Патент на изобретение №2182871

(54) ПАССАЖИРСКИЙ ВАГОН

(57) Реферат:

Изобретение относится к железнодорожному транспорту. Пассажирский вагон содержит кузов с боковыми и торцовыми стенами (1), крышей (2), поперечными разделительными перегородками, отделяющими тамбуры от остальной части кузова, рамой с полом, соединенной с ними и состоящей из средней и консольных частей, включающих в себя хребтовую (8) и шкворневые (9) балки, балки-раскосы (11) и концевые поперечные связи рамы для крепления на них сцепных устройств вагона. Рама кузова размещена между поперечными разделительными перегородками и ее длина равна расстоянию между этими перегородками. Концевые поперечные связи рамы выполнены в виде поперечных опорных плит, объединенных сверху на уровне пола в одно целое горизонтально-поперечной плитой, и силовых книц. Размещенные в плоскостях поперечных разделительных перегородок опорные силовые плиты размещены на расстоянии от продольной плоскости симметрии вагона, обеспечивающем прохождение между ними подвижной части сцепного устройства, и скреплены с балками-раскосами, выполненными сплошными. Силовые кницы размещены в плоскостях вертикальных стенок балок-раскосов и скреплены с опорными плитами и балками-раскосами консольных частей рамы. Изобретение повышает надежность. 2 з.п. ф-лы, 16 ил.

Изобретение относится к области железнодорожного вагоностроения, в частности к конструкции пассажирских вагонов.

Известна конструкция пассажирского вагона, в которой нижняя часть несущей конструкции кузова – рама, – располагающаяся под металлическим настилом пола, состоящая из специальных усиленных элементов, а именно шкворневых балок (воспринимающих через свои пятники опорные реакции со стороны подпятников надрессорных балок ходовых тележек) и хребтовой балки (воспринимающей продольные силы, растягивающие и сжимающие, со стороны ударно-тяговых приборов, например автосцепок нежесткого типа СА-3), выполнена по одному из двух принципиальных конструктивных типов: со сквозной хребтовой балкой и хребтовой балкой только в консольных частях вагона (см. “Вагоны. Конструкция, теория и расчет” под редакцией Л.А. Шадура, Москва, “Транспорт” 1980, стр.227, 228, 261, 262, 272).

Известна конструкция кузова цельнометаллического пассажирского вагона типа ПО модели ЦМВО-66 со сквозной хребтовой балкой. Хребтовая балка с передней и задней (тыльной) сторон кузова вагона, на концах своих консольных частей, замыкается поперечными концевыми балками, к которым крепятся ударно-тяговые приборы фланцами ударных розеток автосцепного устройства (см. “Вагоны…”, стр.386, 387, рис.ХIII.8, стр.389, рис.ХIII.10, стр.273, рис.Х. 12).

Известна конструкция кузова цельнометаллического пассажирского вагона с хребтовой балкой только в консольных частях, между концевыми поперечными и шкворневыми балками, при отсутствии хребтовой балки между шкворневыми балками (см. “Вагоны…”, рис.ХIII.14, стр.391). Консольные части, изображенные на чертеже, рис. ХIII.14, предназначенные для восприятия продольных сил от автосцепок и передачи их на боковые стены, имеют в своем составе концевые балки 1, лобовые балки 2, шкворневые балки 3, балки-раскосы 4 и отрезки хребтовой балки 5. Как и в вагоне типа ПО модели ЦМВО-66, автосцепные устройства фланцами своих ударных розеток (дет.4 на рис.Х.12, стр.273) крепятся к поперечным концевым балкам 1, рис.XIII.14, а передние и задние упоры автосцепок, как и сами поглощающие аппараты, крепятся в консольных частях хребтовой балки, между концевой 1 и лобовой 2 поперечными балками (рис.ХIII. 14).

Известна конструкция пассажирского вагона постройки 1969 г. Калининского вагоностроительного завода с кузовом, впервые в России изготовленным из алюминиево-магниевого сплава марки Амг6, рама кузова которого выполнена по схеме, имеющей хребтовую балку только в консольных частях, между концевыми и шкворневыми балками (см. “Вагоны…”, стр.394, рис.ХIII.16, стр.395), а также с кузовом сталеалюминиевой конструкции того же завода, где рама кузова выполнена из стали, а остальная часть кузова – из сплава Амг6 (см. “Вагоны.. . “, рис. ХIII.17, стр.396). И в этих конструкциях вагона для крепления автосцепных устройств с их поглощающими аппаратами использованы поперечные концевые балки и консольные части хребтовой балки.

Известна конструкция кузова пассажирского вагона поезда “Русская тройка” (РТ 200) для скоростей движения до 200 км/ч. Кузов этих вагонов изготовлен из сплавов марок 1915 Т (элементы жесткости) и Амг6 (обшивка). Рама кузова выполнена без сплошной хребтовой балки. Хребтовая балка имеется лишь в консольных участках кузова вагона, между поперечными концевыми и шкворневыми балками, где также расположены продольные балки-раскосы переменного сечения по их длине, способствующие передаче ударно-тяговых усилий от автосцепок на шкворневые балки и основные узлы кузова (см. “Вагоны…”, стр.396, 397, рис. ХIII.18, стр.398, рис.ХIII.20, стр.400).

Известна конструкция кузова цельнометаллического пассажирского вагона из экономлегированной стали. Рама кузова практически аналогична по конструкции с таковой кузова пассажирского вагона из алюминиево-магниевого сплава постройки 1969 г. Калининского вагоностроительного завода с той лишь разницей, что примененный материал – экономлегированная по содержанию никеля нержавеющая сталь (см. “Вагоны…”, стр.397, рис.ХIII.22, стр.401).

Как в вагонах поезда РТ 200, так и в вагонах из экономлегированной стали, использован все тот же принцип крепления автосцепных устройств с их поглощающими аппаратами – к поперечным концевым балкам и передней, и задней (тыльной) сторонам хребтовой балки, имеющейся лишь в консольных участках рамы кузова вагона.

