Рельсовое транспортное средство с головным модулем из волокнистого композитного материала

 

Изобретение относится к рельсовым транспортным средствам. Рельсовое транспортное средство содержит предварительно изготовленный и соединенный с рамой (3) модуль (2) кузова вагона и предварительно изготовленный головной модуль (12) из волокнистого композитного материала. Обращенная в сторону головного модуля (12) соединительная зона рамы (3) выполнена со средством, компенсирующим допуски по высоте. Обращенная в сторону головного модуля (12) соединительная зона модуля кузова выполнена по меньшей мере в зоне боковых стенок (9) кузова вагона в виде соединительной кромки со средствами, компенсирующими допуски в продольном и поперечном направлениях. Головной модуль (12) имеет обращенные к модулю (2) кузова и к раме (3) соединительные кромки передней и боковых стенок (13, 14) головного модуля с включенными в композитный материал усиливающими профилями. Передняя и боковые стенки (13, 14) головного модуля соединены жестко по отношению к сдвигу с рамой (3) с помощью крепежных элементов, создающих предварительное натяжение и опирающихся на усиливающие профили. По меньшей мере боковые стенки (14) головного модуля соединены жестко по отношению к сдвигу с боковыми стенками (9) кузова вагона с помощью крепежных элементов, создающих предварительное натяжение и опирающихся на усиливающие профили. Изобретение повышает надежность. 11 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к рельсовому транспортному средству с головным модулем из волокнистого композитного материала согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения.

Для улучшения массового баланса рельсовых транспортных средств, обеспечения широких возможностей внешнего оформления и использования технологических преимуществ волокнистых композитных материалов и модульных конструкций с высокой степенью использования предварительного изготовления и испытания все большее количество рельсовых транспортных средств снабжают головными модулями, например, кабинами машиниста, изготовленными из волокнистых композитных материалов.

Такое транспортное средство уже известно из ЕР 0533582 Bl. При этом кабина машиниста рельсового транспортного средства изготовлена в виде отдельного конструкционного блока из волокнистого композитного материала, причем стенки кабины машиниста вместе с несущей конструкцией пульта управления машиниста образуют моноблочный модуль, а кабина машиниста должна быть закреплена на нижней раме рельсового транспортного средства, а также на верхних продольных балках верхней рамы боковых стенок с помощью болтовых соединений. При необходимости, т. е., предположительно, для компенсации допусков и для предотвращения пиковых усилий, крепление осуществляют с помощью упругих амортизаторов. Действующие фронтально, а также возникающие при приподнимании транспортного средства силы передаются на нижнюю раму и верхние продольные балки через неподвижные упоры. Однако в этой публикации нет сведений о том, как выполнены места соединения между кабиной машиниста, с одной стороны, а также нижней рамой и верхними продольными балками, с другой стороны. Недостатком является то, что из-за квази точечной передачи усилий на верхние продольные балки, некоторые зоны кабины машиниста должны быть особенно усилены, а другие зоны кабины машиниста не участвуют в передаче усилий, так что кабину машиниста необходимо выполнять неоднородно, что приводит к технологическим трудностям и повышению стоимости. Кроме того, такая техническая концепция ограничивает возможности поднимания рельсового транспортного средства для установки его на рельсы, а также следующие параметры, возникающие при крайних случаях нагрузки: - давление на переднюю стенку (например, 300 кН), - среднее усилие сцепления (например, 1500 кН), - среднее усилие растяжения сцепления (например, 1000 кН), которым должна соответствовать конструкция кузова рельсового транспортного средства и которые должна выдерживать кабина машиниста.

Согласно известным до настоящего времени решениям, необходимо остальную структуру кузова вагона с нижней рамой и верхними продольными балками выполнять особенно жесткой, что приводит к дополнительным затратам при изготовлении и к нежелательному увеличению массы. Чем большую долю длины от общей длины транспортного средства составляет головной модуль, тем более неблагоприятными становятся эти соотношения.

