Выбор параметров конструкционных амортизаторов аварийных продольных соударений скоростных поездов

Актуальность проблемы. Для современного развития пассажирского железнодорожного транспорта характерно создание высокоскоростных магистралей (ВСМ) и соответственно высокоскоростных поездов (ВСП). Об этом свидетельствует опыт высокоразвитых стран: Франции, Германии и Италии — в Европе, Японии — в Азии. В последние годы скоростные пассажирские перевозки стали осуществляться в Испании и Швеции.

Программа развития высокоскоростных пассажирских перевозок имеется и в России. В сентябре 1991 года вышел Указ Президента о строительстве первой в России высокоскоростной магистрали на участке Санкт-Петербург-Москва. В перспективе высокоскоростная магистраль соединит Санкт-Петербург-Выборг. Проектируется скоростная железная дорога Центр-Юг.

Российское акционерное общество «Высокоскоростные магистрали (РАО ВСМ) одновременно с началом строительства высокоскоростного участка пути приступило к проектированию высокоскоростного поезда «Сокол».

Пассажиры поезда будут проезжать участок Санкт-Петербург-Москва протяженностью в 654 км за 2,5 часа с коммерческой скоростью 250−300 км/час (конструкционная скорость высокоскоростного поезда «Сокол» — 350км/час).

Разработка высокоскоростного поезда на этапах эскизного и технического проектирования проводится с учетом требований по обеспечению безопасности пассажирских перевозок. Одной из наиболее сложных задач в этой проблеме является задача качественной и количественной оценок выбранного варианта высокоскоростного поезда с точки зрения определения степени выполнения в нем требований по безопасности.

Положительное решение в значительной мере зависит от корректного выбора критериев, методов и моделей анализа безопасности движения на высокоскоростных магистралях. От них, в конечном счете, зависит правильность выбора эффективных организационных и технических мероприятий на высокоскоростных магистралях по обеспечению безопасности высокоскоростного движения.

К числу самых опасных мест на высокоскоростных магистралях можно отнести: переезды, вход и выход высокоскоростного поезда со станционных путей, а также участки высокоскоростной магистрали, совпадающие с обычными железнодорожными линиями, где обращаются поезда других категорий.

Как показывает мировой опыт, для снижения уровня травматизма пассажиров и локомотивных бригад, а также уменьшения материального ущерба в условиях интенсивных аварийных нагрузок конструкция высокоскоростного поезда должна обеспечивать:

— повышенную динамическую прочность части конструкции вагона (зоны), в пределах которой находится пассажирский салон или кабина машиниста;

— поглощение энергии удара в носовой и тыльной частях головного вагона;

— поглощение энергии удара в прицепных вагонах в виде «жертвенных» купе или тамбуров;

— равенство механического сопротивления шасси и его корпуса.

Реализация указанных выше требований осуществляется путем оборудования вагонов жертвенными или поглощающими энергию удара элементами противоударной защиты. В целом же, обеспечение безопасности пассажиров и обслуживающего персонала решается по трем направлениям: создание систем безопасности на поезде, создание систем безопасности на пути и создание конструкционных элементов на вагонах.

Целью работы является разработка методики, позволяющей производить выбор параметров конструкционных амортизаторов аварийных продольных соударений, обеспечивающих безопасность пассажиров и обслуживающего персонала скоростных поездов при аварийных столкновениях.

Научная новизна диссертации заключается в следующем:

1. Разработана методика исследования и выбора параметров конструкционных устройств пассивной защиты скоростных пассажирских поездов на основе использования расчетных моделей трех уровней и расчет-но-экспериментальной оценки энергетического баланса аварийного соударения, позволяющей производить выбор параметров энергопоглощающих жертвенных элементов как поезда в целом, так и кузовов вагонов и его узлов.

2. Сформирована динамическая модель для расчетных исследований продольного соударения поезда в целом, с учетом нелинейного соединения вагонов и наличием в составе двух ступеней межвагонной аварийной амортизации.

3. Разработаны модели кузовов вагонов поезда для оценки влияния конструктивных параметров «жертвенных» частей на напряженно-деформированное состояние и устойчивость их конструкций при аварийных ситуациях, учитывающие конструктивные особенности и нелинейность деформирования материала.

