Аварийная крэш-система электропоезда
EMERGENCY CRASH-SYSTEM OF THE ELECTRIC TRAIN

Изобретение относится к железнодорожному транспорту, точнее к многоэлементным системам пассивной безопасности для защиты пассажиров, электропоездов и иного моторвагонного состава при столкновениях.
В настоящем описании термины будут использоваться в следующем толковании:
- аварийная крэш-система: устройство железнодорожного подвижного состава, направленное на снижение риска травмирования пассажиров путем уменьшения ускорений при аварийном столкновении за счет поглощения кинетической энергии объектов аварийного столкновения с помощью необратимой деформации специальных деталей, далее называемых крэш-элементами;
- конструкционный рабочий ход: максимальный рабочий ход крэш-аппарата, допускаемый его конструкцией без повреждения или разрушения каких-либо элементов этой конструкции;
- крэш-аппарат: устройство для поглощения кинетической энергии аварийного столкновения подвижного состава за счет контролируемой необратимой деформации входящего в его состав крэш-элемента;
- начальное усилие деформации крэш-элемента - начальное усилие, по достижении которого начинается продавливание трубчатого крэш-элемента через фильеру крэш-аппарата;
- поглощающий аппарат: устройство для амортизации продольных усилий, действующих на подвижной состав в ходе штатной эксплуатации;
- рабочий ход крэш-аппаратов, а также поглощающих аппаратов: изменение линейных размеров аппарата от начала его деформации до уровня деформации, когда дальнейшее, даже относительно малое изменение его линейных размеров возможно только при резком возрастании осевой силы, приложенной к аппарату;
- сцепка - в данном описании синоним термина «сцепное устройство»;
- сцепное устройство: устанавливаемый на концевых частях единиц подвижного состава комплект сборочных единиц и деталей для их сцепления (механического соединения), передачи и амортизации продольных сил вне зависимости от того, является ли оно автосцепным или сцепным и каково конструктивное исполнение его непосредственно сопрягаемых головных частей (сцепок). Согласно ГОСТ 33434-2015 включает сцепку, поглощающий аппарат и устройство, передающее нагрузку на раму;
- энергоемкость крэш-аппарата: произведение начального усилия на длину конструкционного рабочего хода.
Известна аварийная крэш-система, предназначенная для рельсового транспорта, содержащая выполненные особым образом конструктивные элементы головной части вагона, установленное на ней буферное устройство и, по краям, силовые элементы в виде плит с горизонтальными ребрами, служащие для предотвращения наезда. Поглощение энергии удара о препятствие этой системой происходит вначале за счет деформации определенным образом выполненных конструктивных элементов передней части вагона и затем - срабатыванием буферных устройств [RU №2554920]. Недостатком системы является отсутствие буферных устройств, защищающих головной вагон от напора остальных вагонов поезда. Для электропоездов, содержащих много вагонов, такая система непригодна.
Известен также пассажирский электропоезд, включающий размещенные по краям состава головные моторные и, между ними, прицепные вагоны, кузова которых выполнены из алюминия, при этом головные моторные вагоны оснащены аварийной крэш-системой, содержащей крэш-аппараты с энергопоглощающими элементами (крэш-элементами) в виде цилиндрических управляемо-деформируемых деталей с суммарным энергопоглощением верхнего пояса, боковых крэш-элементов и автосцепки не менее 2 МДж. Межвагонных крэш-аппаратов и иных буферных устройств известный электропоезд не имеет, а наезд вагона на вагон предотвращается выполнением их тамбуров в виде особых «жертвенных» зон, разрушаемых в первую очередь, поглощая тем самым часть энергии столкновения [RU №2454340].