Другое рельсовое транспортное средство с кабиной машиниста из волокнистого композитного материала описано в журнале "Schweizer Еisenbahnrevue", 12/1991, страницы 436-442 (А. Кортези, Т, Иссенманн, Т. Кальберматтен "Легкие носы для быстрых локомотивов"). При этом кабина машиниста выполнена из нескольких составных частей с многослойной структурой, которые соединены между собой структурными клеевыми соединениями. Кабина машиниста выполнена как самонесущий блок и поэтому не может принимать на себя долю указанных выше чрезвычайных нагрузок. Это обусловлено характером соединения с нижней рамой и кузовом вагона, а также его механической прочностью и небольшой жесткостью: для компенсации производственных допусков от 1 до 5 мм, обеспечения герметичности и постоянства климатических условий в зоне соединения, компенсации различных тепловых расширений между пластмассовой кабиной машиниста и металлическим кузовом вагона и обеспечения большого срока службы, кабина машиниста приклеена эластичным клеем, причем со стороны нижней рамы установлены упругие амортизаторы в качестве промежуточных элементов и компенсируются производственные допуски по ширине до 10 мм в клеевых швах. Такое выполнение полностью непригодно для случаев, когда головной модуль рельсового транспортного средства должен быть выполнен не только самонесущим, но и нести часть нагрузки, и для этого должен быть прочно и жестко соединен с конструкцией вагонного кузова.

Другое решение для рельсового транспортного средства с отдельно изготовленным и монтируемым головным модулем описано в DE 4343800 A1. Этот головной модуль также выполнен как само не сущий узел и соединен относительно всех 6 степеней свободы разъемно и с силовым замыканием с нижней рамой и через упругие промежуточные элементы с кузовом вагона. При таком решении головной модуль также не может принимать на себя значительные доли нагрузки кузова вагона и требует, с учетом высокой точности изготовления мест соединения типа отверстие - болт с нижней рамой в различных положениях оси, больших затрат на изготовление. Поскольку места соединения с нижней рамой находятся внутри кабины машиниста и должны быть доступными, то нельзя обеспечить высокую степень предварительного изготовления.

Задачей изобретения является предложить решение для рельсового транспортного средства, которое позволяет устранить описанные недостатки уровня техники и обеспечивает новый способ прочного соединения головного модуля из волокнистого композитного материала с модулем кузова вагона и рамой, причем производственные допуски на форму и размеры в вертикальном, продольном и поперечном направлениях (относительно рельсового транспортного средства) между головным модулем из волокнистого композитного материала, с одной стороны, и модулем кузова вагона и рамой, с другой стороны, компенсируются легко и с небольшими затратами, при соединении не возникают не контролируемые внутренние напряжения и без аварий компенсируются тепловые расширения головного модуля из волокнистого композитного материала и модуля кузова вагона.

Другая задача состоит в выполнении таких головных модулей из волокнистого композитного материала с возможностью несения нагрузки и в таком соединении с имеющим нижнюю раму модулем кузова вагона, что образуется особенно прочное и жесткое соединение с силовым замыканием между головным модулем и модулем кузова вагона, а так же рамой, и головной модуль может нести значительную долю нагрузок, соответствующих указанным выше рабочим условиям, и передавать их на кузов загона.

Эта задача решается с помощью рельсового транспортного средства, указанного в начале типа с отличительными признаками пункта 1 формулы изобретения. Предпочтительные варианты выполнения и модификации изобретения следуют из зависимых пунктов формулы изобретения.

Выполнение согласно изобретению мест соединения головного модуля с модулем кузова вагона и с рамой позволяет создавать прочное и не имеющее неконтролируемые внутренние напряжения свободное соединение головного модуля как с модулем кузова вагона, так и с рамой, у которого производственные допуски на размеры головного модуля, а также производственные допуски модуля кузова вагона и рамы компенсируются как в вертикальном, в продольном, так и в поперечном направлениях транспортного средства технически и экономически простым способом.

Еще проще компенсация допусков головного модуля относительно модуля кузова загона обеспечивается тогда, когда решение, найденное для жесткого к сдвигу соединения, осуществляется только в зонах боковых стенок, а в зоне крыши осуществляется известное эластичное соединение, которое может также хорошо компенсировать разницу размеров по высоте.

Предусмотренное в модификации изобретения соединение профилей боковых стенок с оконечным профилем кузова вагона дополнительно снижает объем работ и затраты для компенсации допусков модуля кузова вагона.

За счет пониженных требований к точности можно изготовлять головные модули и рельсовые транспортные средства с меньшими затратами.