При этом поглощающие аппараты автосцепного устройства вместе с конструктивными элементами кузова вагона составляют единое системное образование в части поглощения кинетической энергии при соударении вагонов.

Сила взаимодействия вагонов между собой при их соударении принципиально отличается на двух участках (при рассмотрении силы как функции от аргумента – сближения вагонов в сцепке относительно расстояния между вагонами до соударения): на первом, когда одновременно деформируются последовательно соединенные элементы поглощающего аппарата автосцепки с жесткостью с₁ и остальных частей вагона с жесткостью с₂ (когда имеет место неполное сжатие поглощающих аппаратов сцепки) и на втором участке, когда в результате набегания вагонов с повышенной скоростью имеет место удар после полного сжатия поглощающих аппаратов, – относящийся к категории жестких, – когда поглощение избытка кинетической энергии удара происходит за счет деформации элементов вагонов в целом (см. “Расчет вагонов на прочность” под. редакцией Л.А.Шадура, “Машиностроение”, Москва, 1971, стр.422, а также книгу С.В.Вершинский, В.И. Данилов, В.Д.Хусидов “Динамика вагона”, “Транспорт”, Москва, 1991, стр.292, 293).

Ввиду сравнительно невысокой энергоемкости поглощающих аппаратов автосцепки, тем более применяемых на пассажирских вагонах, они обеспечивают лишь нормальные условия эксплуатации поезда, в том числе маневровые соударения вагонов.

Таким образом, то обстоятельство, что сама система “Кузов вагона – сцепное устройство” включает в себя жесткую раму кузова, размещенную в пределах всей длины вагона, в том числе и его тамбуров, а энергоемкость поглощающих аппаратов сцепного устройства, даже перспективных, создаваемых на базе аппаратов типа ГА-100М (к тому же предназначенных не для пассажирских, а для грузовых вагонов), ограничивает скорость соударения величиной 3 м/с (10,8 км/ч), свидетельствует о том, что такая система “Кузов вагона – сцепное устройство” не может быть применима без специальных дополнительных конструктивных разработок к пассажирским поездам, в случае необходимости в аварийных ситуациях обеспечить поглощение кинетической энергии удара при скоростях даже в интервале 30-40 км/ч без того, чтобы не получить при этом значительных пластических деформаций силовых элементов рамы кузова вагона (и невозможности их дальнейшей эксплуатации по этой причине) и значительных перегрузок ударного характера самого пассажирского салона (см. “Вагоны…”, рис.Х.30, а, б, стр.290, 291, см. “Динамика вагона”, стр.305, 306).

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению является конструкция кузова вагона в задней (тыльной) зоне головного вагона и передней зоне, примыкающей к головному вагону, первого прицепного вагона, которая сформирована в соответствии с концепцией “жертвенной” зоны и “жертвенного” тамбура соответственно (см. Revue generale des chemins de fer – Novembre 1993 GAUTHIER – VILLARS, p.25-56, в частности, p.32, 38, 41-42, 45-48, 50-51, 54-56) – прототип.

При проектировании высокоскоростного поезда типа TGV 2N осуществлено решение конструкции кузова в задней части головного вагона и передней части, примыкающей к головному, первого прицепного вагона (как и замыкающего поезд вагона, аналогичного головному и примыкающей к нему части последнего из прицепных вагона), с использованием антиударных устройств в виде энергопоглощающих модулей (кессонов), (см. “Revue…”, Novembre 1993, р.32, 46, 55, 56).

На фиг. 4 представлены схемы зон поглощения энергии и распределение сил при статических испытаниях на новом головном (моторном) вагоне поезда типа TGV 2N (что соответствует fig. 1, p.46 “Revue…”, Novembre 1993), а на чертеже, фиг.6 – принцип формирования упомянутых выше зон поглощения энергии задней (тыльной) части такого вагона (соответствует fig. 11, р.56 “Revue… “, Novembre 1993).

На фиг. 8 показан принцип размещения модулей поглощения энергии на раме кузова вагона, по высоте – на уровне шасси задней (тыльной) части головного (моторного) вагона (что соответствует fig. 12, р.56 “Revue…”, Novembre 1993).

На фиг. 5, сечение С-С, а также на фиг.9 показан принцип размещения модулей поглощения энергии на уровне шасси передней части, примыкающей к головному (моторному) вагону, первого прицепного вагона, – то же – для задней части, примыкающей к замыкающему поезд вагону, аналогичному головному (что соответствует fig.2, p.32 и fig.5, p.50 “Revue…”, Novembre 1993).

Зоны поглощения энергии, дет.3 на фиг.4, фиг.6 и фиг.8, дет.2 на фиг.4 и фиг. 6, а также дет.7 на фиг.9, представляют собой модули, энергопоглощающие элементы которых выполнены из тонколистовой стали в виде двух треугольников (в поперечном сечении), соединенных, как правило, между собой вершинами – при этом модули, дет.3 на фиг.4, фиг.6 и фиг.8, вмонтированы в два основных продольных бруса и в два боковых продольных бруса рамы кузова вагона на уровне шасси тыльной стороны головного вагона, модули, дет.2 на фиг.4 и фиг. 6 – в плоскости боковых стен задней части головного вагона, модули, дет.7 на фиг. 9, вмонтированы в два боковых продольных бруса рамы кузова на уровне шасси передней части, примыкающей к головному вагону, первого прицепного вагона.

На фиг. 13 показан в аксонометрии вид энергопоглощающего элемента, упомянутого выше, примененного для использования на поезде типа TGV 2N (что соответствует fig. 8, р.54 “Revue…”, Novembre 1993), а на фиг.14 воспроизведен вид со снимка аналогичного энергопоглощающего элемента в исходном состоянии и после срабатывания под воздействием сжимающей нагрузки от удара (соответствует fig.5, p.38 “Revue…”, Novembre 1993).

