Разработка конструктивных мер повышения пассивной безопасности отечественных пассажирских вагонов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Разработка конструктивных мер повышения пассивной безопасности отечественных пассажирских вагонов

В.В. Кобищанов, Д.Я. Антипин

Проведен анализ безопасности кузова отечественного пассажирского вагона при аварийных продольных соударениях. Предложены конструктивные решения по повышению его пассивной безопасности. Методами математического моделирования оценена эффективность предложенных мероприятий.

Ключевые слова: пассивная безопасность, пассажирский вагон, энергопоглощающий элемент, математическое моделирование, система безопасности, метод конечных элементов.

Современный этап развития железных дорог России характеризуется модернизацией технических средств, направленной на повышение скоростей движения и комфортабельности пассажирских перевозок при обеспечении безопасности движения. В соответствии со стратегией развития железнодорожного транспорта [1] до 2030 г. должно быть освоено производство скоростного и высокоскоростного подвижного состава, что позволит существенно улучшить транспортную систему России.

Внедрение подвижного состава нового поколения приводит к увеличению риска возникновения аварийных ситуаций, связанных с продольными столкновениями поездов с препятствиями на железнодорожном пути. При этом наиболее вероятными являются соударения на железнодорожных переездах, что особо актуально для железных дорог России, имеющих значительное число нерегулируемых переездов.

Применяемые в настоящее время на железнодорожном транспорте активные системы безопасности не позволяют в полной мере исключить возможность аварий, сопровождающихся травмированием и гибелью людей. В связи с этим при проектировании железнодорожного подвижного состава необходимо предусматривать системы пассивной безопасности, направленные на уменьшение тяжести последствий аварийных ситуаций.

Развитие международного железнодорожного пассажирского сообщения требует пересмотра нормативных документов по обеспечению безопасности перевозок. При этом эксплуатирующийся на европейских железных дорогах подвижной состав должен удовлетворять требованиям стандарта безопасности EN 15227:2008 [2], который предусматривает установку систем пассивной безопасности, позволяющих уменьшить возможные повреждения несущих конструкций транспортных средств при аварийных столкновениях.

При аварийных соударениях пассажирских поездов с препятствиями в концевых частях вагонов возникают большие пластические деформации, являющиеся следствием действия значительных динамических нагрузок. Анализ сценариев подобных аварийных соударений, произошедших в России и за рубежом, показал, что указанные динамические усилия возникают вследствие явления, названного подскоком вагона при соударении. Это явление заключается в подъеме консольной части вагона при соударении за счет разности уровня оси автосцепок и центра тяжести кузова вагона и обусловливается сжатием рессорного комплекта тележки, ближней к удару, и распрямлением комплекта второй тележки. Для исследования данного явления разработана динамическая упругопластическая конечноэлементная модель взаимодействия вагонов при аварийном соударении. Модель представляет собой упругую концевую часть кузова вагона-упора, повернутую на соответствующий угол и жестко закрепленную в пространстве по плоскости сечения, и упругий кузов накатываемого вагона (вагона-бойка) (рис. 1). На модель вагона-бойка в зонах скользунов наложены связи, ограничивающие перемещение только в вертикальном направлении. Каждому узлу расчетной схемы вагона-бойка придается начальная скорость 20 км/ч, направленная вдоль оси вагона в сторону упора.

Рис. 1. Расчетная схема соударения вагонов

Расчет конечноэлементной модели соударения выполнен в специализированном программном комплексе, реализующем явный метод интегрирования уравнений динамики упругого тела. При моделировании учтены геометрическая и физическая нелинейности материала. Моделирование проводилось до начала обратного хода вагона-бойка вследствие контактного взаимодействия с вагоном-упором. Время соударения составило 0,25 с. В процессе моделирования соударения регистрировались следующие величины: перемещения узлов, узловые скорости, узловые ускорения, узловые силы, эквивалентные напряжения, кинетическая энергия и энергия диссипации. В качестве примера на рис. 2 представлен график изменения кинетической энергии соударения вагонов во времени.

Рис. 2. График изменения кинетической энергии соударения вагонов

Явление подскока очень опасно, поскольку делает процесс соударения непредсказуемым. К негативным последствиям данного явления относятся разрушение элементов концевых частей вагонов, телескопический эффект, заключающийся во взаимном проникновении кузовов вагонов, сход вагона с рельсов вследствие отрыва тележки от рельсов и др. В связи с этим целью работы является разработка конструктивных решений по повышению пассивной безопасности кузовов отечественных пассажирских вагонов при соударениях.