Другое преимущество состоит в том, что выполненное холодным способом соединение не зависит от выполнения модуля кузова вагона из стали, легких металлов или другим способом. Для целей ремонта это соединение можно разъединять без причинения вреда головному модулю и модулю кузова вагона.

Другое существенное преимущество, обеспечиваемое изобретением, состоит в том, что теперь можно изготовлять также рельсовые транспортные средства с головными модулями из волокнистого композитного материала, в которых выполненный несущим головной модуль воспринимает часть нагрузки структуры кузова вагона и за счет прочного и жесткого соединения передает их на смежный модуль кузова вагона.

В частности, за счет соединения, выполненного по меньшей мере между боковыми стенками головного модуля и модулем кузова вагона в двух плоскостях, достигается высокая прочность при сдвиге, так что боковые стенки как головного модуля, так и модуля кузова вагона можно выполнять с экономией материала и массы. Этому дополнительно способствует то, что используемые в месте соединения усиливающие профили головного модуля, на которые опираются крепежные элементы, которые воспринимают силы сжатия и нагрузки, передаваемые через поверхности соединения между нижней рамой и головным модулем, передают их по площади на смежный волокнистый композитный материал, так что предотвращается его точечное перенапряжение, соответственно, отпадает необходимость в увеличении его размеров.

Поскольку соединение с нижней рамой можно односторонне производить с нижней стороны рамы, то выполненный согласно данному изобретению головной модуль можно изготавливать с высокой степенью предварительного производства, оснащения и испытания перед его соединением с модулем кузова вагона.

Ниже приводится описание изобретения на примере выполнения, который не ограничивает изобретение, со ссылками на чертежи, на которых изображено: фиг.1 - вид сбоку выполненного и соединенного согласно изобретению рельсового транспортного средства, фиг.2 - разрез места соединения между головным модулем и рамой, фиг.3 - разрез места соединения между боковой стенкой головного модуля и боковой стенкой кузова вагона.

Как показано на фиг.1, для рельсового транспортного средства 1 предварительно изготовлен модуль 2 кузова вагона на раме 3. На раме 3 установлены (не изображенные) тяговые и толкающие устройства рельсового транспортного средства, содержащие (также не изображенные) опоры для колесных пар или поворотных тележек, а также другие функциональные блоки рельсового транспортного средства (также не изображены), и она имеет по функциональным соображениям и для оформления внешнего вида частичную внешнюю обшивку. Головной модуль 12 состоит, согласно примеру выполнения, по меньшей мере из передней стенки 13 головного модуля, двух боковых стенок 14 головного модуля и крыши 22 головного модуля, которые предварительно изготовлены по отдельности и затем соединены в головной модуль 12, или же изготовлены совместно как головной модуль 12 в моноблочной конструкции.

Для соединения головного модуля 12 с рамой 3 в примерно горизонтальной плоскости соединения (которая может быть также наклонной, изогнутой и/или ступенчатой) и при этом коррекции отклонений размеров, как показано на фиг. 2, на продольных балках 4 рамы 3 предусмотрено утолщение материала в качестве элемента 5, компенсирующего допуски по высоте, которое после измерения предварительно изготовленного головного модуля 12 и рамы механически снимают при необходимости. Однако возможно также вместо утолщения продольной балки 4 предусмотреть одну или несколько компенсирующих различия по высоте прокладок, которые могут иметь форму охватывающего соединительную кромку головного модуля U-обраэного профиля, или использовать выполненные иначе средства для компенсации допусков по высоте. Показанная на фиг.2 форма утолщения материала, которое при выполненной из легкого металла продольной балки 4 может быть составной частью экструдированного профиля, позволяет проводить визуальный контроль при механической обработке утолщения для предотвращения захода в зону материала продольной балки 4, которая необходима для обеспечения ее прочности. После подгонки продольной балки 4 к окончательным размерам головного модуля 12 и после его установки, с нижней стороны продольной балки 4 выполняются отверстия в необходимых местах и в нужном количестве, которые входят в соединительные кромки боковых стенок 14 головного модуля и проходят через интегрированные в них усиливающие профили 18, которые согласно примеру выполнения, имеют U-образный профиль и расположены внутри слоистой структуры боковой стенки 14 головного модуля, состоящей из сердечника 15 и слоистых структур 16 и 17. В эти отверстия, согласны данному примеру выполнения, вставляют выполненные с возможностью установки с одной стороны глухие заклепки в виде крепежных средств 20 и затягивают их между внутренней поверхностью усиливающего профиля 18 и нижней стороной продольной балки 4, так что боковая сторона 14 головного модуля и рама 3 оказываются прочно и жестко соединенными друг с другом с силовым замыканием и предварительным натяжением. Форму и толщину усиливающего профиля 18 целесообразно выбирать так, чтобы при транспортировке и монтаже обеспечивалась устойчивость боковой стенки 14 головного модуля, а после установки крепежного элемента 20 как зажимные усилия, так и силы нагрузки передавались в осевом, поперечном и вертикальном направлениях с достаточным распределением по площади на волокнистый композитный материал боковой стенки 14 головного модуля.

