ИССЛЕДОВАНИЕ  СИСТЕМЫ БЕЗОПАСНОСТИ ПАССАЖИРСКИХ ВАГОНОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ ЖЕРТВЕННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Багдасарян Тигран Тигранович

студент 4 курса, специальности Организация перевозок и управление движением на транспорте (по видам) ФГОУ СПО «Омский техникум железнодорожного транспорта» — филиал ОмГУПС, г .Омск.

E-mail: teiler@mail.ru

Агеева Марина Михайловна

научный руководитель, преподаватель 1-й квалификационной категории,  ФГОУ СПО «Омский техникум железнодорожного транспорта» — филиал ОмГУПС; г. Омск.  

Разработка разрушаемых устройств поглощения энергии удара как основных элементов системы пассивной безопасности пассажирских вагонов при аварийных соударениях с препятствиями является актуальной задачей, т.к. до настоящего времени такие устройства на отечественном железнодорожном подвижном составе не применялись. Требования к ним в действующих на железнодорожном транспорте Российской Федерации нормах безопасности не установлены.

Прогрессивное развитие транспортной системы России невозможно без стабильного функционирования железнодорожного транспорта. Для удовлетворения потребностей населения в перевозках все пассажирские вагоны должны иметь устройства, обеспечивающие безопасность движения поездов и максимально комфортные условия проезда пассажиров и обслуживающего персонала. Эксплуатирующийся пассажирский подвижной состав удовлетворяет основным требованиям безопасности железнодорожных перевозок.

Однако современные условия эксплуатации, связанные с увеличением пассажирооборота и скоростей движения пассажирских поездов, приводят к возникновению повышенных рисков для жизни и здоровья пассажиров при возникновении аварийных ситуаций. Аварийная ситуация на железной дороге может стать следствием многих причин, включая человеческий фактор, устранить которые в полном объеме невозможно. Наиболее опасными авариями являются продольные столкновения пассажирских поездов с железнодорожным подвижным составом и препятствиями на переездах. Данные ситуации отражают 99,2 % зарегистрированных случаев аварийных столкновений на железных дорогах России.

Современные тенденции мировой практики по повышению безопасности пассажирских перевозок, наряду с устранением возможных причин возникновения аварии и разработкой повышенных технических  требований безопасной эксплуатации пассажирских вагонов, направлены на усовершенствование их конструкций путем оборудования системой специализированных пассивных средств защиты в аварийных ситуациях. Основное их предназначение – уменьшить продольные силы, возникающие при столкновении поездов или наезде поезда на препятствие. Основными требованиями к защитным устройствам являются надежность, легкость, малый объем, простота замены при ремонте, а самое главное, высокая поглощающая способность при аварийном ударе с учетом эксплуатационных требований и габаритных ограничений. Последнее время в США и странах ЕС активно проводятся работы по созданию пассивных средств защиты пассажирских вагонов с целью повышения безопасности железнодорожного движения, предотвращения человеческих потерь и сокращения затрат на ликвидацию последствий аварии. Производство отечественных пассажирских вагонов до сих пор не предусматривало оборудование их средствами защиты от аварийных ударных нагрузок.

Однако, учитывая тенденции повышения скоростей движения пассажирских поездов, важной и актуальной задачей для России, на современном этапе, является разработка научно-обоснованных технических предложений по созданию эффективных конструкций защитных устройств и выбор их рациональных параметров.

В мировой практике, в качестве защитных устройств, предназначенных для поглощения кинетической энергии при аварийных соударениях железнодорожных экипажей, используются: сотовые элементы; снимаемые полые профили из гофрированных металлических листов; коробчатые конструкции; продавливаемые трубчатые структуры, в том числе заполненные вспененным материалом; стержневые перфорированные конструкции; пакеты последовательно установленных шайб убывающей толщины, разделенных прокладками; конструкции, содержащие набор стержней разной длины, которые растягиваются и последовательно обрываются при аварийном ударе; устройства, содержащие срезаемые при ударе детали.