Зона поглощения энергии, дет.1 на фиг.4, фиг.6, фиг.7 и фиг.9, представляет собой часть металлического продольного стержня (на фиг.6 – стержня верхней обвязки кузова вагона, на фиг.9 – стержня створки дверей “жертвенного” тамбура), выполненного с перфорацией стенки (стенок), как это следует из фиг. 7, где показан трехступенчатый поглотитель энергии обвязки тыльной стороны головного вагона (“жертвенной” зоны) и створки двери (для нее – четырехступенчатый поглотитель) передней части, примыкающей к головному вагону (“жертвенного” тамбура), первого прицепного вагона (крайней прицепной тележки) поезда типа TGV 2N (для трехступенчатого соответствует fig. 6, p.38, “Revue…”, Novembre 1993).

Зона поглощения энергии, дет. 8 на фиг.9, представляет собой трехступенчатый центральный поглотитель энергии, вмонтированный в два центральных продольных бруса на уровне шасси вагона в передней части, примыкающей к головному вагону (в “жертвенном” тамбуре) первого прицепного вагона и выполнена в виде металлического продольного стержня, типа дет.1 на фиг.7, только более мощного исполнения и развернутого на 90^o (т.е. с перфорированными стенками, расположенными горизонтально, при этом энергопоглощающие элементы, пояски, оказываются в вертикальной плоскости) и показана на фиг.10 и фиг.11 (соответствуют fig.9, p.41, “Revue…”, Novembre 1993), фиг.15 (соответствует fig.6, р.51, “Revue…”, Novembre 1993) и фиг.18 (соответствует fig.10, p.42, “Revue…”, Novembre 1993).

На фиг. 10 воспроизведен вид со снимка фрагмента кузова вагона в зоне “жертвенного” тамбура на уровне шасси вагона в условиях стендовых испытаний, а на фиг. 11 – то же, но при компьютерном моделировании, откуда видно, что крайние боковые продольные балки (дет. 6 на фиг.9), а также вертикальные стенки двух центральных трехступенчатых поглотителей энергии (дет.8 на фиг. 9), потеряв общую продольную устойчивость (вертикальные стенки трехступенчатых поглотителей – на двух ступенях, а именно первой, между поперечным брусом, дет.3 на фиг.9, и вспомогательной поперечной балкой, дет.9 на фиг.9, а также между вспомогательными поперечными балками, дет.9 и дет.10 на фиг. 9), перешли в стадию глубоких пластических деформаций и разрушения.

На фиг. 12 воспроизведен вид со снимка того же фрагмента, что и на фиг. 10, но в последней стадии пластической деформации и разрушения (когда стадии глубоких пластических деформаций и смятия достигли и третьи ступени двух центральных поглотителей энергии, дет.7 на фиг.9, между вспомогательной поперечной балкой, дет.10, и силовой концевой поперечной балкой, дет.2).

На фиг.10 и фиг.12 не видны признаки глубоких пластических деформаций и разрушения типа смятия (аналогичные разрушения видны на фиг.14) двух боковых поглотителей энергии (шести энергопоглощающих модулей, с энергопоглощающими элементами, изображенными на фиг.13), вмонтированных в боковые продольные силовые балки, по длине – начиная от концевой силовой поперечной балки, дет. 2 на фиг. 9, и заканчивая поперечным брусом, дет.3 на фиг.9, но о наличии глубоких пластических деформаций и разрушения типа смятия свидетельствует практически полная параллельность вспомогательных поперечных балок (обозначенных на фиг.9 как дет.9 и дет.10).

На фиг.15 воспроизведен вид одной из ступеней трехступенчатого центрального поглотителя энергии, дет.8 на фиг.9, а именно двух вертикальных стенок поглотителя, в стадии полного срабатывания, в фазе глубоких пластических деформаций и смятия, соответствующих фиг.12.

На фиг.16 воспроизведен вид со снимка “жертвенного” тамбура поезда типа TGV 2N до и после его разрушения типа смятия в результате приложения квазидинамических усилий, имитирующих ударное воздействие на тамбур при аварийном столкновении поезда с препятствием.

В аварийной ситуации при уровне ударных нагружений, превосходящем прочностные возможности заклепок сцепного устройства, с помощью которых корпуса буферов закреплены на суппортах, заклепки срезаются и буфера вместе со своими корпусами проваливаются внутрь суппортов, включая в работу (путем сжатия до глубоких пластических деформаций) энергопоглощающие элементы самих сцепных устройств с необратимым поглощением энергии (см. нижнюю из трех fig. 3, p.48, “Revue…” Novembre 1993).

Проваливание буферов внутрь суппортов сцепок создает условия для непосредственного вступления в контакт “жертвенной” зоны задней части головного вагона и “жертвенного” тамбура первого прицепного вагона.

При этом в случае нарастания ударной нагрузки включаются в работу все силовые связи как крыши кузова вагона, так и рамы кузова “жертвенной” зоны и “жертвенного” тамбура (плюс боковых стен применительно только к “жертвенной” зоне головного вагона) уже в соответствии с их жесткостными характеристиками, а также их потенциальными энергопоглощающими возможностями, обеспечивая выполнение основной задачи: снижения продольных сжимающих нагрузок ударного характера на шасси вагона до 2,2-2,5 МН и в целом на кузов вагона в районе пассажирского салона до 4,0-5,0 МН, а также снижения ударных перегрузок пассажирского салона.

Исходя из теоретических и экспериментальных исследований динамики вагонов подвижного состава в условиях ударного взаимодействия поезда с преградой, а также исходя из анализа последствий аварийных столкновений, например аварии высокоскоростного поезда типа TGV под Вуароном, на линии Гренобль-Лион (см. “Revue. ..” Novembre 1993, р.45), было признано целесообразным при конструктивном формировании кузова в районе пассажирского салона исходить из упомянутых выше усилий 4,0-5,0 МН как максимальных нагрузок, не вызывающих еще остаточных деформаций конструкций. Это отражено на фиг.5, сечение А-А: для пассажирского салона прицепного вагона, непосредственно следующего за головным, или прицепного концевого, прочность должна быть обеспечена на восприятие усилия до 5,0 МН включительно, для пассажирского салона промежуточного в сцепке вагона до 4,0 МН включительно.