Поскольку силы, подлежащие передаче между боковой стенкой 14 головного модуля и продольной балкой 4, могут передаваться за счет фрикционного замыкания, то диаметр отверстия можно выбирать достаточно большим. Если же место соединения должно быть предназначено для передачи усилий, которые могут быть переданы только за счет комбинации фрикционного замыкания и действия стенок отверстия, то диаметр отверстия должен иметь меньший допуск относительно диаметра стержня крепежного элемента 20.

Такое же выполнение в этом примере имеет место соединения (на фигуре не изображено) между передней стенкой 13 и рамой 3.

Для соединения головного модуля 12 в приблизительно вертикальной плоскости (которая может быть также наклонной, изогнутой и/или ступенчатой) с модулем 2 кузова вагона, боковая стенка 9 кузова вагона в этой зоне соединения имеет, как показано на фиг.3, внутреннюю соединительную перегородку 7 и наружную соединительную перегородку 8, между которыми вдвигают боковую стенку 14 головного модуля. Длина плеч обеих соединительных перегородок 7 и 8, расстояние между ними и упругость в поперечном направлении транспортного средства выбирают так, чтобы соединительная кромка боковой стенки 14 головного модуля, которая выполнена как единое целое с усиливающим профилем 19, охватывалась с геометрическим замыканием и учитывались отклонения ее размеров в продольном и поперечном направлениях транспортного средства. Через соединительные перегородки 7 и 8 и боковую стенку 14 головного модуля выполняют общие сквозные отверстия, в которые, согласно этому примеру выполнения, вставляют выполненные с возможностью установки с двух сторон и создающие силу затяжки болты со стягивающим кольцом в качестве крепежных элементов 21 и затягивают с опорой на усиливающий профиль 19. К диаметру этих сквозных отверстий относится, соответственно, сказанное относительно места соединения между боковой стенкой головного модуля и рамой. За счет такого выполнения места соединения в двух плоскостях боковая стенка 14 головного модуля и боковая стенка 9 кузова вагона оказываются соединенными с силовым замыканием и особенно жестко, причем крепежное средство 21 выполнено заподлицо с наружной перегородкой 8 и снаружи почти незаметно.

Место соединения между крышей 22 головного модуля и крышей 10 кузова вагона может быть выполнено таким же образом. Однако при достаточной прочности в зоне боковых стенок можно в модификации (не изображенной) изобретения выполнить это место соединения в виде обычного эластичного клеевого соединения 11, за счет чего можно легко выполнить дополнительную компенсацию производственных допусков в зоне крыши.