4. Получены зависимости изменения параметров напряженно-деформированного состояния и устойчивости от линейных размеров и формы конструкционных жертвенных элементов, позволяющие выбирать рациональные значения их геометрических параметров. .

Практическая значимость работы.

Рекомендации, полученные в результате выполненных теоретико-экспериментальных исследований, были использованы при создании жертвенных частей головного и промежуточного вагонов высокоскоростного поезда «Сокол».

Разработанный комплекс расчетных моделей позволяет исследовать поведение вагонов скоростного поезда при аварийных ситуациях, формировать концепцию безопасности поезда, выбирать конструктивные схемы и параметры конструкционных амортизаторов аварийных продольных соударений, обеспечивающих безопасность пассажиров и обслуживающего персонала.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на научно-технических конференциях, в Днепропетровском институте инженеров транспорта (1996г.), в Петербургском Государственном университете путей сообщения (1996, 2001гг.), в Манчестерском Государственном университете (Манчестер, Англия, 1997 г.), на совместных научно-технических совещаниях, РАО «ВСМ», ЦКБ МТ «Рубин» и ЦНИИ им акад. А. Н. Крылова (1996; 2001 гг).

Результаты работы были использованы при разработке конструкции высокоскоростного электропоезда «Сокол». Также, результаты работы могут быть использованы при проектировании новых скоростных пассажирских поездов.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в пяти печатных работах, отдельные разделы теоретических и экспериментальных исследований приведены в четырех научных отчетах.

Структура и объем работы. Диссертация включает в себя введение, пять глав, заключение, приложения и изложена на 143 страницах машинописного текста.

Список используемых источников

насчитывает 100 наименований.

4.6 Выводы.

1. Разработанная методикаэкспериментальных исследований позволяет определить параметры пассивной безопасности устройств аварийной амортизации продольных соударений скоростных пассажирских поездов и разработать рекомендации по совершенствованию этих устройств.

2. Анализ результатов экспериментальных исследований конструкционных амортизаторов при квазистатическом сжатии выявил сценарий деформирования, определены максимальные действующие силы и посчитаны энергоемкости для каждого исследуемого жертвенного элемента, позволяющий разработать рекомендации по совершенствованию конструкции элементов.

3. Анализ результатов экспериментальных исследований конструкционных амортизаторов при динамическом нагружении позволил определить сценарий деформирования, максимальные действующие силы и энергоемкости для каждого исследуемого жертвенного элемента, позволивший отобрать два наиболее перспективных элемента для установки в конструкцию жертвенной части головного вагона.

4. Максимальные расхождения результатов эксперимента при квазистатическом и динамическом нагружениях конструкционных амортизаторов составили: на первом этапе по усилию — 58% (в среднем по элементам — 36%) — на первом этапе по энергоемкости — 87% (в среднем по элементам — 48%) — на втором этапе по усилию — 14% (в среднем по элементам — 6%) — на втором этапе по энергоемкости — 48% (в среднем по элементам — 22%).

5. Максимальные расхождения результатов эксперимента с данными расчета составили: на первом этапе по усилию — 16% (в среднем по элементам — 14%) — на первом этапе по энергоемкости — 11% (в среднем по элементам — 10%) — на втором этапе по усилию — 5% (в среднем по элементам — 4%") — на втором этапе по энергоемкости — 10% (в среднем по элементам — 8%).

6. Анализ результатов экспериментальных исследований несущей конструкции жертвенных частей позволил определить реальную величину продольной жесткости пассажирского салона и жертвенных частей, а также установить сценарий деформирования конструкций и позволил скорректировать исходные параметры для разработанной расчетной динамической модели скоростного поезда.

5 РАЗРАБОТКА РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО РЕАЛИЗАЦИИ ПАССИВНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ВЫСОКОСКОРОСТНОГО ПОЕЗДА «СОКОЛ».