Наибольший интерес среди производителей энергопоглощающих устройств получили жертвенные элементы, обладающие рядом преимуществ: простота конструкции, малый вес, низкая стоимость. Принцип действия жертвенных элементов основан на поглощении кинетической энергии соударяющихся масс при собственном пластическом деформировании.Опираясь на зарубежный опыт, в основу разработки пассивных средств защиты перспективных отечественных конструкций пассажирских вагонов целесообразно положить принцип максимального поглощения кинетической энергии удара за счет последовательного упругопластического деформирования и разрушения входящих в состав защитных устройств, так называемых жертвенных элементов, т. е. конструкций, которые намерено, приносятся в жертву при аварийных столкновениях. Они рассчитаны на разрушение при заданной сверхнормативной нагрузке, оставаясь неподвижными при эксплуатационных воздействиях. Особый интерес представляет использование жертвенных элементов коробчатого типа, устанавливаемых на раме вагона последовательно с буферами. Поглощение энергии аварийного удара происходит в результате потери устойчивости боковых стенок и целенаправленного упругопластического деформирования жертвенных конструкций коробчатого типа с дополнительными конструктивными элементами, предназначенными для создания управляемого процесса образования складок. Основным определяющим фактором при создании конструкции жертвенных элементов, является требование потери устойчивости стенок коробов и разрушения при заданных значениях аварийных продольных нагрузок. Величины этих продольных сил были определены в результате математического моделирования динамических процессов соударения пассажирского поезда с преградой. [1, с. 144] Установлено, что конструкция жертвенного элемента должна быть в состоянии воспринять нагрузку порядка 500кН и распределить ее на несущие элементы вагона. Далее при более высоких нагрузках, жертвенные элементы, должны терять устойчивость и пластически деформироваться до полного сплющивания. Использование таких жертвенных элементов позволит понизить уровень ускорений, действующих на пассажиров поезда, до допустимого значения 3gпри столкновении поезда с неподвижной преградой массой 100 т со скоростью 35 км/ч. [2, c. 79]

На основе выполненных теоретических исследований [3; 4]с помощью метода конечных элементов по выбору размеров поперечного сечения короба, его длины и толщины стенки из условия, чтобы напряжения местной потери устойчивости были как можно ближе к пределу текучести материала, разработаны опытные образцы жертвенных элементов для определения экспериментальным путем характера их деформирования и энергопоглощающих способностей при аварийных воздействиях.

Величины предельных усилий, воспринимаемых кузовом пассажирского вагона без пластического деформирования, определены на основе анализа напряженно-деформированного состояния несущей конструкции кузова методом конечных элементов. Для этого разработана детализированная пластинчато-стержневая конечно-элементная модель кузова вагона, особенностью которой является моделирование подкрепляющего набора кузова стержневыми элементами. Верификация конечно-элементной модели выполнена путем сопоставления данных натурных стендовых испытаний, проведенных ЗАО НО «Тверской институт вагоностроения», с результатами, полученными расчетным путем. Анализ результатов показал, что напряжения и деформации кузова, полученные расчетным путем, качественно и количественно близки результатам натурных статических испытаний. На основании этого можно сделать вывод об адекватности разработанной расчетной схемы и возможности ее применения для дальнейших исследований.

Анализ результатов расчетов, направленных на определение предельных усилий, воспринимаемых кузовом пассажирского вагона без пластического деформирования, показал, что максимальная величина усилий не превышает 3 МН. При действии на кузов вагона больших усилий наблюдается деформирование несущей конструкции тамбурной зоны, что приводит к исключению вагона из эксплуатации, а также может стать причиной травмирования и гибели пассажиров и обслуживающего персонала поезда.

Предварительная оценка параметров жертвенных элементов направлена на определение их геометрических и эксплуатационных характеристик, обеспечивающих максимальное энергопоглощение при возникновении аварийных ситуаций. Оценка параметров элементов проведена на основе анализа тестового сценария столкновения, при формировании которого в качестве типичных приняты следующие аварийные ситуации и виды препятствий: столкновение подвижного состава с мобильным транспортным средством на железнодорожном переезде; столкновение поезда с загруженным грузовым вагоном на железнодорожном пути.

Для пассажирских вагонов в качестве тестового принимается поезд в составе головного локомотива и четырех несамоходных вагонов. Предварительная оценка параметров системы пассивной безопасности проведена для пассажирского поезда, состоящего из локомотива ЧС-7 и четырех вагонов модели 61-4447 производства ОАО «Тверской вагоностроительный завод». Анализ результатов расчетов показал, что система пассивной безопасности пассажирского вагона должна обеспечивать минимальное сжатие жертвенных элементов 0,327 м при минимальной энергоемкости системы 2,73 МДж.

При определении геометрических параметров жертвенных элементов рассматривалось прохождение сцепа вагонов минимально допустимой кривой радиусом 120 м. Анализ результатов показал, что наиболее рациональным является расположение жертвенных элементов над переходной площадкой. Для повышения энергоемкости системы пассивной безопасности имеется возможность использования жертвенных элементов, устанавливаемых в раме пассажирского вагона.

