PL234325B1 - Absorber energii udarowej - Google Patents

Abstract

Absorber (1) energii udarowej zawiera dwie płyty ochronne (2, 3), pomiędzy którymi umieszczone są odkształcalne elementy dystansowe (4). Elementy dystansowe (4) mają zewnętrzny baryłkowaty kształt, przy czym przestrzeń pomiędzy płytami (2,3) korzystnie w postaci płyt kompozytowych wypełniona jest pianką strukturalną. Od wewnętrznej strony płyty (2, 3) absorbera mogą być pokryte warstwą elastomeru, w której osadzone są elementy dystansowe (4). Korzystnie elementy dystansowe (4) posiadają co najmniej jedno wydrążenie, w szczególności w postaci przelotowego otworu o zmiennej średnicy usytuowanego w osi pionowej elementu dystansowego (4) i zwężającego się ku obu swoim końcom.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest absorber energii udarowej, przeznaczony w szczególności do łagodzenia skutków uderzeń przedmiotów o znacznej energii kinetycznej. W szczególności absorber energii udarowej znajduje zastosowanie w zmniejszaniu skutków oddziaływań dynamicznych o dużych ekwiwalentach energetycznych, będących pochodnymi zjawisk natury, wynikiem eksplozji surowców naturalnych takich jak gaz, ropa naftowa, metan lub wywołane działalnością człowieka, zwłaszcza w przypadku nawozów sztucznych, pyłów zbożowych oraz węglowych czy też innych materiałów miotających czy fragmentujących.

Z opisu DE 3122367C1 znany jest absorber energii udarowej, wyposażony w dwie płyty ochronne, pomiędzy którymi umieszczone są elementy dystansowe. Przykładowo elementy dystansowe mają postać wielościanów ułożonych obok siebie i przypominających strukturę plastra miodu, albo postać walców. Przestrzeń wewnątrz elementów dystansowych oraz między elementami dystansowymi wypełniona jest cieczą lub materiałem stałym. Taka konstrukcja absorbera rozprasza energię podczas uderzenia w absorber dzięki zagęszczeniu wypełnienia i odkształcania elementów dystansowych.

Wynalazek dotyczy absorbera energii udarowej, który zawiera dwie płyty ochronne, pomiędzy którymi umieszczone są odkształcalne elementy dystansowe o osiach wzdłużnych prostopadłych do powierzchni płyt ochronnych. Istota wynalazku polega na tym, że elementy dystansowe mają zewnętrzny baryłkowaty kształt, przy czym przestrzeń pomiędzy płytami i elementami dystansowymi wypełniona jest pianką strukturalną.

Dzięki zastosowaniu elementów dystansowych o kształcie baryłki i wypełnieniu w postaci pianki strukturalnej uzyskuje się skuteczną absorbcję energii kinetycznej, niwelującą skutki siły uderze niowej. Baryłkowaty kształt elementów dystansowych wraz z zastosowaniem jako wypełnienia pianki strukturalnej zapewnia równomierne odkształcanie się całego układu i kumulowanie znacznej części energii przekazywanej podczas uderzenia w absorber, łagodząc tym samym skutki takiego uderzenia. W wyniku sukcesywnego przekazywania energii do kolejnych warstw, proces energetyczny zostaje rozciągnięty w czasie, a niekorzystnie działająca na chroniony obiekt lub człowieka amplituda siły ulega znacznemu osłabieniu. Energia jest zamieniana na pracę wywołując w pierwszym etapie odkształcania podatnych elementów i magazynowanie w nich energii - część jest rozpraszana na tarcie wewnętrzne w elastomerze i ciepło, natomiast w końcowym etapie, po ustaniu sił pochodnych działa nia energii udarowej, poprzez powrót odkształconych elementów do stanu wyjściowego oddanie pewnej pozostałej zmagazynowanej energii układowi. Sprężyste elementy elastomerowe pochłaniają energię udaru poprzez ich odkształcanie a sztywność absorbera jest regulowana ilością elastomerowych elementów dystansowych oraz pianką strukturalną.

Korzystnie od wewnętrznej strony płyty absorbera pokryte są warstwą elastomeru, w której osadzone są elementy dystansowe. Pozwala to, poza skutecznym osadzeniem elementów dystansowych pomiędzy płytami, na dodatkowe absorbowanie energii.

