ITNA20100065A1 - UNIVERSAL ENERGY ABSORBER OF D "" IMPACT FOR RAILWAY VEHICLES - Google Patents

Description

DESCRIZIONE dell’invenzione avente per TITOLO: “ASSORBITORE UNIVERSALE DI ENERGIA D’IMPATTO PER VEICOLI FERROVIARI”, DESCRIPTION of the invention having the TITLE: "UNIVERSAL IMPACT ENERGY ABSORBER FOR RAILWAY VEHICLES",

DESCRIZIONE DESCRIPTION

La resistenza alla collisione dei veicoli ferroviari è migliorata notevolmente negli ultimi 30 anni. I requisiti di sicurezza passiva per l’incolumità dei passeggeri dei treni sono descritti nella norma europea EN 15227:2008+A1:2010 (Railway applications - Crashworthiness requirements for railway vehicle bodies), il cui obiettivo primario è ridurre le conseguenze degli incidenti da collisione. La norma descrive i requisiti di progetto della struttura di un veicolo ferroviario che sia in grado di resistere a certe condizioni d’urto, basate sulle più comuni tipologie di incidenti e relativi rischi. The collision resistance of rail vehicles has improved dramatically over the past 30 years. The passive safety requirements for the safety of train passengers are described in the European standard EN 15227: 2008 + A1: 2010 (Railway applications - Crashworthiness requirements for railway vehicle bodies), the primary objective of which is to reduce the consequences of collision accidents. . The standard describes the design requirements of the structure of a railway vehicle that is able to withstand certain crash conditions, based on the most common types of accidents and related risks.

Varie sono le strategie progettuali che portano a definire i singoli componenti e la loro distribuzione nella cabina di guida del veicolo che consentano di raggiungere lo scopo della norma. Ma tutte prevedono il posizionamento in corrispondenza di entrambe le estremità del treno di una coppia di dispositivi di assorbimento di energia, detti assorbitori, la cui funzione principale è quella di produrre una decelerazione del veicolo con gradiente controllato in caso di collisione, onde ridune l’energia d’impatto trasferita ai passeggeri. There are various design strategies that lead to the definition of the individual components and their distribution in the driver's cab of the vehicle that allow the purpose of the standard to be achieved. But all provide for the positioning at both ends of the train of a pair of energy absorption devices, called absorbers, whose main function is to produce a deceleration of the vehicle with a controlled gradient in the event of a collision, in order to reduce the impact energy transferred to passengers.

La scelta di un appropriato assorbitore si basa, sia sul comportamento del dispositivo durante l’impatto, nel tempo di reazione di pochi millisecondi, sia sui costi di riparazione del veicolo dopo l’impatto. Questo comporta che l’assorbitore venga mantenuto sempre nelle condizioni ottimali, con ispezioni e manutenzioni, e che le riparazioni dopo l’impatto si possano effettuare facilmente per consentire al veicolo di essere rimesso in servizio in tempi brevi. The choice of an appropriate absorber is based both on the behavior of the device during the impact, in the reaction time of a few milliseconds, and on the repair costs of the vehicle after the impact. This means that the absorber is always kept in optimal conditions, with inspections and maintenance, and that repairs after impact can be carried out easily to allow the vehicle to be put back into service in a short time.

La forma più comune di assorbitore è quella tubolare, a sezione circolare o quadrata, che collassa sotto un carico assiale per instabilità elastoplastica detta “a soffietto” o a “concertina”. Si tratta di un approccio relativamente semplice, largamente usato in molte applicazioni trasportistiche, che spaziano dal ferroviario all’aerospaziale. Sono noti in letteratura molti lavori che riportano i risultati di analisi agli elementi finiti (FEA) condotte per prevedere il collasso assiale di tubi in acciaio e/o leghe di alluminio, con eventuali accorgimenti geometrici per migliorarne la capacità di assorbire energia. The most common form of absorber is the tubular one, with a circular or square section, which collapses under an axial load due to elastoplastic instability called “bellows” or “concertina”. This is a relatively simple approach, widely used in many transport applications, ranging from rail to aerospace. Many works are known in the literature that report the results of finite element analyzes (FEA) conducted to predict the axial collapse of steel and / or aluminum alloy pipes, with possible geometric measures to improve their ability to absorb energy.

