Дорожные ограждения на основе упругопластических амортизаторов

Проблемы повышения безопасности эксплуатации транспортных средств являются актуальными для всего мира, что обусловлено в первую очередь необходимостью защиты жизни и здоровья людей. Совершенствование транспортных средств, повышение качества автомобильных дорог, а также правильная организация движения во многом уменьшают потенциальную возможность возникновения дорожно-транспортных происшествий. Однако аварийность на автомобильных дорогах продолжает оставаться очень высокой.
В результате специальных научных исследований выработаны основные положения, принципы и рекомендации по безопасности движения, но при этом необходимо отметить, что можно идеально организовать дорожное движение, создать совершенный автомобиль, свести к минимуму опасные участки дороги, ограничить на них скорость движения, но невозможно исключить человеческий фактор и неблагоприятные погодные условия. Как бы ни были совершенны системы активной безопасности, в случае непреодолимых обстоятельств, при невозможности предотвращения  дорожно-транспортного происшествия, требуется дополнительная система защиты - пассивная, находящаяся длительное время в режиме ожидания и сохраняющая при этом свои демпфирующие характеристики.

Процесс столкновения автомобиля происходит в течение десятых, а иногда - и сотых долей секунды. Энергия, которой обладает транспортное средство в момент столкновения, рассеиваемая в виде тепла при нормальном торможении за относительно длительный промежуток времени, при столкновении должна рассеяться за доли секунды. При этом действующие перегрузки не должны быть выше допустимых значений, что реализуемо при увеличении длительности удара. По существу, чем продолжительнее период замедления автомобиля, тем меньше инерционные нагрузки и, следовательно, меньше воздействующие усилия (рисунок 1).

Рисунок 1. Краш-тест автомобиля при столкновении с препятствием

Во всех странах широкое распространение получили дорожные ограждения. Однако при их установке часто не учитывается то, что сами по себе ограждения также являются препятствием, столкновение с которыми сопряжено с достаточно серьезной опасностью.
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 (рисунок 2).

Рисунок 2. Краш-тест жесткого препятствия при столкновении с автобусом

Существующее противоречие устраняется применением в дорожных ограждениях энергопоглощающих элементов. При столкновении с таким ограждением кинетическая энергия автомобиля расходуется на механическую работу деформирования энергопоглощающих элементов. При этом сводится к минимуму толчок в начальный момент удара, уменьшаются пиковые инерционные нагрузки, снижается темп нарастания величины замедления за счёт увеличения времени работы демпфирующей системы.
Разрабатываемые нами дорожные ограждения на основе упругопластических торсионов предназначены для защиты транспортных средств и их пассажиров при столкновении с преградой. Результат может быть использован при защите обочин дорог, деревьев, и других препятствий.
Предлагаются новые энергопоглощающие элементы, состоящие из основания, металлических, особым образом изогнутых прутков, отличающееся от известных тем, что изогнутые особым образом металлические прутки при ударном воздействии на закреплённый на них металлический профиль работают в области упругой и пластической деформации на кручение как торсион, что позволяет в 2-3 раза увеличить энергопоглощающую способность амортизатора (рисунок 3).

Рисунок 3. Схема работы энергопоглощающего элемента

На рисунке 4 представлен разработанный торсионный энергопоглощающий элемент, состоящий из двух частей (1,2), являющихся практически зеркальным отображением друг друга.

Рисунок 4. Энергопоглощающий элемент из двух торсионов

Составные части (рисунок 5), выполняются из отрезка металлического прута, участки которого последовательно изогнуты таким образом, что в каждой имеется три параллельных участка 3, являющиеся рабочими частями (пластическими торсионами), соединённые между собой раскосами 4, и два узла крепления 5.

Рисунок 5. Составная часть торсионного амортизатора

На рисунке 6 представлен макет модернизированного дорожного энергопоглощающего ограждения, а также показаны возможные варианты установки.

Рисунок 6. Макет энергопоглощающего ограждения

Воздействие внешней нагрузки на ограничительные элементы дорожного ограждения вызывает их перемещение и пластическое скручивание рабочих частей при котором происходит рассеивание энергии воздействия. В зависимости от установки торсионного энергопоглощающего элемента внешнее воздействие, скручивая рабочие части, может, как разводить раскосы 4 так и складывать их.
Общая величина энергопоглощения и ход амортизации торсионного энергопоглощающего элемента 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 торсионного энергопоглощающего элемента и термообработки.
Энергопоглощающее дорожное ограждение, состоящее из расположенных на заданном расстоянии опор (стоек) и ограничительных элементов в виде профилированных металлических полос, отличается тем, что в качестве узлов крепления ограничительных элементов к стойкам используются торсионные энергопоглощающие модули, состоящие из двух оснований, соединенных между собой торсионными энергопоглощающими элементами, выполняемыми из отрезка металлического прута.
Экспериментальные исследования торсионных энергопоглощающих элементов подтвердили высокую эффективность разработанных технических решений и правомочность использования разработанного метода расчета торсионных энергопоглощающих элементов.
Разработанные нами энергопоглощающие элементы будут выполнены из стального прутка, изогнутого специальным образом для обеспечения упруго-пластических свойств. Модернизация существующих дорожных ограждений не требует существенных изменений конструкций основных элементов дорожных ограждений.
Предлагаемое устройство позволяет увеличить энергоемкость дорожных ограждений, повышает безопасность пассажиров и перевозимых грузов при столкновении транспортного средства с дорожным ограждением, а также снижает причиняемый транспортному средству и дорожному ограждению ущерб.
Торсионные энергопоглощающие элементы обладают высокой технико–экономической эффективностью, обусловленной простотой и технологичностью конструкции, не требующей  технического обслуживания, оптимальной силовой характеристикой, независимостью демпфирующих свойств от скорости столкновения и температуры окружающей среды. При этом обеспечивается возможность многоразового использования энергопоглощающих и основных элементов дорожных ограждений, восстановление их демпфирующих характеристик после срабатывания, при проведении несложных ремонтных операций.

Валентина ВОЛОШИНА,
Виталий НЕЦВЕТ,
Василий ТИХОМИРОВ