По результатам проведенного комплекса теоретико-экспериментальных исследований динамики продольного аварийного соударения и выбора параметров конструкционных амортизаторов для обеспечения безопасности пассажиров и локомотивных бригад и сохранности салона пассажирских вагонов при аварийных столкновениях были разработаны рекомендации по реализации пассивной безопасности высокоскоростного поезда «Сокол», которые заключаются в следующем (поэтапно):

1. На основании результатов расчетных исследований жертвенных частей прицепных вагонов предложено использовать для поглощения энергии аварийного соударения специальные сотовые конструкции, расположенные под полом тамбура, которые могут быть использованы в качестве подкрепляющих и несущих частей обшивки пола либо стенок тамбура, или выполнять другие функции — например: емкостей для технической воды, багажных отделений и т. п., при этом были получены зависимости для выбора формы поперечного сечения и параметров сотовых конструкций.

2. В рассматриваемой конструкции жертвенных частей прицепных вагонов целесообразно использовать:

— вырезы в нижней несущей конструкции для уменьшения ее жесткости;

— элементы пола с периодической жесткостью для поглощения энергии удара за счет смятия и для повышения устойчивости конструкции при продольных нагрузках;

— сотовый наполнитель, расположенный в подтамбурной части и крыше, который помимо обеспечения демпфирования при невысоких продольных усилиях повысит устойчивость несущей конструкции.

3. Для повышения безопасности пассажиров и обслуживающего персонала при аварийных соударениях предлагается:

— пересмотреть концепцию размещения устройств пассивной безопасности в поезде, разместив жертвенные части только в первом, втором и, может быть, третьем вагонах от головы и хвоста поезда;

— применить более эффективный поглощающий аппарат в автосцепном устройстве с увеличенной энергоемкостью на базе эластомерных материалов по типу поглощающего аппарата грузовых вагонов 73ZW энергоемкостью не менее 130 кДж при ходе не менее 120 мм.

4. Для дальнейшего совершенствования систем пассивной безопасности скоростных поездов, предлагается:

— уточнить и принять в виде нормативов аварийные ситуации и критерии безопасности пассажиров и поездных бригад, без разработки которых невозможно оценить эффективность принятых решенийза первое приближение таких нормативов могут быть использованы критерии и аварийные ситуации, принятые в настоящей работе, при этом возможно использование критериев, полученных в смежных областях (авиация, космонавтика);

— оценить силы, действующие на пассажира, и его движение при аварийном соударении;

— изучить динамическое поведение материалов, это касается и алюминиевых сплавов, используемых в высокоскоростном поезде «Сокол», которые ведут себя по-разному в зависимости от состава, состояния и особенности характеристик предлагаемого аварийного амортизатора, использующего процесс срезки для поглощения энергии;

— продолжить работу по математическому моделированию аварийных соударений, дополнив его экспериментальным подходом, в виде большого количества неизвестных факторовпроведение сравнения испытаний на удар отдельных сборов кузова электропоезда «Сокол» с результатами моделирования позволит с большим доверием относиться к теоретическим результатам;

— оценить возможность автосцепных устройств воспринимать вертикальные усилия и тем самым противодействовать наползанию вагонов друг на друга, и если их способность окажется недостаточной — оборудовать межвагонные соединения дополнительными устройствами защиты от наползания.

5. По результатам проведенных экспериментальных исследований жертвенных элементов после первого этапа для конструкции ВСП «Сокол» предлагается:

— принять в качестве жертвенных элементов элементы в виде сотовых многорядных конструкций с необходимыми устройствами, предотвращающими их потерю устойчивости;

— провести статические и динамические экспериментальные исследования доработанных образцов в комплексе с устройствами, обеспечивающими их устойчивость для определения итоговых характеристик жертвенных частей.

6. Для оценки энергоемкости и других тгараметров сотовых конструкций аварийных амортизаторов на стадии проектирования рекомендуется использовать предложенную методику конечно-элементного расчетадополнительно необходимо выяснить причины расхождения: продольного усилия на начальном этапе деформирования в численном и натурном статическом эксперименте.