2
2
2
2
Наличие «жертвенных» зон означает, что после столкновения в капитальный ремонт придется отправлять не только крэш-элементы, но и все вагоны, весь состав. Суммарной энергоемкости системы в 2 МДж, возможно, и достаточно для вагонов с легким алюминиевым кузовом, но, как показывает опыт заявителя, этого недостаточно для обычных стальных вагонов, которые составляют и будут составлять в обозримом будущем подавляющее большинство в парке электропоездов России. Более того, сама по себе величина энергопоглощения еще не указывает на уровень безопасности. Для пассажиров решающее значение имеет не только и не столько величина энергопоглощения, сколько максимальная величина испытываемого ими отрицательного продольного ускорения, при превышении которым величины 50 м/с резко возрастает риск повреждения внутренних органов ударом о части скелета. Если при работе крэш-системы отрицательное ускорение половину времени составляло 25 м/с, а половину - 75 м/с, то хотя среднее значение ускорения не превысило безопасного предела, такую крэш-систему считать хорошей нельзя. При неудачном выборе параметров крэш-аппаратов и соотношения между ними величина отрицательного ускорения в отдельные отрезки времени по ходу торможения поезда, столкнувшегося с препятствием, может значительно превышать верхний безопасный предел в 50 м/с, хотя среднее значение ускорения его не превышает. Для грузовых вагонов, перевозящих массовые грузы, этот недостаток может не иметь большого значения, но для пассажирских электропоездов он очень серьезен.
Известны по меньшей мере три конструктивных решения крэш-аппаратов с энергопоглощающими элементами (крэш-элементами), выполненными в виде цилиндрических управляемо-деформируемых деталей:
- крэш-аппараты, в которых энергия столкновения поглощается за счет съема стружки с крэш-элемента, продавливаемого через набор резцов (например, RU №№2473639, 2559870);
- крэш-аппараты, в которых энергия столкновения поглощается посредством раздачи толстостенной трубы, вдавливаемой в нее оправкой (например, RU №№2359853, 2462381);
- крэш-аппараты, в которых энергия столкновения поглощается посредством деформации крэш-элемента, продавливаемого с уменьшением диаметра (редуцируемого) через матрицу [RU №2253583]. В уровне техники матрицу иногда не вполне корректно называют фильерой, хотя это название относится к технике волочения, а не редуцирования.
Силовые характеристики этих крэш-аппаратов, их стоимость и надежность существенно различны. Поэтому технические решения аварийной крэш-системы должны быть привязаны как к виду подвижного состава, для которого они создаются, так и к конкретной разновидности крэш-аппарата, который в них используется.
Наиболее близким к предложенной по технической сущности и достигаемому результату является аварийная крэш-система рельсового транспортного средства, содержащая на каждом головном вагоне головной центральный крэш-аппарат, расположенный внутри хребтовой балки, сопряженное с ним головное автосцепное устройство, два головных боковых крэш-аппарата и межвагонные сцепные устройства, сопряженные с крэш-элементом, установленным на концевой части укороченной хребтовой балки рамы и соединенным с поглощающим элементом сцепного устройства [RU №2528529].
Недостаток известной системы состоит в том, что она не обеспечивает последовательность срабатывания входящих в нее элементов и постоянство отрицательного продольного ускорения, которые минимизировали бы последствия столкновения. Технические решения, направленные на достижение этих целей, в известном устройстве отсутствуют, поскольку заявлен набор крэш-аппаратов для некоего абстрактного рельсового транспортного средства, тогда как назначение, состав поезда, тяговый аппарат, конструктивное исполнение кузова вагонов имеют решающее значение для выбора основных параметров и соотношения между ними для всех образующих систему крэш-аппаратов.
Задачей, решаемой предложенным изобретением, является минимизация повреждения электропоезда и снижение травматизма пассажиров, за счет повышения равномерности отрицательного ускорения электропоезда при аварийном столкновении.
Техническим результатом от использования предложенного изобретения является минимизация повреждения вагонов электропоезда и повышение безопасности пассажиров за счет снижения травматизма, вызванного чрезмерными отрицательными ускорениями.