Анализ возможности использования систем пассивной безопасности на отечественных пассажирских вагонах нового поколения показал, что их эффективной работе препятствуют элементы типового автосцепного устройства, конструкцией которого предусмотрено снижение продольных усилий на скоростях до 9 км/ч за счет установленного поглощающего аппарата. Однако при более высоких скоростях поглощающий аппарат полностью сжимается, в результате чего ударные усилия передаются жестко на раму вагона, что приводит к пластическому деформированию кузова пассажирского вагона. Для исключения данного эффекта предложена оригинальная конструктивная схема установки автосцепного оборудования, особенностью которой является возможность перемещения автосцепки внутрь рамы вагона за счет срезаемых болтовых соединений. Автосцепное оборудование собирается в едином блоке и устанавливается на этапе общей сборки рамы, что снижает трудоемкость работ по сравнению с действующей технологией. При превышении продольными усилиями величины 2,5 МН происходит срез болтовых соединений крепления блока автосцепного оборудования к раме вагона. При дальнейшем сближении вагонов происходит поглощение энергии удара за счет смятия жертвенных элементов, установленных над переходными площадками и в раме пассажирского вагона.

При разработке системы пассивной безопасности с учетом всех геометрических и эксплуатационных ограничений предложены варианты конструктивного исполнения жертвенных элементов. В качестве критерия выбора конструкции элементов и их параметров принят принцип недопущения в местах их установки возникновения усилий, приводящих к пластическому деформированию несущих элементов кузова.

Эффективность энергопоглощения предложенных вариантов оценена средствами математического моделирования на основе разработанных детализированных пластинчатых конечно-элементных моделей. В результате проведенных исследований определены уровни энергии, поглощенной за время удара, для каждого из предложенных вариантов, на основе анализа которых выбрана наиболее эффективная конструкция, максимально удовлетворяющая предъявляемым к ней требованиям.

На основании полученных данных разработана система пассивной безопасности пассажирского вагона, состоящая из жертвенных элементов, установленных над переходной площадкой и в раме кузова вагона. При этом суммарная энергоемкость системы составила 2,86 МДж, что превышает минимально допустимый уровень. Схема болтового крепления элементов обеспечивает минимальную трудоемкость их замены после аварийной ситуации, что позволяет выполнять данные операции на пунктах технического обслуживания вагонов.

Оценка эффективности разработанной системы пассивной безопасности пассажирских вагонов выполнена на основе математического моделирования столкновения тестового поезда с препятствием, реализуемого с использованием отечественного программного комплекса моделирования динамики систем тел «Универсальный механизм». При этом рассматривались два варианта тестового поезда: с пассажирскими вагонами, не оборудованными жертвенными элементами, и вагонами, оснащенными системой пассивной безопасности. [7]

Динамическая модель вагона состоит из твердотельной модели кузова, соединенного с двумя моделями тележек, представленными в виде подсистем. В расчетной схеме кузов вагона представляется в виде абсолютно твердого тела, обладающего шестью степенями свободы, с реальными инерционными и геометрическими характеристиками. Динамическая модель тележки представляет собой систему абсолютно твердых тел, связанных между собой силовыми элементами и шарнирами. Динамическая модель локомотива аналогична модели вагона; отличительной особенностью является создание тягового усилия за счет введения на каждую колесную пару локомотива специального вращающего момента. Силы сопротивления движению локомотива и вагонов учитываются. Динамическая модель автосцепного устройства представляет собой систему абсолютно твердых тел, взаимодействующих между собой с помощью вращательных шарниров и контактных элементов.

В разработанной динамической модели поезда тяговые усилия через динамические модели автосцепок передаются к вагонам поезда. Таким образом, реализуется реальная схема движения пассажирского состава.

Верификация динамической модели пассажирского поезда выполнена путем сопоставления данных натурных ходовых испытаний, проведенных ЗАО НО «Тверской институт вагоностроения», с результатами, полученными средствами математического моделирования. Сопоставление проводилось по значениям вертикальных ускорений кузова вагона, рамной силы и продольных усилий на автосцепном устройстве при маневровом соударении вагонов. Анализ показал, что результаты, получаемые с использованием разработанной динамической модели пассажирского поезда, близки результатам ходовых испытаний, что подтверждает ее адекватность. [5; c. 286]

Статистика аварийных ситуаций на железнодорожном транспорте показывает, что наиболее вероятными являются продольные соударения пассажирских поездов с автомобилями на переездах. В связи с этим, в соответствии с тестовым сценарием при моделировании столкновения поезда рассматривалось препятствие в виде грузового микроавтобуса, динамическая модель которого представлялась системой абсолютно твердых тел, связанных между собой силовыми элементами и шарнирами.