Dalszą korzyść osiąga się, gdy elementy dystansowe posiadają co najmniej jedno wydrążenie. Wówczas celowym jest, gdy wydrążenie ma postać przelotowego otworu o zmiennej średnicy usytuowanego w osi pionowej elementu dystansowego i zwężającego się ku obu swoim końcom. Taka konstrukcja wpływa szczególnie pozytywnie na równomierny rozkład sił w całym układzie i znacznie zwiększa możliwości absorpcyjne rozwiązania według wynalazku.

Wydrążenia w elementach dystansowych mogą być wypełnione dodatkowo pianką strukturalną, w tym poliuretanową, przez co można regulować sztywnością całego absorbera w zależności od indywidualnych potrzeb.

Stosunek długości największej średnicy wewnętrznej otworu do długości największej średnicy zewnętrznej elementu dystansowego mieści się korzystnie w przedziale od 0,45 do 0,55, najkorzystniej w przedziale od 0,5 do 0,52. Wysokość elementu dystansowego jest większa bądź równa największej średnicy zewnętrznej elementu dystansowego. Dzięki spełnieniu powyższych parametrów uzyskuje się pożądaną wysoką podatność sprężystą, przy zachowaniu sztywności absorbera.

Co najmniej jedna płyta ochronna jest płytą kompozytową. Zastosowanie jako płyt ochronnych płyt kompozytowych wpływa na niższą masę absorbera, co jest szczególnie pożądane ze względów użytkowych i produkcyjnych.

Korzystnie jako piankę strukturalną stosuje się piankę poliuretanową. Pianka strukturalna, w tym zwłaszcza poliuretanowa, jest lekka, co korzystnie wpływa na redukcję masę płyty ochronnej,

PL 234 325 B1 a poza tym zapewnia możliwość całkowitego wypełnienia wnętrza płyty pomiędzy elementami dystansowymi, przez co optymalizuje się skuteczność przekazywania energii pomiędzy poszczególnymi warstwami płyty.

Absorber ma korzystnie postać kasety, ze ściankami bocznymi zamykającymi wnętrze absorbera, co znacznie ułatwia montaż absorbera na chronionych przez niego przedmiotach i zabezpiecza jego wnętrze przed niepożądanymi ingerencjami lub negatywnym wpływem czynników zewnętrznych.

Wynalazek został bliżej przedstawiony na załączonym rysunku, na którym fig. 1 ilustruje w schematycznym widoku perspektywicznym dwie płyty ochronne absorbera z elementami dystansowymi podczas wytwarzania, bez widocznej wypełniającej pianki poliuretanowej, fig. 2 do fig. 7 - różne możliwe wykonania i usytuowania elementów dystansowych, fig. 8 - element dystansowy z przelotowym otworem o zmiennej średnicy w przekroju wzdłużnym, fig. 9 - kasetę absorbera w widoku perspektywicznym, fig. 10 - kasetę absorbera w widoku z góry z zaznaczonym schematycznie przykładowym rozmieszczeniem elementów dystansowych, zaś fig. 11 - przekrój wzdłużny przez element dystansowy pokazujący różne możliwe przebiegi ścianek otworu.

Absorber energii udarowej 1 zawiera dwie płyty ochronne 2 i 3. W szczególności najkorzystniej jest, gdy płyty ochronne 2 i 3 są płytami kompozytowymi, przykładowo płytami w postaci laminatów warstwowych wytworzonych w procesie prasowania na gorąco z tkanin z włókien szklanych, węglowych, aramidowych, polietylenowych, nylonowych lub w postaci płyt monolitycznych w których osnowa z żywic fenolowo-formaldehydowych lub poliestrowych jest zbrojona powyżej wskazanymi włóknami ciętymi. W szczególności przykładem takiej płyty kompozytowej jest tekstolit. Płyty kompozytowe charakteryzują się wysokimi parametrami odporności na ściskanie. Jednak ze względu na możliwość wykorzystania absorbera w różnych zastosowaniach zamiast jednej lub obydwóch płyt kompozytowych mogą być użyte płyty ze stopów aluminium, stalowe, a także układy mieszane. Grubości płyt 2, 3 mogą być jednakowe, na przykład dwie płyty o grubości 10 mm lub dwie płyty o grubości 15 mm, albo zróżnicowane - na przykład 10 mm i 15 mm.

