементов толщиной от 2 до 10 мм, сочетающих плоские участки с участками, имеющими погибь, и образующих в сечениях плоскостями, проходящими через вектор внешней результирующей силы, ячеистую структуру из множества шестигранников, крайние из которых крепятся к подвижной и неподвижной опорным плитам, что обеспечивает поглощение кинетической энергии соударяющихся объектов за счет изгибных деформаций, реализующихся в основном на участках с погибью. Конфигурация ячеек и ориентация пластинчатых элементов, их образующих, по отношению к направлению внешней силы обеспечивает работу большинства элементов при воздействии внешней нагрузки на изгиб (практически без работы на сжатие, вследствие чего не происходит резкого падения сопротивления деформированию после потери устойчивости сжатых элементов) на ходе деформации не менее половины от длины всего устройства. При этом изменение плеча силы, нагружающей отдельный элемент, составляет не более 30% от его первоначального значения. Элементы вступают в работу последовательно по мере сближения опорных плит, и большое их количество работает при нахождении в различных фазах деформирования.

Отличительным признаком предлагаемой конструкции от известной, наиболее близкой к ней, является то, что энергопоглощающая часть выполнена из металлических пластинчатых элементов толщиной от 2 до 10 мм, сочетающих плоские участки с участками, имеющими погибь, и образующих в сечениях плоскостями, проходящими через вектор внешней результирующей силы, ячеистую структуру из множества шестигранников.

Благодаря такому конструктивному решению не происходит резкого падения сопротивления деформированию и обеспечивается квазипостоянство нагрузки, воспринимаемой конструкцией на ходе деформации не менее половины от длины всего устройства, следовательно, обеспечивается эффективное энергопоглощение с относительно равномерным характером перегрузок, испытываемых пассажирами.

Как вариант исполнения устройства энергопоглощения для достижения этого технического результата в устройстве, содержащем энергопоглощающую часть, подвижную и неподвижную опорные плиты, энергопоглощающая часть выполнена из множества ячеек, каждая из которых образована двумя плоскими (расположенными нормально к вектору внешней силы) металлическими пластинами толщиной от 2 до 10 мм и двумя установленными между ними металлическими пластинчатыми элементами толщиной от 2 до 10 мм с начальной погибью в направлении, перпендикулярном вектору внешней силы, которые оперты в середину плоских пластин соседних ячеек, что обеспечивает поглощение кинетической энергии соударяющихся объектов за счет изгибных деформаций элементов в местах наибольшей погиби и изгибных деформаций плоских пластин в местах опирания пластин с начальной погибью соседних ячеек. Конфигурация ячеек и ориентация пластинчатых элементов, их образующих, по отношению к направлению внешней силы обеспечивает работу большинства элементов при воздействии внешней нагрузки на изгиб на ходе деформации не менее половины от длины всего устройства. Элементы вступают в работу последовательно по мере сближения опорных плит.

Отличительным признаком предлагаемой конструкции от известной, наиболее близкой к ней, является то, что энергопоглощающая часть выполнена из множества ячеек, образованных плоскими (расположенными нормально к вектору внешней силы) металлическими пластинами толщиной от 2 до 10 мм и поставленными между ними металлическими пластинчатыми элементами толщиной от 2 до 10 мм с начальной погибью, ориентированной перпендикулярно по отношению к направлению внешней силы, которые оперты в середину плоских пластин соседних ячеек.

Благодаря такому конструктивному решению не происходит резкого падения сопротивления деформированию и обеспечивается квазипостоянство нагрузки, воспринимаемой конструкцией на ходе деформации не менее половины от длины всего устройства, следовательно, обеспечивается эффективное энергопоглощение с относительно равномерным характером перегрузок, испытываемых пассажирами.

Как вариант исполнения устройства энергопоглощения для достижения этого технического результата в устройстве, содержащем энергопоглощающую часть, подвижную и неподвижную опорные плиты, энергопоглощающая часть выполнена в виде ячеистой структуры из множества прямоугольников из металлических пластинчатых элементов толщиной от 2 до 10 мм, одни из которых совпадают с направлением внешней силы и оперты в середину нормально расположенных к вектору внешней силы пластин соседних ячеек, что обеспечивает поглощение кинетической энергии соударяющихся объектов за счет изгибных деформаций элементов в узлах пересечения пластин. Конфигурация ячеек и ориентация пластинчатых элементов, их образующих, по отношению к направлению внешней силы обеспечивает работу большинства элементов при воздействии внешней нагрузки на изгиб на ходе деформации не менее половины от длины всего устройства. Элементы вступают в работу последовательно по мере сближения опорных плит.

