Результат интеллектуальной деятельности: ЭНЕРГОПОГЛОЩАЮЩЕЕ ДОРОЖНОЕ ОГРАЖДЕНИЕ

Предлагаемое изобретение относится к дорожному строительству и может найти применение для оснащения опасных участков дорог, в местах возможного съезда транспортного средства с обочины и мостового сооружения (моста, путепровода, эстакады и т.п.), переезда через разделительную полосу, столкновения со встречным транспортным средством, наезда на массивные препятствия и сооружения, расположенные на обочине и в полосе отвода дороги, а также наезда транспортного средства на пешеходов.

Известны многочисленные типы ограждений, включающие основания с закреплёнными на них (непосредственно или через узлы крепления) ограничительными элементами, исполненными из профилированных металлических полос, главной задачей которых является препятствование движению транспортных средств в запрещённых (опасных) направлениях, а также рассеивание энергии удара при столкновении транспортного средства с дорожным ограждением [ГОСТ 26804-86 «Ограждения дорожные металлические барьерного типа»]. Рассеивание энергии удара происходит за счёт деформирования ограничительных элементов, узлов их крепления и элементов транспортного средства, а также за счёт трения, возникающего между элементами транспортного средства и дорожным ограждением. Указанные конструкции обладают высокой прочностью, но низкой энергоёмкостью в связи с чем, при столкновении транспортного средства с дорожным ограждением действующие перегрузки могут превысить допустимые, а транспортному средству нанесён значительный ущерб.

Известно дорожное защитное ограждение, включающее равномерно расположенные опоры и присоединенные к ним горизонтальные секции, выполненные в виде труб, заполненных отвержденным пеноматериалом, в котором рассеивание энергии воздействия осуществляется за счет сминания стенок трубчатых элементов и раздробления пеноматериала [Патент на изобретение РФ №2485244, МПК Е01Р, 2011 г.]. Также известны конструкции систем амортизации, использующие следующие виды нагружения: сжатие, растяжение, изгиб, протяжка и их комбинации [Тихомиров А.Г. Упругопла-стическая система амортизации. - М. «Машиностроитель» №11, 2002 г.].

К недостаткам данных систем можно отнести следующее. Деформация рабочих элементов сжатием почти не используется, так как для низких и широких рабочих элементов трудно осуществить достаточно большой ход, а высокие элементы теряют устойчивость, при этом силовая характеристика сжатия по своей форме крайне не выгодна. Деформацию растяжением целесообразно использовать для невысоких нагрузок и относительно малых ходов, при этом превышение допустимых нагрузок может привести к разрушению конструкции и потери несущей (удерживающей) способности. Преимуществом использования пластического изгиба стержней и пластин являются высокая технологичность рабочих элементов, минимальное количество вспомогательных деталей. Изгиб имеет такую же характеристику жесткости как растяжения. Однако при изгибе распределение напряжений и относительных удлинений по сечению неравномерно, поэтому удельная энергоемкость при изгибе существенно ниже, чем при растяжении. Кроме того, пластическая деформация и напряжения при изгибе неравномерны по длине стержня и обычно сосредотачиваются в так называемом пластическом шарнире, а это еще более снижает удельную энергоемкость системы.

Во многих случаях может оказаться наиболее выгодным использование в демпферах деформации кручения [Решенкин А.С., Тихомиров А.Г. Упругопластическая система противоударной защиты. - М.: «Автомобильный транспорт», №1, 2004 г.]. Кручение элементов в виде цилиндрических стержней малой длины вызывает появление пластических деформаций одинаковых по всей длине стержня. Напряженное состояние в поперечном сечении даже при больших пластических деформациях имеет достаточно равномерный характер. Поэтому, в отличие от изгиба, диссипация энергии происходит по всему объему стержня. В отличие от сжатия, при скручивании сплошные цилиндрические стержни или полые с достаточно большой толщиной стенки не теряют устойчивости вплоть до разрушения. В отличие от растяжения, при кручении не образуется шейка, и поэтому деформация кручения может быть использована в целях демпфирования полностью, вплоть до разрушения.

Наиболее близким - по совокупности признаков - аналогом является конструкция дорожного ограждения барьерного типа, включающая основания (стойки) и ограничительные элементы, исполненные из профилированных металлических полос (балки), крепление которых к стойкам осуществляется посредством торсионных энергопоглощающих элементов [Патент РФ на полезную модель №51632, Е04Р 15/00, 2005 г.].