Для исключения возможности подскока кузовов вагонов предлагается применить в их несущей конструкции противоподъемные устройства, что приведет к передаче динамических усилий при соударении от рамы одного вагона к раме другого. Для оценки эффективности данного мероприятия разработана модель соударения пассажирских вагонов, оборудованных противоподъемными устройствами, в которой концевая часть вагона-упора расположена горизонтально на одном уровне с кузовом вагона-бойка. Для реализации данной схемы соударения конечноэлементные модели кузовов были дополнены элементами, описывающими работу автосцепных устройств. Сопоставление результатов расчетов показало, что в случае применения противоподъемных устройств время, за которое гасится кинетическая энергия удара, возрастает в два раза [3]. Последствиями соударения вагонов, оборудованных противоподъемными устройствами, являются пластические деформации несущих элементов подкрепляющего набора рамы и потеря устойчивости тонкостенной обшивки кузова в области изменения поперечного сечения хребтовой балки. Однако применение противоподъемных устройств позволяет исключить явление наползания кузовов вагонов, что повышает их общую пассивную безопасность.

Для уменьшения негативных последствий продольного соударения вагонов, оборудованных противоподъемными устройствами, предлагается ввести в конструкцию кузовов дополнительные устройства безопасности, предназначенные для поглощения кинетической энергии соударения посредством пластической деформации. При этом должно обеспечиваться свободное перемещение кузовов навстречу друг другу, чему препятствует конструкция автосцепного устройства, применяемого на современных пассажирских вагонах (рис. 3 а). Для исключения данного эффекта разработана оригинальная конструктивная схема установки автосцепного оборудования, особенностью которой является возможность перемещения автосцепки внутрь рамы вагона, что обеспечивает восприятие продольных усилий соударения элементами системы пассивной безопасности, расположенными на кузове вагона. Автосцепное оборудование выполняется в едином блоке, устанавливаемом в раму вагона (рис. 3 б). Возможность смещения блока автосцепного оборудования обеспечивается за счет применения болтового соединения блока и рамы вагона, срезаемого при воздействии ударных нагрузок, превышающих нормативные значения.

безопасность кузов вагон аварийный

а) б)

Рис. 3. Схема консольной части рамы пассажирского вагона с установленным автосцепным оборудованием (настил пола условно не показан):

а - типовой конструкции; б - предлагаемой конструкции

Для поглощения кинетической энергии соударения железнодорожного подвижного состава с препятствием предлагается включить в конструкцию рамы вагона энергопоглощающий элемент, расположенный за блоком автосцепного устройства. Энергия будет поглощаться при действии на элемент сверхнормативных продольных усилий. При этом должна быть обеспечена возможность смещения блока автосцепного оборудования внутрь рамы вагона.

Для определения значения усилия среза болтов крепления блока автосцепного устройства была рассчитана конечноэлементная схема вагона в статической постановке. К вагону по осям сцепления автосцепок прикладывалось произвольное сжимающее усилие. Определялась величина напряжений в зоне крепления блока. Исходя из пропорции усилие-напряжения находилось максимальное значение силы, при котором уровень напряжений в рассматриваемой зоне достигает предела текучести материала. Перемножением результата на коэффициент запаса была определена величина критической нагрузки, при которой происходит одновременное разрушение связей во всех узлах соединения блока автосцепки с хребтовой балкой: Fкр=3,4 МН. Сила, при которой происходит разрушение болтов, равна

где n - количество болтов.

С учетом европейского опыта обеспечения безопасности пассажирских перевозок по инициативе ОАО «Российские железные дороги» был разработан нормативный документ, регламентирующий пассивную безопасность пассажирского подвижного состава, - «Технические требования к системе пассивной безопасности подвижного состава для пассажирских перевозок железных дорог колеи 1520 мм» [4],- в соответствии с которым все пассажирские вагоны должны быть оборудованы устройствами поглощения энергии (УПЭ). Предварительная оценка параметров УПЭ проводится в соответствии со сценарием столкновения, характеризующим условия, при которых происходит столкновение поезда с препятствием. Выделяют два сценария: сценарий 1 - аварийное столкновение на железнодорожном переезде с автомобилем; сценарий 2 - аварийное столкновение с грузовым вагоном.

Минимально необходимая суммарная энергоемкость всех размещенных на подвижном составе УПЭ определяется по формуле

(1)

где М1 - масса поезда; М2 - масса препятствия; V1 - скорость столкновения.