La quasi totalità di questi studi è concentrata sulla previsione dell’energia assorbita, della forza d’impatto e degli effetti, quali quelli prodotti dalla velocità d’impatto e dalla massa impattante, sull’andamento delle deformazioni nell’intera struttura dell’assorbitore. Quello che non è stato studiato a sufficienza è il comportamento dell’assorbitore di energia sotto l’azione di una forza impattante eccentricamente agente rispetto all’asse longitudinale dello stesso assorbitore. Eppure, la citata norma europea prevede uno scenario di impatto tra due veicoli simili con un offset verticale di 40 mm. Questo offset rappresenta la massima differenza di quota alla quale, secondo la norma, possono trovarsi gli assi degli assorbitori impattanti quando i relativi treni montano ruote diversamente usurate (nuova 0 molto usurata) e sono in due condizioni di carico opposte (minima 0 massima). Almost all of these studies are focused on predicting the absorbed energy, the impact force and the effects, such as those produced by the impact speed and the impacting mass, on the trend of deformations in the entire absorber structure. What has not been studied sufficiently is the behavior of the energy absorber under the action of an impacting force eccentrically acting with respect to the longitudinal axis of the absorber itself. Yet, the aforementioned European standard provides for an impact scenario between two similar vehicles with a vertical offset of 40 mm. This offset represents the maximum difference in altitude at which, according to the standard, the axes of the impact absorbers can be found when the relative trains are fitted with differently worn wheels (new or very worn) and are in two opposite load conditions (minimum 0 maximum).

Molti treni sono dotati di sistemi progettati per minimizzare l’effetto del disallineamento, quali per esempio blocchi di ghisa, guide inserite nei tubi o box frontali, oppure sistemi più sofisticati, che dissipano l’energia d’urto per mezzo del trafilamento di un fluido nel passaggio da una camera a un’altra. Ma tutte queste soluzioni devono confrontarsi con la crescente richiesta della riduzione delle masse, per consentire da un lato un maggior carico pagante e dall’altro un risparmio energetico maggiore. In quest’ottica, quindi, la possibilità di utilizzare un dispositivo che concilii la semplicità di realizzazione con l’affidabilità e la leggerezza costituisce un passo significativo verso la soluzione ottimale. Many trains are equipped with systems designed to minimize the effect of misalignment, such as cast iron blocks, guides inserted in the tubes or front boxes, or more sophisticated systems, which dissipate the impact energy by means of the leakage of a fluid. in the passage from one room to another. But all these solutions have to deal with the growing demand for mass reduction, to allow for a greater payload on the one hand and greater energy savings on the other. With this in mind, therefore, the possibility of using a device that reconciles simplicity of construction with reliability and lightness constitutes a significant step towards the optimal solution.

Scopo del presente brevetto per invenzione industriale è quello di fornire una soluzione semplice ed efficace al problema dell’assorbimento controllato dell’energia d’impatto, durante la collisione frontale di due treni, per qualsiasi disallineamento tra gli assorbitori impattanti, oppure nel corso dell’impatto di un treno contro un ostacolo. The purpose of the present patent for industrial invention is to provide a simple and effective solution to the problem of the controlled absorption of the impact energy, during the frontal collision of two trains, for any misalignment between the impact absorbers, or during the impact of a train against an obstacle.