К числу недостатков прототипа необходимо отнести следующие: конструкция дорожного ограждения, обладая высокой энергопоглощающей способностью, имеет низкую удерживающую способность ввиду разобщенности ограничительных элементов, а также достаточно сложный технологический процесс изготовления торсионных энергопоглощающих элементов, обусловленный необходимостью попарного заключения торсионов составных частей энергопоглощающих элементов в фиксаторах, препятствующих изгибу.

Задача, на решение которой направлена предлагаемая конструкция, заключается в повышении безопасности пассажиров и перевозимых грузов при столкновении транспортного средства с дорожным ограждением, а также в снижении причиняемого транспортному средству и дорожному ограждению ущерба, без снижения удерживающей способности дорожного ограждения.

Технический результат заключается также в том, что кроме указанных достоинств обеспечивается возможность многоразового использования элементов дорожных ограждений, восстановление заданных демпфирующих характеристик после столкновения, при проведении несложных ремонтных операций, а также в том, что модернизация существующих дорожных ограждений, выполненных по ГОСТ 26804-86, не требует изменений конструкций основных элементов дорожных ограждений, таких как стойки и балки, а заключается в замене консолей (элементов крепления балок к стойкам) на энергопоглощающие модули.

Указанные технические результаты достигаются тем, что в конструкции дорожных и мостовых ограждений барьерного типа, включающих в себя опоры (стойки) и ограничительные элементы в виде профилированных металлических полос (балки), в качестве узлов крепления ограничительных элементов к опорам используются торсионные энергопоглощающие модули.

Сущность предлагаемой конструкции поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен вид сверху энергопоглощающего дорожного ограждения; на фиг. 2 представлен вид сбоку энергопоглощающего дорожного ограждения; на фиг. 3 представлен торсионный энергопоглощающий модуль; на фиг. 4 представлен торсионный энергопоглощающий элемент с фиксатором; на фиг. 5 показана работа торсионного энергопоглощающего элемента под воздействием ударной нагрузки; на фиг. 6 показана работа энергопоглощающего дорожного ограждения под воздействием ударной нагрузки (вид сверху); на фиг. 7 показана работа энергопоглощающего дорожного ограждения под воздействием ударной нагрузки (вид сбоку); на фиг. 8 показана дополнительная работа торсионного энергопоглощающего модуля под воздействием нагрузки, вызвавшей деформацию ограничительного элемента (балки) дорожного ограждения.

Конструкция энергопоглощающего дорожного ограждения (см. фиг. 1, 2) включает расположенные на заданном расстоянии опоры (стойки) 1, торсионные энергопоглощающие модули 2 и ограничительные элементы в виде профилированных металлических полос (балки) 3, последовательно соединенные с помощью болтовых соединений 4. Торсионный энергопоглощающий модуль (см. фиг. 3) состоит из 2-х оснований 5 с прикрепленными к каждому 4-мя цилиндрическими элементами 6 в которые вставлены торсионные энергопоглощающие элементы 7, концы которых после сборки модуля соединены с основаниями сваркой 8. Торсионный энергопоглощающий модуль содержит четыре энергопоглощающих элемента, выполняемых из отрезка металлического прута, участки которого последовательно изогнуты таким образом, что в каждом торсионном энергопоглощающем элементе имеются две пары параллельных участков а и в (см. фиг. 4), являющиеся рабочими частями, рассеивающими энергию ударного воздействия за счёт пластического кручения, соединённые разведенными на заданный угол раскосами б, разведенными на заданный угол β. Для исключения возможности изменения параллельности участков а установлен фиксатор 9, представляющий собой цилиндрические элементы, соединенные между собой сваркой. Цилиндрические элементы фиксаторов и оснований не препятствуют скручиванию рабочих частей торсионного энергопоглощающего элемента.

Изготовление и сборка торсионного энергопоглощающего модуля просты и выполняются обычными известными методами. Торсионный энергопоглощающий элемент может изготавливаться из прутков или толстостенных труб малоуглеродистых, среднеуглеродистых и легированных сталей имеющих заданные размеры и определенный диаметр, путём последовательного изгиба под заданными углами с последующей термообработкой (для придания элементу требуемых характеристик) или без неё. Цилиндрические элементы, препятствующие изменению параллельности участков торсионного энергопоглощающего элемента, устанавливаются в процессе его изготовления с последующей сваркой между собой.