На фиг.5 сила Р=3,0 МН (показанная применительно к сечению В – В) обозначает силу, которую должна выдержать без остаточных деформаций конструкция обычного тамбура, не имеющего специальных зон энергопоглощения (типа модулей энергопоглощения) прицепного вагона в районе опоры на транспортировочную тележку, установленную между двумя прицепными вагонами (одна тележка на два вагона). Такой тамбур применительно к поезду типа TGV 2N известен еще как “жертвенная” зона прицепного вагона, оборудованная, например, под багажное отделение.

Усилие Р=2,5-3,0 МН, см. фиг.5, сеч. С-С, относится к усилию, на восприятие которого без остаточных деформаций ориентирована конструкция “жертвенного” тамбура, имеющего специальные зоны энергопоглощения, – в виде модулей энергопоглощения, – в районе рамы кузова вагона (на уровне шасси вагона) и в районе створок боковых дверей этого тамбура.

Снижение ударных нагрузок на уровне шасси вагона до упомянутых выше значений 2,2-2,5 МН (что согласно III-му закону Ньютона – закону равенства действия и противодействия – равно относится и к прицепному, и к головному вагонам) обусловлено, помимо работы поглощающих аппаратов сцепного устройства и модулей поглощения энергии, вмонтированных в продольные силовые балки рамы кузова на уровне шасси вагона “жертвенной” зоны головного вагона и “жертвенного” тамбура прицепного вагона, как это отображено на фиг.6, фиг. 8 и фиг.9, обусловлено также включением в работу всего кузова вагона уже за пределами “жертвенных” зоны и тамбура.

Это включение осуществляется: за пределами “жертвенной” зоны головного вагона – с помощью шкворневого поперечного бруса, двух основных продольных брусьев, выполняющих, по существу, функцию хребтовой балки, и двух продольных брусьев (см. фиг.6 и фиг.8); за пределами “жертвенного” тамбура первого прицепного вагона – с помощью поперечного бруса, дет.3 на фиг.9, хребтовой балки, дет. 4 на фиг.9, двух продольных силовых балок-раскосов, дет.5 на фиг.9, помогающих в разнесении продольной нагрузки на боковые стены кузова, – в связи с тем, что та часть кузова вагона, в пределах которой размещен пассажирский салон, сформирована повышенной прочности, позволяющей выдерживать без остаточных деформаций усилия Р=4,0-5,0 МН (это отражено на фиг.5, сеч. А-А).

Что касается крыши “жертвенной” зоны и “жертвенного” тамбура, упомянутых выше, то она в процессе пластического деформирования включает в работу также трехступенчатые поглотители энергии обвязки вагона, дет.1 на фиг.6, и поглотители энергии створок дверей, дет.1 на фиг.9.

Недостатком конструкции кузова вагона прототипа является то, что его рама размещена на всей протяженности кузова, между его торцовыми стенами, при этом длина рамы равна расстоянию между ними, т.е. равна полной длине кузова вагона, включающей как пассажирский салон, так и тамбуры (как обычные, так и “жертвенные”), в результате чего и “жертвенная” зона тыльной части головного вагона, и “жертвенный” тамбур прицепного вагона, непосредственно следующего за головным, имеют своим основанием на уровне рамы кузова (уровне шасси вагона) саму же раму кузова, жесткую раму, на которой на том же уровне по высоте закреплены тягово-сцепные устройства, передающие нагрузки эксплуатационного характера.

Отсутствие самой идеи при конструктивном формировании кузова вагона прототипа разделения функциональных зон, в первую очередь обеспечивающих восприятие продольных ударно-тяговых усилий от сцепного устройства при нормальной эксплуатации поезда, и зон, обеспечивающих даже ценой их разрушения восприятие продольных ударных нагрузок, превышающих возможности поглощающих аппаратов сцепных устройств, в аварийных ситуациях типа столкновения поезда с препятствием имеет своим следствием то, что и “жертвенная” зона, и “жертвенный” тамбур вынуждены выполнять две противоречивые функции: с одной стороны, они, являясь неотъемлемой составной частью рамы кузова головного и прицепного вагонов соответственно, должны обладать достаточно высоким порогом продольной жесткости и прочности хотя бы для возможности многократного восприятия сжимающих и растягивающих усилий эксплуатационного характера, с другой стороны – наоборот, для решения собственно “жертвенной” задачи они должны обладать достаточно низким порогом жесткости и прочности в продольном направлении, чтобы, принимая удар в составе вагона в целом, максимально смягчить, – даже ценою собственного разрушения, – параметры ударных воздействий на пассажирский салон и кабину локомотивной бригады.

Вынужденное введение модулей энергопоглощения, вмонтированных в продольные основные несущие связи рамы кузова в пределах “жертвенной” зоны и “жертвенного” тамбура, направленное на решение одной из основных задач – поглощения как можно более значительного количества кинетической энергии удара, направлено одновременно и на снижение жесткости и прочности “жертвенных” зоны и тамбура до уровней, обусловленных их прямым назначением как “жертвенных”.

Как следует из рассмотрения fig.2, p.32 “Revue…” Novembre 1993, сами “жертвенные” зоны головного и замыкающего вагонов и “жертвенные” тамбуры прицепных вагонов размещены вдоль поезда типа TGV 2N (два моторных вагона, – головной и замыкающий, – и восемь вагонов прицепных) только в двух локальных регионах, а именно: первый – между головным вагоном и примыкающей к нему стороной первого прицепного вагона, и второй – между замыкающим поезд моторным вагоном, – аналогом головного вагона, – и примыкающей к нему стороной последнего прицепного вагона.