В качестве эталонного поезда, участвующего в сценариях столкновений, принимается состав, состоящий из локомотива и четырех пассажирских вагонов одной конструкции. В качестве локомотива эталонного состава поезда принимают четырехосный локомотив с нагрузкой на ось 19 т, имеющий жесткий кузов, снабженный автосцепными устройствами и поглощающими аппаратами, оснащенный УПЭ в каждой концевой части. Общая энергоемкость всех размещенных на пассажирском вагоне УПЭ (в сумме с энергоемкостью поглощающих аппаратов двух сцепных устройств) должна быть не менее 1/12 суммарной энергоемкости, вычисленной по формуле (1). Для проектирования выбирают наибольшие из полученных значений энергоемкости, соответствующих различным сценариям столкновений.

На основе анализа технических характеристик различных моделей пассажирских вагонов производства ОАО «Тверской вагоностроительный завод» проведен расчет потребной суммарной энергоемкости УПЭ системы пассивной безопасности (таблица). Анализ результатов показывает, что минимальная суммарная энергоемкость всех УПЭ, расположенных на пассажирском вагоне нового модельного ряда, должна быть не менее 268 кДж.

В соответствии с концепцией пассивной безопасности подвижного состава [4] должна обеспечиваться следующая последовательность срабатывания УПЭ: поглощающий аппарат автосцепного устройства; разрушаемые элементы сцепного устройства; устройства поглощения энергии.

Таблица

Расчет энергоемкости УПЭ пассажирского вагона

На современных пассажирских вагонах в конструкции автосцепного устройства применяются резинометаллические поглощающие аппараты Р-5П, имеющие ход 80 мм и обладающие энергоемкостью 40 кДж. Таким образом, суммарная энергоемкость УПЭ, расположенных на вагоне, должна составлять не менее 188 кДж.

Для определения возможного хода УПЭ проведен анализ столкновения пассажирских вагонов, показавший, что после полного сжатия поглощающего аппарата и начала смещения блока автосцепки до выбора зазоров в буферных устройствах имеется возможность обеспечения хода УПЭ 45 мм. Таким образом, при проектировании энергопоглощающего элемента необходимо обеспечить при указанном ходе энергоемкость не менее 94 кДж.

При проектировании конструкции УПЭ и выборе его рациональных параметров учтены ограничения по габаритным размерам и массе элемента, технологичности и стоимости его изготовления. В результате проведенных исследований разработана конструкция УПЭ, состоящая из пакета тонкостенных труб, помещенного в закрытый короб
(рис. 4 а). Эффективность энергопоглощения предложенного элемента оценена средствами математического моделирования на основе сформированной пластинчатой конечноэлементной модели (рис. 4 б). По результатам моделирования получен график зависимости энергоемкости УПЭ от его деформации (рис. 5).

Рис. 4. Конструкция разработанного энергопоглощающего элемента:

а - твердотельная модель; б - фрагмент конечноэлементной модели

Рис. 5. График зависимости энергоемкости элемента от его деформации

Анализ результатов моделирования показал, что за счет пластического деформирования разработанного УПЭ может быть поглощена кинетическая энергия порядка 120 кДж при деформации элемента 45 мм. Таким образом, при оборудовании пассажирского вагона предложенными УПЭ суммарная энергоемкость системы пассивной безопасности составит 320 кДж, что превышает потребную величину на 19%.

Предложенные конструктивные решения по повышению пассивной безопасности отечественных пассажирских вагонов в аварийных ситуациях позволят снизить риск травмирования пассажиров и членов поездных бригад, а также уменьшить повреждения подвижного состава при столкновениях.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Стратегия развития железнодорожного транспорта в РФ до 2030 г.: утв. распоряжением Правительства Рос. Федерации от 17.06.08 № 877-р.

2. EN 15227:2008. Railway applications - Crashworthmess requirements for railway vehicle bodies. - Brussel: European committee for standardization, 2008. - 37 p.

3. Расин, Д.Ю. Анализ влияния противоподъемного устройства на процесс продольного аварийного соударения пассажирских вагонов / Д.Ю. Расин // Тезисы докладов XX Международной интернет-конференции молодых ученых и студентов по проблемам машиноведения (МИКМУС-2008). - М.: Изд-во ИМАШ РАН, 2008. - С.79.

4. Технические требования к системе пассивной безопасности подвижного состава для пассажирских перевозок железных дорог колеи 1520 мм: утв. распоряжением ОАО «Российские железные дороги» от 20.12.11 №2740р.

Размещено на Allbest.ru