Pomiędzy płytami 2, 3 umiejscowione są odkształcalne elementy dystansowe 4, wykonane przykładowo z elastomeru czyli materiału mającego zdolność do odwracalnej deformacji pod wpływem działania sił mechanicznych, z zachowaniem ciągłości jego struktury. Przykładowo można zastosować elastomer o twardości z zakresu 55:75°Sh A. Elementy dystansowe 4 mają zewnętrzny baryłkowaty kształt. Osie wzdłużne elementów dystansowych 4 są prostopadłe do powierzchni, płyt ochronnych 2, 3. Na fig. 1 przedstawiono schematyczny widok perspektywiczny na absorber 1 z widocznymi płytami 2 i 3 oraz baryłkowatymi, odkształcanymi elementami dystansowymi 4. Przestrzeń pomiędzy płytami 2, 3, czego ze względu na czytelność rysunku nie widać na fig. 1, oraz pomiędzy oddalonymi od siebie elementami dystansowymi 4 wypełniona jest pianką poliuretanową 5. Jako wypełnienie można stosować również inne pianki strukturalne, jak przykładowo piankę polimerową czy piankę ceramiczną.

Elementy dystansowe 4 winny być równomiernie rozłożone na powierzchni absorbera 1 w zależności od indywidualnych potrzeb. Najlepsze parametry w zakresie podatności sprężystej osiągnięto, gdy zagęszczenie elementów dystansowych mieści się w przedziale 50-80 elementów dystansowych na 1 m² powierzchni absorbera, najkorzystniej 60-70.

Elementy dystansowe 4 korzystnie posiadają co najmniej jedno wydrążenie, w szczególności w postaci przelotowego otworu 60 zmiennej średnicy d, d1, usytuowanego w osi pionowej tego elementu dystansowego 4. Średnica otworu 6 zwęża się w kierunku obydwóch końców elementu dystansowego 4. W szczególności średnica d jest największa w połowie wysokości H elementu dystansowego 4 i zwęża się w kierunku jego obydwóch końców tak, że w przekroju wzdłużnym zarys ścianki wewnątrz otworu 6 ma postać albo odcinków linii prostej albo odcinków łuku.

W przypadku zastosowania elastomeru bardzo podatnego na odkształcenia, przykładowo o twardości 30:55°Sh A, elementy dystansowe 4 mogą być lite, pozbawione wewnętrznego wydrążenia.

Ponadto otwory 6 mogą być, w celu regulacji sztywności absorbera, wypełnione pianką poliuretanową 8 lub innym lekkim i porowatym materiałem lepko-sprężystym, generalnie pianką strukturalną.

Dodatkowo od wewnętrznej strony płyty ochronne 2, 3 absorbera mogą być pokryte warstwą elastomeru 7, w której osadzone są elementy dystansowe 4.

Na kolejnych ilustracjach fig. 2 do fig. 7 przedstawiono różne wykonania elementów dystansowych 4 i ich wzajemnego usytuowania, w odniesieniu do płyt ochronnych 2 i 3, zgodnie z powyżej opisanymi alternatywnymi przykładami wykonania wynalazku.

PL 234 325 B1

I tak fig. 2 przedstawia wykonanie w którym płyty ochronne 2 i 3 od wewnętrznej strony są pokryte warstwą elastomeru 7. W warstwach tych osadzone są baryłkowate elementy dystansowe 4 z otworem 6. Przestrzeń pomiędzy płytami 2, 3 wypełniona jest pianką poliuretanową 5. Przelotowy, niewypełniony otwór 6 ma największą średnicę d w połowie wysokości H elementu dystansowego 4, która to średnica zmniejsza się w kierunku obydwóch końców elementu dystansowego 4. W przekroju wzdłużnym zarys ścianki wewnątrz otworu 6 ma postać albo odcinków linii prostej albo odcinków luku, co uwidoczniono na fig. 11 w ten sposób, że jedno z tych wykonań pokazano po lewej stronie osi wzdłużnej otworu a drugie - po prawej stronie tej osi. W szczególności po lewej stronie osi 0 pokazano wykonanie, w którym zarys ścianki B wewnątrz otworu 6 w przekroju wzdłużnym ma postać odcinków linii prostej. Po prawej stronie osi 0 pokazano wykonanie, w którym zarys ścianki A wewnątrz otworu 6 w przekroju wzdłużnym ma postać odcinka linii łukowej. Możliwe są również wykonania, w których zarys ścianki opisywany powyżej jest złożony i składa się z odcinków linii prostej i odcinków łuku, ale zawsze zbieżny ku końcom elementu dystansowego 4. Powyższe alternatywy w zakresie kształtu i przebiegu otworu 6 dotyczą wszystkich kolejnych wykonań przedstawionych w dalszej części opisu.