Таким образом, каждый из первого прицепного и последнего прицепного вагонов оборудован лишь одним “жертвенным” тамбуром (из двух имеемых в вагоне тамбуров), все остальные прицепные вагоны – вообще не оборудованы “жертвенными” тамбурами.

Это, в свою очередь, не могло не обусловить дополнительных, повышенных требований к энергоемкости “жертвенных” зон и “жертвенных” тамбуров, что входит в прямое противоречие со снижением их жесткости и прочности в продольном направлении.

Сама концепция формирования рамы кузова вагона в пределах “жертвенных” зон, оборудованных зонами энергопоглощения, и “жертвенных” тамбуров по принципу встраивания в продольные несущие балки рамы кузова специальных модулей энергопоглощения (например, только в одном “жертвенном” тамбуре, см. фиг.9, их двенадцать) обусловила повышение их многодельности и снижение технологичности сборки и монтажа, усложнение кооперации и зависимости от поставщиков модулей энергопоглощения.

Предлагаемым изобретением предлагается конструкция кузова вагона, свободная от отмеченных выше недостатков и обладающая:
– Разделением функциональных зон, в первую очередь обеспечивающих восприятие продольных ударно-тяговых усилий от сцепного устройства при нормальной эксплуатации поезда, и зон, обеспечивающих даже ценой их разрушения восприятие продольных ударных нагрузок, превышающих возможности поглощающих аппаратов сцепных устройств, в аварийных ситуациях типа столкновения поезда с препятствием с поглощением большей части кинетической энергии удара, расходуемой на их разрушение;
– Конструкционным формированием рамы кузова, исходя из поставленной задачи функционального разделения, как зоны, воспринимающей ударно-тяговые усилия при нормальной эксплуатации поезда (типа маневровых работ или рывковых соударений вагонов между собою при движении поезда) и в то же время воспринимающей без разрушения продольные ударные нагрузки в аварийных ситуациях типа столкновения поезда с препятствием, рамы кузова, обеспечивающей по длине крепление сцепного устройства вне зон тамбуров, обеспечивающей по высоте отсутствие контакта сцепных устройств с кузовом как в зонах тамбуров, так и в зоне пассажирского салона, рамы кузова, свободной от комбинационного чередования по длине продольных балок консольных частей рамы участков собственно этих балок и вмонтированных в них модулей поглощения энергии, тем самым – свободной от чередования жесткостно-прочностных и физико-механических характеристик, что помимо прочего имеет серьезное значение при изгибных деформациях этих продольных балок, обусловленных изгибными составляющими или внецентренным приложением продольных усилий;
– Конструкционным формированием тамбуров как специальных “жертвенных”, исходя из поставленной задачи функционального разделения, как зон, обеспечивающих восприятие продольных ударных нагрузок, превышающих возможности поглощающих аппаратов сцепных устройств и разрушающихся при нарастании этих нагрузок в аварийных ситуациях типа столкновения поезда с препятствием; с поглощением в процессе разрушения основной доли кинетической энергии удара и созданием тем самым условий для максимального смягчения ударного воздействия на пассажирский салон и кабину машиниста, тамбуров для возможности реализации поставленной задачи, выполненных на уровне крыши с более низким, чем крыша, в зоне пассажирского салона, а на уровне рамы кузова (уровне шасси вагона) с более низким, чем сама рама кузова, порогом жесткости и прочности в продольном направлении;
– В масштабе поезда – увеличенным числом зон поглощения кинетической энергии удара в аварийных ситуациях типа столкновения поезда с препятствием за счет увеличения числа “жертвенных” тамбуров;
– Конструкцией, позволяющей обеспечить равномерное размещение зон поглощения – “жертвенных” тамбуров по длине поезда;
– Максимальной простотой технологичностью в изготовлении основания “жертвенного” тамбура на уровне рамы кузова.

Для решения поставленной задачи рама кузова вагона размещена между поперечными разделительными перегородками, отделяющими тамбуры от остальной части кузова, при этом длина рамы равна расстоянию между этими перегородками.

Из рамы кузова вагона исключены сплошные концевые поперечные балки (служащие для крепления сцепных устройств) и вместо них с тем же назначением введены концевые поперечные связи, выполненные в виде поперечных опорных плит, объединенных сверху, на уровне пола кузова, в одно целое горизонтально-поперечной плитой, и четырех силовых книц, при этом опорные плиты размещены в плоскостях поперечных разделительных перегородок на расстоянии от продольной плоскости симметрии вагона, обеспечивающем прохождение между ними подвижной части сцепного устройства (что только в аварийных ситуациях типа столкновения поезда с препятствием и возможно), и скреплены с горизонтально-поперечной плитой и с балками-раскосами консольных частей рамы, выполненными сплошными, а силовые кницы размещены в плоскостях вертикальных стенок этих балок-раскосов и скреплены с опорными плитами и балками-раскосами консольных частей рамы, при этом поперечные опорные плиты и силовые кницы размещены ниже пола кузова и балок консольных частей рамы настолько, что по высоте исключен контакт сцепных устройств с кузовом вагона как в зонах тамбуров, так и в зоне пассажирского салона в любых ситуациях, – и в условиях нормальной эксплуатации поезда, и при уровнях ударных нагружений на вагон, превосходящих прочностные возможности амортизационно-демпфирующих элементов сцепных устройств, – хотя и ценой дополнительного изгибающего момента за счет увеличения плеча действия ударно-тяговых сил по высоте, обусловленного расстоянием от оси сцепки до нейтральной оси поперечного сечения продольных балок консольных частей рамы кузова вагона.

“Жертвенные” тамбуры при таком их конструктивном формировании размещены между торцовыми стенами кузова и концевыми поперечными связями рамы и выполнены из тонкостенных конструктивных элементов, на уровне рамы кузова выполнены сплошными (без вмонтирования промежуточных элементов в виде специальных модулей энергопоглощения), содержащими в плоскости пола кузова настил из тонколистового материала, имеющий с нижней стороны легкие ребра жесткости лишь в поперечном направлении кузова и, – для обеспечения продольной устойчивости и изгибной жесткости тамбура на уровне рамы кузова в условиях нормальной эксплуатации вагона, – две, размещенные с нижней стороны настила и скрепленные с ним, вертикально-продольные диафрагмы из тонколистового материала, имеющие легкие ребра жесткости лишь в вертикальном направлении, а по свободным нижним кромкам – продольные пояски жесткости.