Для рельсового транспортного средства согласно изобретению, головной модуль которого должен быть выполнен несущим часть нагрузки, оказалось предпочтительным выполнять слоистую структуру передней стенки 13, боковой стенки 14 и крыши 22 головного модуля из сердечника 15, состоящего по меньшей мере из одного основного материала, а также из нанесенных с обеих сторон на сердечник 15 слоистых структур 16 и 17 из волокнистого композитного материала с ориентированными структурами волокон, и головной модуль 12 моноблочным способом. Особенно предпочтительно выполнять такой сердечник 15 из легкого материала, например, из легкого жесткого пенопласта. Если того требуют подлежащие передаче силы, то целесообразно вставить усиливающие профили 18 и 19 в соединительные кромки соответствующих частей головного модуля и заключить их между обеими слоистыми структурами 16 и 17. Однако возможны также другая форма, расположение и соединение усиливающих профилей 18 и 19 на соединительных кромках головного модуля 12: например, можно выполнить соединительную кромку боковой стенки 14 головного модуля в направлении боковой стенки 9 кузова вагона в виде открытой соединительной кромки, в которой частично удален материал сердечника и усиливающий профиль 19 только вдвинут, если подлежащие передаче силы могут передаваться в волокнистом композитном материале только с помощью фрикционного замыкания между усиленной усиливающим профилем 19 боковой стенкой 14 головного модуля и обеими соединительными перегородками 7 и 8 или с помощью боковых стенок отверстия. Оба усиливающих профиля могут быть изготовлены из легкого металла или из другого материала, если они выполнены так, что обеспечивается достаточная механическая прочность и длительная коррозионная устойчивость. Они могут проходить по всей длине соединительной кромки, а также состоять из отдельных смежных или установленных на расстоянии друг от друга частей.

Для места соединения между боковой стенкой 14 головного модуля и боковой стенкой 9 кузова вагона вместо усиливающего профиля 19 может быть предусмотрен также усиливающий профиль в виде усиливающего профиля 18 или полого профиля, а вместо сквозных отверстий и выполненных с возможностью установки с двух сторон крепежных элементов 21 могут быть предусмотрены выполняемые с двух сторон независимо друг от друга отверстия и выполненные с возможностью уcтановки с одной стороны крепежные элементы 20, которые проходят через боковые перегородки усиливающего профиля и представляют собой глухие заклепки.

В другой модификации изобретения предусмотрено, что по меньшей мере одна из соединительных перегородок 7 или 8 выполнена в виде отдельной детали, устанавливаемой отдельно на модуле кузова вагона. Для соединения модуля 2 кузова вагона и головного модуля 12 особенно предпочтительно выполнять и устанавливать отдельно наружную соединительную перегородку 8. Посредством изменения формы этой части можно изменять внешний вид рельсового транспортного средства.

При осуществлении этого решения целесообразно предусмотреть на кузове вагона вспомогательные монтажные элементы 25, расположенные на расстоянии друг от друга (фиг.3), в которые вставляют наружную соединительную перегородку 8 при ее установке и в которых она удерживается в монтажном положении без дополнительных вспомогательных средств за счет фрикционного замыкания или зацепления.

В другой модификации изобретения часть модуля кузова вагона, которая имеет внутреннюю и наружную соединительные перегородки 7 или 8, т.е. оконечный профиль 6 кузова вагона, который может быть выполнен в виде открытой или закрытой сварной конструкции, в частности, предпочтительно точно изготовленный в виде экструдированного профиля с полыми камерами из легкого металла и изогнутый в форме арки в соответствии с наружным контуром рельсового транспортного средства 1, устанавливают на раме 3. Такой профиль можно изготавливать с достаточной точностью и он является предпочтительным вспомогательным средством для согласования по размерам боковых стенок 9 кузова вагона и крыши 10 кузова вагона при предварительном изготовлении модуля 2 кузова вагона. Арочный оконечный профиль 6 кузова вагона, как показано на фиг.3, может быть опорой промежуточной стенки, которой заканчивается головной модуль.

В модификации этого решения боковая стенка 9 кузова вагона соединена с профилем 6 кузова вагона не непосредственно, а с помощью промежуточных профилей 23, 24 боковой стенки. Такие профили легче обрабатывать механически и подгонять под размеры, чем всю боковую стенку кузова вагона, так что несмотря на повышенные затраты на соединение, достигается быстрое и легкое согласование размеров. Профилю 24 боковой стенки можно придавать различную форму в соответствии с внешним видом рельсового транспортного средства.