Fig. 3 przedstawia kolejne wykonanie, w którym pomiędzy płytami ochronnymi 2 i 3 osadzone są baryłkowate elementy dystansowe 4 z otworem 6. Przestrzeń pomiędzy płytami 2, 3, wypełniona jest pianką poliuretanową 5. Przelotowy, niewypełniony otwór 6 ma największą średnicę d w połowie wysokości H elementu dystansowego 4, która to średnica zmniejsza się w kierunku obydwóch końców elementu dystansowego 4.

Fig. 4 przedstawia wykonanie w którym płyty ochronne 2 i 3 od wewnętrznej strony są pokryte warstwą elastomeru 7. W warstwach tych osadzone są baryłkowate elementy dystansowe 4 z otworem 6. Przestrzeń pomiędzy płytami 2, 3, wypełniona jest pianką poliuretanową 5. Otwór 6 ma największą średnicę d w połowie wysokości H elementu dystansowego 4, która to średnica zmniejsza się w kierunku obydwóch końców elementu dystansowego 4. Otwór 6 wypełniony jest pianką poliuretanową 8 lub innym wypełnieniem opisanym powyżej.

Fig. 5 przedstawia kolejne wykonanie, w którym pomiędzy płytami ochronnymi 2 i 3 osadzone są baryłkowate elementy dystansowe 4 z otworem 6. Przestrzeń pomiędzy płytami 2, 3, wypełniona jest pianką poliuretanową 5. Otwór 6 ma największą średnicę d w połowie wysokości H elementu dystansowego 4, która to średnica zmniejsza się w kierunku obydwóch końców elementu dystansowego

4. Otwór 6 wypełniony jest pianką poliuretanową 8 lub innym wypełnieniem opisanym powyżej.

Fig. 6 przedstawia wykonanie w którym płyty ochronne 2 i 3 od wewnętrznej strony są pokryte warstwą elastomeru 7. W warstwach tych osadzone są lite baryłkowate elementy dystansowe 4. Przestrzeń pomiędzy płytami 2, 3, wypełniona jest pianką poliuretanową 5.

Fig. 7 przedstawia dalsze wykonanie, w którym pomiędzy płytami ochronnymi 2 i 3 osadzone są lite baryłkowate elementy dystansowe 4. Przestrzeń pomiędzy płytami 2, 3, wypełniona jest pianką poliuretanową 5.

W odniesieniu do wszystkich powyżej przedstawionych przykładów wykonania elementu dystansowego 4 z wzdłużnym otworem stosunek długości największej średnicy wewnętrznej d otworu 6 do długości największej średnicy zewnętrznej D elementu dystansowego 4 mieści się w przedziale od 0,45 do 0,55, najkorzystniej od 0,5 do 0,52.

Ponadto wysokość H elementu dystansowego 4 jest większa bądź równa największej średnicy zewnętrznej D elementu dystansowego 4.

Przykładowe wymiary elementu dystansowego 4:

- największa średnica wewnętrzna otworu 6 - d = 26 mm;

- największa średnica zewnętrzna elementu dystansowego 4 D = 50 mm;

- wysokość elementu dystansowego 4 - H = 52 mm;

- średnica otworu 6 u podstawy elementu dystansowego 4 d1 = 20 mm;

- średnica elementu dystansowego 4 w swojej podstawie D1 = 40 mm.

Na fig. 9 i fig. 10 przedstawiono absorber 1 w postaci kasety 9, w której ścianki boczne zamykają wnętrze absorbera 1. W takiej postaci absorber może być wkładem w przestrzeń wyznaczoną na chronionym obiekcie lub przedmiocie, pomiędzy dodatkowymi płytami ochronnymi. W zależności od indywidualnego przeznaczenia kaseta 9 może być wyposażona w różne uchwyty, wybrania, ścięcia i tym podobne, służące do mocowania kasety w dedykowanej przestrzeni, czego nie przedstawiono jednak na rysunku.

PL 234 325 B1

W najkorzystniejszym wykonaniu absorber 1 zbudowany jest z dwóch płyt kompozytowych 2, 3 pomiędzy którymi znajdują się baryłkowate odkształcalne elastomerowe elementy dystansowe 4 umieszczone w cienkiej warstwie elastomerowej 7 naniesionej na wewnętrzne strony płyt kompozyt owych 2, 3. Przestrzeń wewnątrz baryłkowatych elementów dystansowych 4 jest niewypełniona, zaś na zewnątrz elementów dystansowych 4 pomiędzy płytami kompozytowymi 2, 3 znajduje się wypełnienie w postaci pianki poliuretanowej 5. Absorber 1 ma postać zamkniętej kasety 9.