В предлагаемой конструкции кузова вагона двумя “жертвенными” тамбурами снабжен каждый кузов вагона (за исключением головного вагона, в котором такой тамбур один, с тыльной стороны вагона), независимо от типа пассажирского вагона, а именно, например, моторный, прицепной, трансформаторный, из сцепки которых (в разных соотношениях по числу каждого из типов) сформирован пассажирский поезд.

На фиг.1 схематично показан общий вид концевых частей смежных вагонов с их “жертвенными” тамбурами и примыкающими к ним частями пассажирских салонов, с рамой кузова и сцепным устройством каждого вагона в условиях нормальной эксплуатации поезда.

На фиг.2 – сечение А-А.

На фиг.3 схематично показан общий вид концевых частей вагонов в условиях аварийной ситуации со смятыми “жертвенными” тамбурами.

Пассажирский вагон содержит металлический кузов, включающий в себя пассажирский салон и два “жертвенных” тамбура, отделенных от остальной части кузова поперечными разделительными перегородками 3, в границах которых но длине вагона размещена рама кузова, имеющая в своем составе хребтовую балку 8, две шкворневые балки 9 со специальными гнездами 10 под вертикальные шкворни, четыре силовых балки-раскоса 11 (по две на каждый из двух консольных участка рамы), восемь силовых книц 12 и четыре поперечные опорные плиты 13, образующие две концевые поперечные связи рамы для крепления на них сцепных устройств вагона.

Здесь к термину “пассажирский салон” отнесено не только само пассажирское помещение, но и служебные помещения, и туалетные, и другие вспомогательные.

В плоскости разделительных перегородок 3 размещены два утолщенных поперечных опорных листа (плиты) 13 конструкции рамы кузова для крепления сцепного устройства 19, 20 к этой раме.

Арки 7 (торцовые), имеющие достаточно высокую жесткость, служат для равномерного распределения нагрузки на контур “жертвенного” тамбура, включения в процесс пластических деформаций его крыши 6, основания 15 и через него двух продольных вертикальных диафрагм 18, обеспечивая условия прохождения пути L_см контуром фланца тамбура, максимально приближенными к плоскопараллельному движению.

В непосредственной близости от торцов кузова вагона арки 7 содержат поперечные стены кузова (торцовые) с вырезами под дверь для прохода пассажиров из вагона в вагон, а также для крепления упругих площадок, имеющих внизу откидные мостики, а по бокам и вверху – ограждение в виде суфле.

Арки 4 отделяют “жертвенный” тамбур от пассажирского салона и способствуют равномерному распределению продольной нагрузки на опорный контур пассажирского салона.

Обе арки, 4 и 7, служат также для крепления створок боковых дверей “жертвенного” тамбура для пассажиров.

Крыша 6 тамбура соединена с крышей 2 пассажирского салона переходным элементом 5, отделяющим менее жесткую часть крыши 6 от более жесткой 2, таким образом, что при больших ударных нагружениях вагона по контуру “жертвенного” тамбура в первую очередь разрушается крыша 6 тамбура, далее переходный элемент 5 при сохранении, как правило, целостности крыши 2 пассажирского салона.

Рама кузова вагона имеет в своем составе хребтовую балку 8, размещенную по длине между двумя шкворневыми балками 9, имеющими коробчатый профиль (имеют замкнутое поперечное сечение: их вертикальные листы перекрыты сверху и снизу горизонтальными листами), два консольных участка, – между шкворневыми балками 9 и разделительными перегородками 3, – каждый из которых выполнен в виде двух силовых балок-раскосов 11 коробчатого профиля, расходящихся по мере приближения к шкворневым балкам 9 раскосов в сторону боковых стен кузова 1, с целью включения стен кузова в работу по восприятию продольных нагрузок на вагон и повышении боковой жесткости консольных частей рамы. С целью повышения жесткости боковых участков консольных частей рамы между балками-раскосами 11 и стенами 1 в плоскости пола кузова размещены утолщенные листы 23.

Через шкворневые балки 9 рама кузова вагона крепится на рессорах типа пневморессор люминискатного механизма ходовой тележки (на двух пневморессорах применительно к каждой из шкворневых балок 9).

В плоскости боковых стен кузова 1 рама кузова укреплена боковыми обвязками 21, имеющими форму, например, швеллера, которые по длине ограничены протяженностью пассажирского салона.

С целью избежания передачи продольных усилий на боковые стены кузова 1 практически лишь на двух локальных участках, а именно участках примыкания к ним шкворневых балок 9, в плоскости внутренних вертикальных стенок раскосов 11 выставлены раскосы-коротыши 22, шкворневые балки 9 с боковыми обвязками 21, соединяющие шкворневые балки 9 с боковыми обвязками 21.

Силовые раскосы 11 каждого из консольных участков рамы кузова в плоскости разделительной перегородки 3 замкнуты на две поперечные опорные плиты 13, установленные вертикально в поперечной плоскости вагона и дополнительно скрепленные с раскосами при помощи четырех силовых книц 12, каждая из которых установлена в плоскости вертикальной стенки раскоса 11.