Отличительным признаком предлагаемой конструкции от известной, наиболее близкой к ней, является то, что энергопоглощающая часть состоит из плоских металлических пластинчатых элементов толщиной от 2 до 10 мм, образующих в соединении прямоугольные ячейки, одни из сторон которых совпадают с направлением внешней силы и упираются в середину перпендикулярно расположенных по отношению к вектору внешней силы сторон соседних ячеек.

Благодаря такому конструктивному решению не происходит резкого падения сопротивления деформированию и обеспечивается квазипостоянство нагрузки, воспринимаемой конструкцией на ходе деформации не менее половины от длины всего устройства, следовательно, обеспечивается эффективное энергопоглощение с относительно равномерным характером перегрузок, испытываемых пассажирами.

Предлагаемые варианты устройств энергопоглощения иллюстрируются чертежами, представленными на фиг.1, 2, 3.

На фиг.1 представлено устройство, энергопоглощающая часть которого состоит из множества шестигранников (вариант 1).

На фиг.2 представлено устройство, энергопоглощающая часть которого состоит из множества ячеек, выполненных из плоских и расположенных между ними пластин с начальной погибью (вариант 2).

На фиг.3 представлено устройство, энергопоглощающая часть которого выполнена из множества прямоугольных ячеек (вариант 3).

Устройство энергопоглощения (фиг.1) содержит подвижную опорную плиту 1, неподвижную опорную плиту 3 и энергопоглощающую часть, состоящую из металлических пластинчатых элементов 2, сочетающих плоские участки с участками, имеющими погибь, крайние из которых крепятся к опорным плитам 1, 3. Элементы соединены между собой таким образом, что в сечениях плоскостями, проходящими через вектор внешней результирующей силы, энергопоглощающая часть имеет ячеистую структуру из множества шестигранников.

Устройство работает следующим образом. В результате воздействия ударной нагрузки Р на подвижную опорную плиту 1 рабочие элементы 2 начинают деформироваться (изгибаться) в основном на участках с погибью без работы на сжатие на ходе деформации не менее половины длины конструкции, и кинетическая энергия соударяющихся объектов преобразуется в работу большого количества пластических шарниров, образующихся в поперечных сечениях элементов. При этом величину энергопоглощения можно варьировать, задавая необходимую геометрическую форму ячеек, габаритные размеры всего устройства, марку материала и толщину пластин.

Устройство энергопоглощения (фиг.2) содержит подвижную опорную плиту 1, неподвижную опорную плиту 4 и энергопоглощающую часть, состоящую из множества ячеек, образованных плоскими пластинами 2 и расположенными между ними пластинчатыми элементами с начальной погибью 3, которые оперты в середину плоских пластин соседних ячеек, а крайние крепятся к опорным плитам 1, 4.

Устройство работает следующим образом. В результате воздействия ударной нагрузки Р на подвижную опорную плиту 1 рабочие элементы 2 и 3 начинают деформироваться (изгибаться) в местах опирания элементов и в местах наибольшей погиби соответственно без работы на сжатие на ходе деформации не менее половины длины конструкции, и кинетическая энергия соударяющихся объектов преобразуется в работу большого количества пластических шарниров, образующихся в поперечных сечениях элементов. При этом величину энергопоглощения можно варьировать, задавая необходимую геометрическую форму ячеек, габаритные размеры всего устройства, марку материала и толщину пластин.

Устройство энергопоглощения (фиг.3) содержит подвижную опорную плиту 1, неподвижную опорную плиту 4 и энергопоглощающую часть, выполненную из множества прямоугольных ячеек, одни из элементов которых 2 совпадают с направлением приложения нагрузки Р и упираются в середину перпендикулярно расположенных по отношению к внешней силе элементов 3 соседних ячеек. Крайние элементы крепятся к опорным плитам 1, 4.

Устройство работает следующим образом. В результате воздействия ударной нагрузки Р на подвижную опорную плиту 1 рабочие элементы 2, 3 начинают деформироваться (изгибаться) в узлах прямоугольных ячеек без работы на сжатие на ходе деформации не менее половины длины конструкции, и кинетическая энергия соударяющихся объектов преобразуется в работу большого количества пластических шарниров, образующихся в поперечных сечениях элементов. При этом величину энергопоглощения можно варьировать, задавая необходимую геометрическую форму ячеек, габаритные размеры всего устройства, марку материала и толщину пластин.