В случае ударного воздействия торсионный энергопоглощающий элемент работает следующим образом. В исходном состоянии раскосы разведены на заданный угол β (см. фиг. 5). Ударное воздействие (на рисунке обозначено Q) , величина которого превышает суммарную силу сопротивления скручиванию рабочих частей, вызывает сближение оснований энергопоглощающего модуля на некоторое расстояние х, что обуславливает схождение раскосов и скручивание параллельных участков торсионного энергопоглощающего элемента (пластических торсионов) на некоторый угол φ (направление кручения торсионов показано стрелками). Энергия воздействия рассеивается в процессе пластического кручения, большей частью переходя в тепло и меньшей частью в работу деформации.

Работа энергопоглощающего дорожного ограждения при ударном воздействии аналогична (см. фиг. 6, 7). Воздействие внешней нагрузки (направление показано стрелками), величина которой превышает суммарную силу сопротивления скручиванию рабочих частей энергопоглощающего модуля на ограничительные элементы дорожного ограждения 3, вызывает их перемещение и, соответственно, поворот раскосов б, что обуславливает пластическое скручивание рабочих частей а, в и, соответственно, поглощение энергии воздействующей нагрузки. Общая величина энергопоглощения каждого торсионного энергопоглощающего модуля, на который непосредственно пришлось соударение, складывается из величин энергопоглащения рабочих частей. Поворот раскосов торсионного энергопоглощающего модуля происходит либо до полного рассеивания энергии воздействия ударной нагрузки, и тогда торсионный энергопоглощающий модуль остаётся в каком-то промежуточном деформированном положении, обусловленном величиной воздействующей нагрузки, либо продолжается до тех пор, пока ход амортизации не будет исчерпан (угол между раскосами составит 0 градусов).

В случае воздействия ударной нагрузки, при которой участвующие в работе торсионные энергопоглощающие модули исчерпали ход амортизации, а энергия воздействия полностью не рассеяна и вызывает деформацию ограничительного элемента (балки) дорожного ограждения, раскосы энергопоглощающего модуля, усиливая удерживающую способность, выполняют роль пластических торсионов (см. фиг. 8). На рисунке показана дополнительная работа торсионного энергопоглощающего модуля, исчерпавшего ход амортизации, при которой деформированный ограничительный элемент (балка) воздействует на U-образный участок энергопоглощающего элемента, выполняющего в данном случае роль рычага, и, поворачивая его, скручивает части б энергопоглощающего элемента, что обеспечивает повышение энергоемкости дорожного ограждения.

Следует отметить, что торсионные энергопоглощающие модули обладают высокой удельной энергоемкостью и стабильностью характеристик амортизации, которые присущи амортизирующим устройствам, принцип действия которых основан на рассеивании энергии воздействия за счёт пластического кручения металлических стержней. Общая величина энергопоглощения и ход амортизации торсионного энергопоглощающего модуля могут быть заданы в широких пределах путем изменения величины установочного угла между раскосами, определяющего предельную величину хода амортизации, путем задания определенных размеров (длин и диаметров) рабочих частей, а также путём выбора материала торсионных энергопоглощающих элементов и их термообработки [Тихомиров А.Г. Использование предварительного наклёпа торсионных рабочих элементов в упругопластических системах противоударной защиты. - М.: «Машиностроитель», №1, 2004].

Одним из положительных качеств предлагаемого энергопоглощающего дорожного ограждения является отсутствие жесткой связи его элементов, которая предопределяет возникновение повреждений автомобилей при наезде на дорожное ограждение даже при минимальных скоростях столкновения. Силовая характеристика торсионных энергопоглощающих модулей, играющих роль демпфирующей связи, может быть задана в широких пределах, как и общая величина энергопоглощения и ход амортизации, что может обеспечить при малых скоростях столкновения работу энергопоглощающих модулей в упругой зоне, а начало работы в пластической зоне при нагрузках, вызывающих разрушение элементов автомобиля.

Торсионный энергопоглощающий модуль обладает и другим положительным качеством, заключающимся в том, что частично или полностью деформированный модуль может быть вновь и многократно приведен в исходное положение, а его энергопоглощающая способность восстановлена. Это обеспечивается путем проведения определенных ремонтных работ, причем без замены каких-либо элементов. При этом необходимо применение силовых устройств (гидроцилиндров с выдвижным штоком или домкратов), которые посредством воздействия создаваемой ими нагрузки подвергают модуль медленному принудительному деформированию в обратном направлении. Количество циклов «деформирование под воздействием ударной нагрузки - обратное принудительное деформирование» может составлять от десятков до сотен циклов без изменения заданных исходных характеристик. Указанные ремонтные операции можно проводить и без отсоединения торсионного энергопоглощающего модуля от дорожного ограждения.