Установка книц 12 обусловлена, в основном, тем обстоятельством, что при достигнутом отсутствии контакта по высоте сцепных устройств с кузовом вагона как в зонах тамбуров, так и в зоне пассажирского салона, продольная ось сцепного устройства 19, 20 достаточно разнится по высоте с нейтральной осью поперечного сечения раскосов 11 (для избежания “ножевого” эффекта, грозящего плитам 13 при их пересечении с вертикальными стенками коробчатого поперечного сечения раскосов 11, вертикальные стенки последних, в районе их замыкания на плиты 13, в верхней части мягко скруглены, а верхние горизонтальные листы раскосов замкнуты на горизонтально поперечный утолщенный лист (плиту) 24, объединяющий на уровне пола кузова замкнутые на него снизу опорные плиты 13 в единое целое, в то время в нижней части, при пересечении плит 13 с вертикальными стенками и нижними горизонтальными листами поперечного сечения раскосов 11, установлены силовые кницы 12).

К плите 24 снизу прикреплены две вертикальные балки 14 П-образного профиля, свободными стенками скрепленные с вертикальными плитами 13.

Торцовая часть кузова вагона, ниже основания тамбура 15, размещенного на уровне пола кузова, содержит две вертикальные балки 17 таврового профиля на том же удалении от продольной плоскости симметрии вагона, что и балки 14, но скрепленные вверху с основанием 15 тамбура, а в нижней части – соединенные с вертикальными балками 14 с помощью продольных связей 16.

В своей верхней части вертикальные балки 14 и 17 скреплены между собою двумя продольно-вертикальными диафрагмами 18, которые в свою очередь в своих верхних частях скреплены с основанием 15 тамбура.

Арки 4 и 7, соединяя крышу тамбура 6 с основанием 15, имеют продолжение вниз, до уровня нижних кромок вертикальных балок 14 и 17 и связывающих их продольно-горизонтальных элементов (связей) 16, создавая совместно с балками 14, 17, связью 16 и диафрагмами 18 объемный каркас кожуха-обтекателя подвагонного пространства, для уменьшения аэродинамического сопротивления вагона.

Кожух-обтекатель благодаря диафрагмам 18 одновременно выполняет роль несущего элемента тамбура, повышая его продольную изгибную жесткость, в то же время лишь незначительно повышая продольную жесткость.

Диафрагмы 18, скрепленные с основанием тамбура 15, выполнены из того же тонколистового материала, что и основание 15, например из готовых прокатных панелей алюминиевого сплава, сам кожух-обтекатель разделен выгородкой диафрагмами 18, а сверху – основанием тамбура 15 (образуемой с боков и вовсе открытой снизу) для размещения в ней сцепного устройства 19, 20, что отражено, в частности, на фиг.2.

Сам кожух-обтекатель разделен выгородкой (образуемой с боков -диафрагмами 18, а сверху – основанием тамбура 15, и вовсе открытый снизу) для размещения в ней сцепного устройства 19, 20, что отражено, в частности, на фиг.2.

Таким образом, кожух-обтекатель состоит из двух равных и симметричных относительно продольной вертикальной плоскости симметрии вагона частей, днищевая конструкция которых образована плоским перекрытием, а боковая, – между днищевой частью и основанием 15 по высоте – съемной панелью типа откидного фальшборта.

Именно так, со снятым вовсе откидным фальшбортом, и показан тамбур вагона на фиг. 1 справа (и тогда именно становится видна диафрагма 18), а тамбур вагона на фиг.1 слева показан с вырывом диафрагмы 18, с целью обозначить вид сцепного устройства 19, 20 и вид его крепления к раме кузова при посредстве поперечных опорных плит 13 и силовых книц 12 этой рамы.

Внутри выгородки, между двумя диафрагмами 18, размещено сцепное устройство 19, 20 типа МСУ-250, продольная ось которого совпадает с продольной вертикальной плоскостью симметрии вагона.

Сцепное устройство фланцем своей неподвижной части 19 закреплено с помощью болтового соединения 25 на двух поперечных опорных плитах 13 рамы кузова и через них – на раме кузова в целом.

Таким образом, продольные усилия ударно-тягового характера от сцепного устройства передаются непосредственно на раму кузова вагона, где через гнездо 10 на шкворневой балке 9 передаются на вертикальный шкворень, который в свою очередь передает эти продольные усилия на механизм ходовой тележки.

Головка подвижной части 20 сцепного устройства типа МСУ-250 соединена с рабочим амортизатором, который через опору шаровую скреплен с неподвижной частью 19 сцепки, включающей в себя несколько ступеней аварийного амортизатора.

Рабочий амортизатор сцепки типа МСУ-250 рассчитан на восприятие ударно-тяговых усилий, характерных для нормальных эксплуатационных условий.

При значительном аварийном соударении вагонов амортизирующие и собственно демпфирующие элементы (к последним, в частности, в полном объеме относятся последние ступени аварийного амортизатора) сцепного устройства типа МСУ-250 выбывают из рабочего состояния, что сопровождается проваливанием всей подвижной части 20 сцепного устройства внутрь неподвижной его части 19 и далее – между двумя поперечными опорными плитами 13 концевых поперечных связей рамы кузова, не препятствуя более сближению, вплоть до ударного вступления в контакт между собою двух смежных вагонов по торцам их тамбуров, образованным конструктивными элементами основания 15 тамбуров, элементами крыши 6 и арки 7 и в случаях интенсивного нарастания ударных нагрузок потери общей или местной устойчивости основанием 15 и крышей 6 тамбуров, затем глубокого пластического деформирования и разрушения, смятия тамбуров, дальнейшему сближению вагонов, например, вплоть до вступления в контакт между собою неподвижных частей 19 их сцепных устройств (схематично показано на фиг.3), что соответствовало бы величине смятия L_см каждого из смежных тамбуров.

Длина L_см обозначена на фиг.1 и фиг.2.

Таким образом, практически полностью процесс поглощения тамбуром кинетической энергии удара в аварийных ситуациях поезда типа столкновения с препятствием происходит за счет работы внешних сил, затрачиваемых на доведение до состояния глубоких пластических деформаций и разрушения крыши 6, основания 15 и двух продольно-вертикальных диафрагм 18 (в случае плоскопараллельного сближения торцов двух смежных вагонов – разрушения практически одновременного).