Для моделирования столкновения пассажирского поезда с препятствием в виде автомобиля использована оригинальная методика, позволяющая в рамках твердотельного моделирования учесть упругопластические свойства несущей конструкции кузова автомобиля путем введения между динамическими моделями локомотива и автомобиля специального упруго-диссипативного элемента. Отдельно моделировалось взаимодействие пневматических колес автомобиля с покрытием переезда и рельсошпальной решеткой с использованием каскада силовых контактных элементов.

В качестве критериев оценки эффективности разработанной системы пассивной безопасности приняты ускорения внутреннего оборудования пассажирского вагона, усилия, действующие на несущую конструкцию кузова, минимальные скорости столкновения, при которых происходит сход железнодорожного состава с рельсов. [6]

Результаты исследования показали, что применение предложенной системы пассивной безопасности позволяет:

• снизить на 21 % ускорения внутреннего оборудования вагона как фактора, косвенно оценивающего динамическое воздействие на пассажира;
• снизить усилия, действующие на несущую конструкцию, на 17 %, т. е. уменьшить степень деформирования кузова, а, следовательно, снизить вероятность повреждения пассажиров деформируемыми элементами кузова;
• повысить минимальные скорости столкновения, приводящие к сходу поезда с рельсов, на 32 %, т.е. снизить вероятность крушения поезда в результате столкновения с препятствием, как наиболее опасного сценария развития данной аварийной ситуации.

Таким образом, применение разработанной системы пассивной безопасности при столкновениях пассажирских поездов с препятствиями со скоростями до 30 км/ч позволит снизить травмирование пассажиров и предотвратить повреждения кузова, приводящие к исключению пассажирского вагона из эксплуатации. 

При этом в зависимости от величины энергии удара происходит частичное или полное разрушение элемента. Жертвенные элементы являются невосстанавливаемыми и подлежат утилизации после аварийной ситуации.

Таким образом, применение жертвенных элементов, как системы пассивной безопасности, при столкновениях пассажирских поездов с препятствиями, позволит снизить травмирование пассажиров и предотвратить повреждения кузова, приводящие к исключению пассажирского вагона из эксплуатации.

Список используемой литературы

1. Науменко Н. Е.Исследование эффективности использования защитных устройств, предназначенных для вагонов и локомотивов скоростных пассажирских поездов, в аварийных ситуациях / Н. Е. Науменко, И. Ю. Хижа, Е. Г. Богомаз // Техническая механика. — 2005. — № 1. — С. 144—150.
2. Науменко Н. Е.Оценка эффективности использования элементов защиты конструкций локомотивов и вагонов пассажирских поездов при аварийных соударениях / Н. Е. Науменко, И. Ю. Хижа, Е. Г. Богомаз, Д. В. Горобец // В> сник Дншропетровського нацюнального ушверситету зал1зничного транспорту 1м. В. Лазаряна — М., 2005 — Випуск 8. — С. 79—85.
3. Патентно-библиографический поиск и разработка предложений по созданию эффективных средств защиты железнодорожных транспортных конст­рукций от сверхнормативных ударных нагрузок: Отчет о НИР (промежу­точный) / ИТМ НАНУ и НКАУ; Руководитель НИР Г. Богомаз. — № ГР 0105Ш02521; Инв. № 110-07/2005. — М, 2005. — 59 с.
4. Разработка пространственных конечно-элементных и дискретно-массовых математических моделей и методик для исследования с помощью ПЭВМ динамической нагруженности и напряженно-деформированного состояния элементов транспортных при эксплуатационных и сверхнормативных воздействиях: Отчет о НИР (промежуточный) / ИТМ НАНУ и НКАУ; Руково­дитель НИР Г. Богомаз. — № ГР 0105Ш02521; Инв. № 75-07/2006. — М, 2006. — 77 с.
5. Рудаков К. Н. UGS Femap 9.3. Геометрическое и конечноэлементное моделирование конструкций. К., 2009. – 286 с.
6. Технические требования к системе пассивной безопасности подвижного состава для пассажирских перевозок железных дорог колеи 1520 мм. Утверждены ОАО «РЖД» 16.04.10.
7. «Универсальный механизм». Руководство пользователя, 2006.