Перечень позиций 1 Рельсовое транспортное средство 2 Модуль кузова вагона 3 Рама
4 Продольная балка
5 Средство, компенсирующее допуски по высоте
6 Оконечный профиль кузова вагона
7 Соединительная перегородка
8 Соединительная перегородка
9 Боковая стенка кузова вагона
10 Крыша кузова вагона
11 Клеевое соединение
12 Головной модуль
13 Передняя стенка головного модуля
14 Боковая стенка головного модуля
15 Сердечник
16 Слоистая структура
17 Слоистая структура
18 Усиливающий профиль
19 Усиливающий профиль
20 Крепежный элемент
21 Крепежный элемент
22 Крыша головного модуля
23 Профиль боковой стенки
24 Профиль боковой стенки
25 Вспомогательный монтажный элементи

Формула изобретения

1. Рельсовое транспортное средство, содержащее предварительно изготовленный и соединенный с рамой модуль кузова вагона и предварительно изготовленный головной модуль из волокнистого композитного материала, отличающееся тем, что обращенная в сторону головного модуля (12) соединительная зона рамы (3) выполнена со средством (5), компенсирующим допуски по высоте, обращенная в сторону головного модуля (12) соединительная зона модуля (2) кузова вагона выполнена по меньшей мере в зоне боковых стенок (9) кузова вагона в виде соединительной кромки со средствами (соединительная перегородка 7 и соединительная перегородка 8), компенсирующими допуски в продольном и поперечном направлениях, головной модуль (12) имеет обращенные к модулю (2) кузова вагона и к раме (3) соединительные кромки передней и боковых стенок (13, 14) головного модуля с включенными в волокнистый композитный материал усиливающими профилями (18, 19), передняя и боковые стенки (13, 14) головного модуля соединены жестко по отношению к сдвигу с рамой (3) с помощью крепежных элементов (20), создающих предварительное натяжение и опирающихся на усиливающие профили (18), и по меньшей мере боковые стенки (14) головного модуля соединены жестко по отношению к сдвигу с по меньшей мере боковыми стенками (9) кузова вагона с помощью крепежных элементов (21), создающих предварительное натяжение и опирающихся на усиливающие профили (19).

2. Транспортное средство по п. 1, отличающееся тем, что в зоне соединения головного модуля (12) и модуля (2) кузова вагона выполнено жесткое по отношению к сдвигу соединение только между боковой стенкой (9) кузова вагона и боковой стенкой (14) головного модуля и соединительные кромки крыши (10) кузова вагона и крыши (22) головного модуля выполнены с возможностью клеевого соединения и соединены друг с другом с помощью эластичного клеевого соединения (11).

3. Транспортное средство по п. 1 или 2, отличающееся тем, что волокнистый композитный материал головного модуля (12) является слоистым ламинатом, состоящим по меньшей мере из основного материала (сердечник 15) и по меньшей мере нанесенных с обеих сторон волокнистых композитных материалов (слоистые структуры 16 и 17) с ориентированными волоконными структурами.

4. Транспортное средство по любому из пп. 1-3, отличающееся тем, что усиливающие профили (18, 19) включены в волокнистый композитный материал головного модуля (12) и охвачены нанесенными с обеих сторон слоистыми структурами (16, 17).

5. Транспортное средство по любому из пп. 1-4, отличающееся тем, что усиливающие профили (18, 19) состоят из легкого металла.

6. Транспортное средство по любому из пп. 1-5, отличающееся тем, что средство (5), компенсирующее допуски по высоте, является утолщением материала, механически снимаемого с рамы (3).

7. Транспортное средство по любому из пп. 1-6, отличающееся тем, что имеющая соединительные перегородки (7 и 8) часть модуля (2) кузова вагона является оконечным профилем (6) кузова вагона.

8. Транспортное средство по п. 7, отличающееся тем, что оконечный профиль (6) кузова вагона является профилем с полыми камерами, согласованным с наружным контуром рельсового транспортного средства (1).

9. Транспортное средство по п. 8, отличающееся тем, что оконечный профиль (6) кузова вагона является экструдированным из легкого металла профилем с полыми камерами.

10. Транспортное средство по любому из пп. 7-9, отличающееся тем, что обращенная от головного модуля (12) часть профиля (6) кузова вагона выполнена с возможностью соединения с помощью средств (профиль 23 боковой стенки и профиль 24 боковой стенки), компенсирующих продольные и поперечные допуски.

11. Транспортное средство по любому из пп. 1-10, отличающееся тем, что по меньшей мере одна соединительная перегородка (8) выполнена в виде отдельной части с возможностью установки на модуле (2) кузова вагона.

12. Транспортное средство по п. 11, отличающееся тем, что вторая соединительная перегородка устанавливается и удерживается в положении соединения с помощью вспомогательных монтажных элементов (25).

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3