Poniżej przedstawiono opis mechanizmu absorbcji energii w absorberze według wynalazku w postaci kasety umieszczonej w przestrzeni wyznaczonej przez dodatkowe dwie blachy stalowe. Ciśnienie działa na spodnią blachę stalową. Blacha odkształca się naciskając na dolną płytę absorbera. Część energii kierowana jest na odkształcanie sprężysto-plastyczne tej blachy. Ponieważ absorber jest ściśle zabudowany w przestrzeni pomiędzy blachą dolną a górną to pęd: odkształca Inej dolnej blachy stalowej zostaje przekazany dolnej płycie kompozytowej, która naciska na elastomerowe baryłkowate elementy dystansowe oraz na piankowe wypełnienie absorbera. Zarówno elementy dystansowe jak i pianka odkształcają się sprężyście umożliwiając dalsze odkształcanie się płyt stalowej i kompozytowej oraz absorbowanie kolejnej część energii udaru. Im odkształcanie elementów dystansowych jest większe tym absorbcja energii jest większa. Część energii niezaabsorbowanej przez baryłki zostaje przekazana górnej płycie kompozytowej a ta z kolei przekazuje energię stalowej płycie górnej. Obie płyty również odkształcając się absorbują kolejną część energii. Z chwilą ustania ciśnienia, ustaje proces absorbcji energii udaru i odkształcania elementów układu. Część energii zabsorbowanej w baryłkach i piance zostaje zwrócona do układu, co powoduje zachowanie ścisłego wypełnienia przestrzeni pomiędzy blachami i znacznemu zmniejszeniu wartości odkształceń trwałych stalowych blach.

W zależności od ilości zastosowanych elastomerowych baryłkowatych elementów dystansowych, twardości tworzywa, zależności średnic d, d1, D, D1 oraz wysokości H można otrzymać absorbery o różnym stopniu pochłaniania energii udarowej, równoważnej wybuchowi od 1,0 do 10 kg TNT.

Claims (10)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Absorber energii udarowej, zawierający dwie płyty ochronne, pomiędzy którymi umieszczone są odkształcalne elementy dystansowe, o osiach wzdłużnych prostopadłych do powierzchni płyt ochronnych, znamienny tym, że elementy dystansowe (4) mają zewnętrzny baryłkowaty kształt, przy czym przestrzeń pomiędzy płytami (2, 3) i pomiędzy oddalonymi od siebie elementami dystansowymi (4) wypełniona jest pianką strukturalną (5).
2. 2. Absorber według zastrz. 1, znamienny tym, że od wewnętrznej strony płyty (2, 3) absorbera pokryte są warstwą elastomeru (7), w której osadzone są elementy dystansowe (4).
3. 3. Absorber według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że elementy dystansowe (4) posiadają co najmniej jedno wydrążenie.
4. 4. Absorber według zastrz. 3, znamienny tym, że wydrążenie ma postać przelotowego otworu (6) o zmiennej średnicy usytuowanego w osi pionowej elementu dystansowego (4) i zwężającego się ku obu swoim końcom.
5. 5. Absorber według zastrz. 3 albo 4, znamienny tym, że wydrążenia w elementach dystansowych wypełnione są pianką strukturalną, zwłaszcza pianką poliuretanową (8).
6. 6. Absorber według zastrz. 4 albo 5, znamienny tym, że stosunek długości największej średnicy wewnętrznej (d) otworu (6) do długości największej średnicy zewnętrznej (D) elementu dystansowego (4) mieści się w przedziale od 0,45 do 0,55, najkorzystniej od 0,5 do 0,52.
7. 7. Absorber według jednego z powyższych zastrzeżeń od 1 do 6, znamienny tym, że wysokość (H) elementu dystansowego (4) jest większa bądź równa największej średnicy zewnętrznej (D) elementu dystansowego (4).
8. 8. Absorber według jednego z powyższych zastrzeżeń, od 1 do 7, znamienny tym, że co najmniej jedna płyta ochronna (2, 3) jest płytą kompozytową.
9. 9. Absorber według jednego z powyższych zastrzeżeń od 1 do 8, znamienny tym, że pianka strukturalna (5) jest pianką poliuretanową.
10. 10. Absorber według jednego z powyższych zastrzeżeń od 1 do 9, znamienny tym, że ma postać kasety (9), ze ściankami bocznymi zamykającymi wnętrze absorbera (1).

    PL 234 325 Β1

    Rysunki

    PL 234 325 Β1

    PL 234 325 Β1

    Fig.5

    PL 234 325 Β1

    PL 234 325 Β1

    PL 234 325 Β1

    PL 234 325 Β1