Указанный результат достигается за счет того, что в известной аварийной крэш-системе, включающей автосцепное устройство головного вагона, головной центральный, два головных боковых и концевые вагонные крэш-аппараты, каждый из крэш-аппаратов содержит редуцируемый продавливанием через матрицу крэш-элемент, выполненный в виде трубы, при этом конструкционный рабочий ход головного центрального крэш-аппарата превышает конструкционный рабочий ход бокового крэш-аппарата на (0,4…0,9) м, начальное усилие деформации головного центрального крэш-аппарата составляет (1,8…2,2) начального усилия деформации бокового крэш-аппарата, начальное усилие деформации концевых вагонных крэш-аппаратов составляет (1,1…1,3) удвоенного начального усилия деформации бокового крэш-элемента, а суммарная энергоемкость головных крэш-аппаратов по меньшей мере вдвое превосходит суммарную энергоемкость концевых вагонных крэш-аппаратов.
Кроме того, по меньшей мере, часть трубы крэш-элемента, по меньшей мере, головного центрального крэш-аппарата выполнена с переменной площадью поперечного сечения.
Кроме того, по меньшей мере, часть трубы крэш-элемента, по меньшей мере, головного центрального крэш-аппарата выполнена с переменным диаметром.
Кроме того, поверхность трубы состоит из двух участков: цилиндрического, ближайшего к матрице, и усеченного конического с уменьшающимся от матрицы диаметром.
Благодаря использованию в предложенной крэш-системе крэш-элементов, выполненных в виде трубы, вставленной в фильеру, уменьшаются повреждения вагонов поезда и снижается травматизм пассажиров, вызванный чрезмерными ускорениями в момент столкновения, повышается безопасность аварийного столкновения для пассажиров за счет уменьшения перепадов и скачков отрицательного ускорения на всем протяжении рабочего хода до безопасного для пассажиров уровня.
Этот же технический результат достигается благодаря использованию крэш-аппаратов, рабочие ходы, усилия и соотношения энергоемкостей которых находятся в заявленных пределах.
Выполнение крэш-элементов
Существо предложения поясняется чертежами.
На фиг. 1 изображена предложенная крэш-система электропоезда в плане.
На фиг. 2 изображен боковой (в качестве примера) крэш-аппарат с редуцированием трубчатого крэш-элемента продавливанием через матрицу.
На фиг. 3 изображен крэш-аппарат с крэш-элементом.
Предложенная система (фиг. 1) установлена на головном 1 и прицепных 2 вагонах электропоезда и включает головной центральный крэш-аппарат 3, соединенный с пассажирским сцепным устройством 4, головные боковые крэш-аппараты 5 с установленными на их концах ребристыми ударными (противоподъемными) плитами 6 и межвагонные крэш-аппараты 7, взаимодействующие с межвагонными беззазорными сцепными устройствами 8.
В предложенной системе использованы крэш-аппараты, в которых энергия столкновения поглощается продавливанием крэш-элемента 9, выполненного в виде толстостенной трубы, через матрицу 10 из закаленной стали (фиг. 2). В предложенной системе использованы крэш-аппараты только такой конструкции. Между собой они различаются усилием продавливания и длиной рабочего хода.
В ходе сравнительных испытаний цилиндрических крэш-элементов указанных в описании второго аналога разновидностей было установлено, что наиболее подходящими для решения поставленной задачи характеристиками при минимальной стоимости обладают крэш-аппараты с продавливанием крэш-элемента через матрицу. Крэш-аппараты с резцами дороги и имеют нестабильные характеристики, а крэш-аппараты с раздачей трубы оправкой ненадежны в условиях низких температур. Поэтому указанные ниже данные по рабочим ходам и усилиям деформации относятся именно и только к крэш-системе, оснащенной крэш-элементами этого вида.
Матрица 10 выполнена в виде пластины, втулки или диска с коническим отверстием, диаметр которого меньше диаметра трубы крэш-элемента, и установлена в плите 11, опирающейся на опору, закрепленную на раме 12, или в хребтовой балке 13 головного 1 или хребтовой балке 14 прицепного вагона 2.