7. По результатам проведенных экспериментальных исследований жертвенных элементов для создания и совершенствования конструкции жертвенной части головного вагона электропоезда «Сокол» предлагается:

— принять в качестве основных жертвенные элементы №№ 14 и 16 в виде сотовых многорядных конструкций;

— провести статические и динамические экспериментальные исследования сборных жертвенных элементов для определения их итоговых характеристик;

— провести динамические исследования жертвенной части головного вагона электропоезда «Сокол», оборудованной жертвенными элементами, для определения ее итоговых характеристик и оценки эффективности в условиях, приближенных к реальному соударению.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Выполненный комплекс теоретических и экспериментальных исследований и выбора параметров жертвенных частей и элементов скоростного пассажирского поезда постоянного формирования позволил констатировать следующее.

1. Разработана методика исследования и выбора параметров конструкционных устройств пассивной защиты скоростных пассажирских поездов на основе использования расчетных моделей трех уровней и расчетно-экспериментальной оценки энергетического баланса аварийного соударения, позволяющей производить выбор параметров энергопоглощающих жертвенных элементов поезда в целом, несущей конструкции вагонов и специальных конструкционных устройств.

2. Сформирована нелинейная одномерная математическая модель скоростного поезда, позволяющая анализировать динамику и работу жертвенных частей скоростного поезда в течение длительного интервала времени при аварийном столкновении и выбирать рациональные параметры жертвенных частей.

3. Разработаны модели несущих конструкций вагонов поезда, используемые для оценки влияния конструктивных параметров жертвенных частей на напряженно-деформированное состояние и устойчивость их конструкций при аварийных ситуациях и учитывающие основные конструктивные особенности и нелинейность деформирования материала.

4. Проведен комплекс теоретических исследований, включающий в себя: исследования продольного соударения поезда в целом, с учетом нелинейного соединения вагонов и наличием в составе двух ступеней межвагонной аварийной амортизации, исследования несущей конструкции жертвенных частей прицепного и головного вагонов поезда и жертвенных элементов в составе этих конструкций для оценки влияния конструктивных их параметров на НДС и устойчивость при аварийных столкновениях, с учитывающие конструктивные особенности и нелинейности деформирования материала.

5. Выбраны рациональные параметры конструкционных жертвенных элементов: для прицепных вагонов — пятисекционная сотовая конструкция жертвенного элемента с толщиной обшивки 2,5 мм и длиной стороны 81 мм, а для головных вагонов — конструкция жертвенного элемента с правильными шестиугольными ячейками с толщиной листа ячейки 6 мм.

6. Проведен комплекс экспериментальных исследований, включающий в себя: экспериментальные исследования несущих конструкций жертвенных частей прицепного и головного вагонов при квазистатическом нагружении, экспериментальные исследования набора конструкционных жертвенных элементов при квазистатическом и динамическом нагружениях. При этом максимальные расхождения результатов эксперимента с данными расчета для конструкционных жертвенных элементов составили: на первом этапе экспериментальных исследований.

— по усилию — 16% (в среднем по элементам — 14%);

— по энергоемкости — 11% (в среднем по элементам — 10%) — на втором этапе экспериментальных исследований.

— по усилию — 5% (в среднем по элементам — 4%);

— по энергоемкости — 10% (в среднем по элементам — 8%).

7. Анализ результатов экспериментальных исследований несущей конструкции жертвенных частей позволил определить реальную величину продольной жесткости пассажирского салона и жертвенных частей, а также установить сценарий деформирования конструкций и позволил скорректировать исходные параметры для разработанной расчетной динамической модели скоростного поезда.

8. Выполненные по предложенной методике исследования и выбор параметров жертвенных частей скоростного пассажирского поезда показали, что предложенный алгоритм позволяет при минимальных вычислительных ресурсах ЭВМ достаточно точно определить требуемые параметры жертвенных частей и определить оптимальные параметры жертвенных элементов и разрабатывать рекомендации по совершенствованию конструкций.

9. Практическое использование разработанной методики исследований динамики продольного аварийного соударения и выбора параметров конструкционных амортизаторов способствовало созданию жертвенных частей головного и промежуточного вагонов высокоскоростного поезда «Сокол», что позволило повысить безопасность пассажиров и обслуживающего персонала при аварийных столкновениях.