Предлагаемое изобретение может быть конструктивно реализовано на рельсовом транспорте, а также в различных областях техники, где возможны ударные соударения, для преобразования кинетической энергии движущихся объектов в работу энергопоглощающих устройств с обеспечением энергоемкости порядка 0,5-2,5 МДж. Благодаря квазипостоянству нагрузки, воспринимаемой конструкцией при возможных соударениях, обеспечивается равномерный характер испытываемых пассажирами перегрузок.

Изобретение может найти применение в рельсовом транспорте, а также в различных областях техники. Сущность изобретения заключается в том, что устройство поглощения энергии удара содержит энергопоглощающую часть, подвижную и неподвижную опорные плиты. Энергопоглощающая часть может быть выполнена из металлических пластинчатых элементов толщиной от 2 до 10 мм. При этом крайние крепятся к опорным плитам. Пластинчатые элементы имеют плоский участок и участок с погибью и образуют в сечении ячеистую структуру из множества шестигранников в сечениях плоскостями, проходящими через вектор внешней результирующей силы, с обеспечением поглощения энергии при ударе за счет изгибных деформаций металлических пластинчатых элементов в основном на участках с погибью. Энергопоглощающая часть может быть выполнена из множества ячеек, каждая из которых образована двумя плоскими металлическими пластинами толщиной от 2 до 10 мм, расположенными нормально к вектору внешней силы, и двумя установленными между ними металлическими пластинами толщиной от 2 до 10 мм с начальной погибью в направлении, перпендикулярном вектору внешней силы, опертыми в середину плоских металлических пластин соседних ячеек. При этом крайние металлические пластины крепятся к опорным плитам с обеспечением поглощения энергии при ударе за счет изгибных деформаций металлических пластин в местах наибольшей погиби и изгибных деформаций плоских металлических пластин в местах притыкания к ним металлических пластин. Энергопоглощающая часть может быть выполнена в виде ячеистой структуры из множества прямоугольников из металлических пластинчатых элементов толщиной от 2 до 10 мм, крайние из которых крепятся к опорным плитам. Одни из металлических пластинчатых элементов совпадают с направлением внешней силы и оперты в середину нормально расположенных к вектору внешней силы металлических пластинчатых элементов соседних ячеек с обеспечением поглощения энергии при ударе за счет их изгибных деформаций в узлах пересечения металлических пластинчатых элементов. Устройство обеспечивает поглощение энергии порядка 0,5-2,5 МДж при ударе. Техническим результатом является обеспечение эффективного энергопоглощения с относительно равномерным характером перегрузок, испытываемых пассажирами. 3 н. п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство поглощения энергии удара, содержащее энергопоглощающую часть, подвижную и неподвижную опорные плиты, отличающееся тем, что энергопоглощающая часть выполнена из металлических пластинчатых элементов толщиной от 2 до 10 мм, крайние из которых крепятся к опорным плитам, имеющих плоский участок и участок с погибью и образующих в сечении ячеистую структуру из множества шестигранников в сечениях плоскостями, проходящими через вектор внешней результирующей силы, с обеспечением поглощения энергии порядка 0,5-2,5 МДж при ударе за счет изгибных деформаций металлических пластинчатых элементов в основном на участках с погибью.2. Устройство поглощения энергии удара, содержащее энергопоглощающую часть, подвижную и неподвижную опорные плиты, отличающееся тем, что энергопоглощающая часть выполнена из множества ячеек, каждая из которых образована двумя плоскими металлическими пластинами толщиной от 2 до 10 мм, расположенными нормально к вектору внешней силы, и двумя установленными между ними металлическими пластинами толщиной от 2 до 10 мм с начальной погибью в направлении, перпендикулярном вектору внешней силы, опертыми в середину плоских металлических пластин соседних ячеек, при этом крайние металлические пластины крепятся к опорным плитам с обеспечением поглощения энергии порядка 0,5-2,5 МДж при ударе за счет изгибных деформаций металлических пластин в местах наибольшей погиби и изгибных деформаций плоских металлических пластин в местах притыкания к ним металлических пластин.3. Устройство поглощения энергии удара, содержащее энергопоглощающую часть, подвижную и неподвижную опорные плиты, отличающееся тем, что энергопоглощающая часть выполнена в виде ячеистой структуры из множества прямоугольников из металлических пластинчатых элементов толщиной от 2 до 10 мм, крайние из которых крепятся к опорным плитам, при этом одни из металлических пластинчатых элементов совпадают с направлением внешней силы и оперты в середину нормально расположенных к вектору внешней силы металлических пластинчатых элементов соседних ячеек с обеспечением поглощения энергии порядка 0,5-2,5 МДж при ударе за счет их изгибных деформаций в узлах пересечения металлических пластинчатых элементов.