Передний конец головного центрального крэш-аппарата 3 скреплен с поглощающим аппаратом 15 пассажирского сцепного устройства 4, головная часть 16 которого преимущественно имеет стандартный (по ГОСТ 21477-75) контур зацепления. Длина рабочего хода поглощающего аппарата 15 стандартная, по ГОСТ 32913-2014 для пассажирских сцепных устройств, и составляет (0,07…0,08) м.
Головные боковые крэш-аппараты 5 установлены на раме 12 или на выступающих вперед и скрепленных с нею лобовых консолях 17 симметрично по обе стороны от центрального крэш-аппарата. В уровне техники они иногда называются крэш-буферами.
Вагоны соединены между собой посредством межвагонных беззазорных сцепных устройств 8, включающих поглощающие аппараты 18. Хвостовая часть (тяговый узел) межвагонных сцепных устройств 8 упирается в межвагонные крэш-аппараты 7, установленные в хребтовых балках 13 или 14. Там же, в хребтовых балках, расположена большая часть межвагонных сцепных устройств 8.
При этом конструкционный рабочий ход головного центрального крэш-аппарата 3 на (0,4…0,8) м больше конструкционного рабочего хода бокового креш-аппарата 5. Начальное усилие деформации крэш-аппарата 3 составляет (1,8…2,2) начального усилия деформации крэш-аппарата 5, а начальное усилие деформации межвагонных крэш-аппаратов 7 составляет (1,1…1,3) удвоенного начального усилия деформации бокового крэш-аппарата. Кроме того, суммарная энергоемкость головных крэш-аппаратов 3 и 5 по меньшей мере вдвое превосходит суммарную энергоемкость межвагонных крэш-аппаратов 7. Числовые значения рабочих ходов, усилий деформации и энергоемкостей крэш-аппаратов при разработке конкретного электропоезда определяются расчетным путем исходя из его массы, прочностных характеристик и пассажировместимости. Но соотношения между ними должны соответствовать вышеуказанным. При этом для достижения заявленного технического результата должны выполняться указанные выше соотношения указанных величин.
Для управления зависимостью усилия крэш-аппарата от пути, пройденного крэш-элементом 9 через матрицу 10, труба крэш-элемента может быть выполнена с переменным наружным диаметром по крайней мере на одном из участков. На фиг. 3 показан вариант исполнения крэш-аппарата, в котором труба крэш-элемента имеет начальный рабочий цилиндрический участок 19, за которым следует участок 20, наружная поверхность которого имеет вид усеченного конуса, обращенного большим основанием в сторону матрицы. Вследствие уменьшения толщины стенок трубы на коническом участке усилие продавливания через матрицу снижается по сравнению с усилием на цилиндрическом участке. Как установлено экспериментально, при постоянном внутреннем диаметре трубы зависимость усилия от ее наружного диаметра при входе в матрицу носит нелинейный характер. В первом приближении усилие спадает пропорционально квадрату уменьшения диаметра, хотя из-за нагрева этот спад даже больше.
Энергоемкость поглощающих аппаратов 15 и 18, соответствующая требованиям ГОСТ 32913-2014, не превышает 3…4% от суммарной энергоемкости крэш-аппаратов и потому ее отклонение в ту или иную сторону, связанное с выбором конкретного типа аппарата, не влияет на достижение заявленного технического результата и в настоящем изобретении не принимается во внимание.
Работает предложенная крэш-система следующим образом.
Первой во взаимодействие с препятствием вступает головная часть 16 пассажирского сцепного устройства 4. ГОСТом 32410-2013 установлены два типичных сценария столкновения, на которые должны рассчитываться крэш-системы. По первому сценарию головная часть ударяется со скоростью 72 км/ч в стоящий на переезде автомобиль массой 10 т. По второму сценарию она со скоростью 36 км/ч входит в зацепление со автосцепным устройством грузового вагона массой 80 т, оказавшегося на пути.