L’idea di soluzione consiste nell’aver immaginato un dispositivo realizzabile, mediante semplici e modeste lavorazioni meccaniche, con tubolari commerciali e piastre piane in materiali convenzionali, e avente le seguenti caratteristiche: The idea of the solution consists in having imagined a device that can be made, through simple and modest mechanical processing, with commercial tubulars and flat plates in conventional materials, and having the following characteristics:

• può essere dimensionato per assorbire qualsiasi ammontare di energia d’impatto, • can be sized to absorb any amount of impact energy,

• ciascun elemento tubolare di cui è costituito non va in buckling laterale, perché, realizzando l’assorbitore in più stadi, si può portare il relativo rapporto di snellezza ad un valore comunque lontano da quello critico di buckling, • each tubular element of which it is made does not go into lateral buckling, because, by making the absorber in several stages, the relative slenderness ratio can be brought to a value that is however far from the critical buckling value,

• garantisce un assorbimento ottimale dell’energia d’impatto per qualsiasi valore dell’offset, essendo dotato di un sistema di guida delle piastre terminali, che ne impedisce qualsiasi rotazione relativa. • guarantees optimal absorption of impact energy for any offset value, being equipped with a guide system for the end plates, which prevents any relative rotation.

Il principio innovativo metodologico consiste nel ridurre al minimo i costi di realizzazione e di manutenzione degli assorbitori, in quanto la soluzione proposta NON richiede: - l’utilizzo di materiali e/o dispositivi speciali; - una particolare specifica manutenzione; - complesse procedure di dimensionamento. Inoltre, la possibilità che essa offre di assorbire sempre tutta l’energia di progetto, consente di prevedere e minimizzare i guasti che può subire la cabina del treno durante l’impatto e, di conseguenza, di programmare le modalità e i tempi di riparazione degli stessi guasti. La possibilità di sfruttare il citato brevetto riguardante un tipo di assorbitore strutturalmente semplice che si comporta in maniera ottimale in qualsiasi scenario di collisione di un treno con un altro treno o con qualsivoglia ostacolo, contribuisce non poco a snellire e a velocizzare la progettazione, la realizzazione e la riparazione, dopo l’impatto, della cabina del treno, con evidente vantaggio economico per tutti gli operatori del settore ed i fruitori dpi servizio di trasporto. The innovative methodological principle consists in minimizing the construction and maintenance costs of the absorbers, as the proposed solution DOES NOT require: - the use of special materials and / or devices; - a particular specific maintenance; - complex sizing procedures. Furthermore, the possibility that it offers to always absorb all the project energy, allows to foresee and minimize the breakdowns that the train cabin can undergo during the impact and, consequently, to program the methods and times of repair of the same. failures. The possibility of exploiting the aforementioned patent concerning a structurally simple type of absorber that behaves optimally in any scenario of collision of a train with another train or with any obstacle, contributes not a little to streamlining and speeding up the design, construction and the repair, after the impact, of the train cabin, with obvious economic advantages for all operators in the sector and users of the transport service.

Una possibile configurazione del sistema proposto è rappresentata nelle tavole allegate a scopo indicativo e non vincolativo. In esse è schematizzata la struttura nel suo insieme (tavola n. 1) e in vista esplosa (tavola n. 2). In quest’ultima, in particolare, sono evidenziate: - le aste delle crociere (01) del sistema che impedisce la rotazione della piastra frontale (02) rispetto a quella di base (03); -i tubi assorbitori (04) disposti in modo da realizzare due stadi di differente rigidezza; - il perno di collegamento delle crociere (05); - e le guide delle stesse crociere (06) vincolate alle piastre e dotate di asole nelle quali si possono muovere i perni di estremità delle aste delle crociere. La base di appoggio delle guide è realizzato con un piano inclinato parallelo all’asse delle asole, per facilitare l’apertura delle crociere nella fase iniziale dell’impatto. Inoltre, sui tubi sono praticati dei fori nelle zone in cui si vuole che si inneschi il fenomeno di instabilità a soffietto, per controllarne l’evoluzione, essendo legate a quest’ultima la quantità di energia assorbibile e la relativa regolarità di assorbimento durante l’impatto. A possible configuration of the proposed system is shown in the attached tables for indicative and non-binding purposes. In them the structure is schematized as a whole (table n. 1) and in an exploded view (table n. 2). In the latter, in particular, the following are highlighted: - the cross rods (01) of the system that prevents rotation of the front plate (02) with respect to the base plate (03); - the absorber tubes (04) arranged in such a way as to provide two stages of different stiffness; - the connecting pin of the crosses (05); - and the guides of the cross bars (06) fixed to the plates and equipped with slots in which the end pins of the cross bars can be moved. The support base of the guides is made with an inclined plane parallel to the axis of the slots, to facilitate the opening of the crosses in the initial phase of impact. Furthermore, holes are made on the pipes in the areas where the phenomenon of bellows instability is to be triggered, to control its evolution, as the quantity of absorbable energy and the relative regularity of absorption during the process are linked to the latter. impact.