Достигнутая увязка всех основных конструктивных элементов кузова вагона и сцепного устройства обеспечила условия для формирования тамбура в прямом смысле жертвенного, а именно вступающего в работу только в аварийных ситуациях, например при столкновении поезда с препятствием, при воздействии на вагон усилий ударного характера, превосходящих амортизационно-демпфирующие возможности сцепного устройства.

Описанная выше конструкция “жертвенного” тамбура, основание которого совместно с продольно-вертикальными диафрагмами этого тамбура, обладая достаточной жесткостью и прочностью в условиях нормальной эксплуатации поезда, выполняя одновременно функцию пола тамбура, в то же время при аварийных столкновениях поезда с препятствием выявляют свою достаточно низкую характеристику продольной жесткости и прочности, и, разрушаясь, совместно с крышей этого тамбура, в первую очередь, принимают на себя основную долю кинетической энергии удара в процессе своего разрушения, такая конструкция “жертвенного” тамбура создает условия для максимального смягчения ударного воздействия на пассажирский салон и кабину локомотивной бригады.

Реализация формирования основания и продольно-вертикальных диафрагм “жертвенного” тамбура из типовых металлических панелей максимально упрощает саму конструкцию и повышает технологичность в изготовлении.

При такой конструктивной разработке кузова вагона его раму в консольных частях (между плоскостями крепления сцепных устройств и шкворневыми балками) представилось возможным сформировать без вмонтирования в силовые балки-раскосы промежуточных элементов – модулей энергопоглощения, – с иными жесткостно-прочностными и физико-механическими характеристиками, чем у силовых балок-раскосов, – и избежать миогодельности при формировании консольных участков рамы кузова.

Оборудование вагона двумя тамбурами, конструктивно отвечающими концепции “жертвенных”, способствовало в условиях интенсивных аварийных нагрузок повышению эффективности поглощения кинетической энергии удара (корректнее – той части полной кинетической энергии удара, которая необратимо расходуется на работу внешних, ударных, сил, затрачиваемых непосредственно на пластическое деформирование и разрушение конструкций вагона; оставшаяся часть полной кинетической энергии удара расходуется уже на замедленное движение поезда с начальной скоростью, обретаемой поездом тотчас после соударения) конструктивными элементами самого вагона вне зоны пассажирского салона и тем – повышению эффективности защиты пассажирского салона от ударных сил и связанных с ними ударных перегрузок.

Эффективность защиты пассажиров и локомотивной бригады поезда с помощью “жертвенных” тамбуров еще более увеличена за счет того, что двумя “жертвенными” тамбурами оборудованы все без исключения вагоны, находящиеся в сцепке поезда, между головным и замыкающим вагонами, независимо от типа пассажирского вагона, – моторные, прицепные, трансформаторные, – разные лишь но техническим функциональным назначениям, но все – содержащие пассажирский салон, а также за счет того, что таким же хоть и одним “жертвенным” тамбуром оборудован и сам головной вагон в задней (тыльной) его части.

Формула изобретения

1. Пассажирский вагон, содержащий кузов с боковыми и торцовыми стенами, крышей, поперечными разделительными перегородками, отделяющими тамбуры от остальной части кузова, рамой с полом, соединенной с ними и состоящей из средней и консольных частей, включающих в себя хребтовую и шкворневые балки, балки-раскосы и концевые поперечные связи рамы для крепления на них сцепных устройств вагона, отличающийся тем, что рама кузова размещена между поперечными разделительными перегородками, при этом длина рамы равна расстоянию между этими перегородками, а концевые поперечные связи рамы выполнены в виде поперечных опорных плит, объединенных сверху на уровне пола в одно целое горизонтально-поперечной плитой, и силовых книц, при этом размещенные в плоскостях поперечных разделительных перегородок опорные силовые плиты размещены на расстоянии от продольной плоскости симметрии вагона, обеспечивающем прохождение между ними подвижной части сцепного устройства, и скреплены с балками-раскосами, выполненными сплошными, а силовые кницы размещены в плоскостях вертикальных стенок балок-раскосов и скреплены с опорными плитами и балками-раскосами консольных частей рамы.

2. Пассажирский вагон по п. 1, отличающийся тем, что поперечные опорные плиты и силовые кницы размещены ниже пола кузова и балок консольных частей рамы кузова настолько, что по высоте исключен контакт сцепных устройств с кузовом вагона как в зонах тамбуров, так и в зоне пассажирского салона, и в условиях нормальной эксплуатации поезда, и при уровнях ударных нагружений на вагон, превосходящих прочностные возможности амортизационно-демпфирующих элементов сцепных устройств.

3. Пассажирский вагон по п. 1, отличающийся тем, что тамбуры по длине вагона размещены между торцовыми стенами кузова и концевыми поперечными связями рамы и выполнены из тонкостенных конструктивных элементов, на уровне рамы кузова выполнены сплошными, содержащими в плоскости пола кузова настил, имеющий с нижней стороны ребра жесткости, идущие в поперечном направлении кузова, и размещенные с нижней стороны настила и скрепленные с ним вертикально-продольные диафрагмы, имеющие ребра жесткости в вертикальном направлении, а по свободным нижним кромкам – продольные пояски жесткости.

РИСУНКИ

MM4A – Досрочное прекращение действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 08.03.2009

Извещение опубликовано: 7.12.2009 БИ: 36/2009

NF4A Восстановление действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение

Дата, с которой действие патента восстановлено: 20.02.2010

Извещение опубликовано: 20.02.2010 БИ: 05/2010

Изменения:

Зарегистрирован переход исключительного права без заключения договора
Дата и номер государственной регистрации перехода исключительного права: 04.04.2010/РП0000659
Патентообладатель: Открытое акционерное общество “Центральное конструкторское бюро морской техники “Рубин”
Прежний патентообладатель: Федеральное государственное унитарное предприятие “Центральное конструкторское бюро морской техники “Рубин”

Номер и год публикации бюллетеня: 15-2002

Извещение опубликовано: 20.05.2010 БИ: 14/2010