La realizzazione proposta per l’idea di soluzione è quella che al momento appare la più idonea. Ad essa potranno essere comunque apportate variazioni formali e strutturali nell’ambito del medesimo concetto inventivo che resta definito dalle rivendicazioni che seguono. The implementation proposed for the solution idea is the one that currently appears to be the most suitable. However, formal and structural changes may be made to it within the scope of the same inventive concept that remains defined by the following claims.

Claims (5)

RIVENDICAZIONI dell’invenzione avente per TITOLO: “ASSORBITORE UNIVERSALE DI ENERGIA D’IMPATTO PER VEICOLI FERROVIARI”, RIVENDICAZIONI 1. Assorbitore universale di energia d’impatto per veicoli ferroviari caratterizzato dal fatto di prevedere lo spostamento parallelo della piastra frontale rispetto a quella di base durante la collisione di due treni o di un treno con un ostacolo, per qualsiasi disallineamento della direzione della forza impattante rispetto all’asse dell’assorbitore. CLAIMS of the invention having the TITLE: "UNIVERSAL IMPACT ENERGY ABSORBER FOR RAILWAY VEHICLES", CLAIMS 1. Universal impact energy absorber for railway vehicles characterized by providing for the parallel displacement of the front plate with respect to the base plate during the collision of two trains or a train with an obstacle, for any misalignment of the direction of the impacting force with respect to the absorber axis. 2. Assorbitore come e per lo scopo delle precedenti rivendicazioni caratterizzato dal fatto che la piastra mobile frontale è guidata durante l’impatto da un sistema antirotazione che la vincola alla piastra di base con vincoli scorrevoli unidirezionali. 2. Absorber as and for the purpose of the preceding claims characterized by the fact that the front movable plate is guided during the impact by an anti-rotation system which binds it to the base plate with unidirectional sliding constraints. 3. Assorbitore come e per lo scopo della precedente rivendicazione caratterizzato dal fatto che i tubi assorbitori di energia sono distribuiti in settori contigui coassiali aventi ciascuno una rigidezza allo schiacciamento diversa da quella degli altri settori, per una progressione programmata della loro deformazione e, quindi, dell’assorbimento dell’energia durante la collisione. 3. Absorber as and for the purpose of the preceding claim characterized in that the energy absorbing tubes are distributed in coaxial contiguous sectors each having a crushing stiffness different from that of the other sectors, for a programmed progression of their deformation and, therefore, absorption of energy during the collision. 4. Assorbitore come e per lo scopo delle precedenti rivendicazioni caratterizzato dal fatto che è dimensionabile per qualsiasi ammontare di energia da assorbire durante l’impatto ed è realizzabile con profilati commerciali di uso comune. 4. Absorber as and for the purpose of the preceding claims characterized in that it can be sized for any amount of energy to be absorbed during impact and can be made with commonly used commercial profiles. 5. Assorbitore come e per lo scopo delle precedenti rivendicazioni caratterizzato dal fatto di prevedere, per il suo collegamento all’assorbitore secondario o alla struttura portante da proteggere, l’utilizzo di bulloni commerciali, che lo rendono facilmente sostituibile dopo il collasso da impatto.5. Absorber as and for the purpose of the previous claims characterized by the fact of providing, for its connection to the secondary absorber or to the supporting structure to be protected, the use of commercial bolts, which make it easily replaceable after the collapse from impact.