В первом случае начальное давление головной части 16 на кузов автомобиля определяется преимущественно сопротивлением поглощающего аппарата 15. Характерное для поглощающих аппаратов известных пассажирских сцепных устройств усилие деформации по мере их сжатия возрастает от (0,025…0,080) МН до (1,5…2) МН, то есть до (150…250) тс. По стандартному сценарию масса автомобиля должна составлять 10 т. Кузова автомобилей такой массы не могут выдержать указанного усилия, и головная часть 16 из-за клиновидной формы и сравнительно небольшой площади проникает в автомобиль еще при усилии, недостаточном для начала работы крэш-аппарата 3. В этом случае плиты 6 боковых крэш-аппаратов 5 входят в контакт с автомобилем практически сразу и основная доля поглощаемой энергии приходится на них. Возможности энергопоглощения головного центрального крэш-аппарата 3 могут остаться недоиспользованными или вовсе неиспользованными, и потому энергопоглощающая способность боковых крэш-аппаратов должна быть достаточной и без учета центрального крэш-аппарата.
В случае столкновения электропоезда с одиночным вагоном, наоборот, основная часть энергии поглощается центральным крэш-аппаратом 3, который первым начинает взаимодействие в препятствием, тогда как плитам 6 боковых крэш-аппаратов 5 требуется пройти путь, как минимум равный расстоянию от оси автосцепки вагона-препятствия до его рамы. Поэтому конструкционный рабочий ход крэш-аппарата 3 должен превышать таковой у крэш-аппарата 5 по меньшей мере на 0,4 м. В то же время нет необходимости, чтобы это превышение было больше 0,9 м, поскольку усилие деформации крэш-элемента при длинных ходах существенно падает из-за его нагрева и, кроме того, растут масса и стоимость крэш-аппарата, возникают трудности с его размещением.
В момент соударения плит 6 с рамой вагона-препятствия к усилию деформации крэш-аппарата 3 добавляются усилия деформации крэш-аппаратов 5. Возникающее противоречие между желанием поглотить больше энергии сразу крэш-аппаратом 3 и желанием снизить величину скачкообразного увеличения отрицательного ускорения электропоезда в момент начала работы крэш-аппаратов 5 разрешается тем, что в предложенной системе использованы крэш-аппараты с продавливанием крэш-элемента через матрицу. Как установлено рядом испытаний, в конце такого пути усилие вдавливания, определяемое материалом, толщиной стенки и диаметром трубы крэш-элемента 9, существенно снижается из-за нагрева, поскольку в конечном счете вся энергия столкновения обращается в тепло. По мере дальнейшего продвижения усилие снижается еще больше, что способствует уменьшению отрицательного ускорения электропоезда. Эта особенность, а также то, что боковые крэш-аппараты 5 связаны с хребтовой балкой 13 не непосредственно, как головной центральный крэш-аппарат 3, а через элементы рамы 12 (и лобовые консоли 17, если они есть) вагона 1, обладающие податливостью как упругого, так и пластического (до 0,05 м на каждые 5 м длины кузова) характера, частично компенсирует увеличение отрицательного ускорения из-за включения боковых крэш-аппаратов 5. Характеристика торможения электропоезда становится более равномерной. В зависимости от конструктивных особенностей конкретного электропоезда момент начала снижения усилия вдавливания крэш-элемента от пройденного им пути в матрице может быть установлен вполне определенно путем придания наружной поверхности центрального крэш-элемента, по меньшей мере, частично формы усеченного конуса, обращенного меньшим основанием к матрице, и задания границы между цилиндрическим и коничкеским участками (фиг. 3).
Сопротивление деформации крэш-элементов указанной конструкции из-за нагрева снижается после хода в 0,4…0,6 м. Поэтому начальное усилие деформации крэш-аппарата 3 установлено в (1,8…2,2) раза большим начального усилия деформации одного крэш-аппарата 5. Указанные значения были приняты за границы допустимого диапазона потому, что при выходе за них отрицательное ускорение увеличивается скачком более чем на четверть от начального значения.
В первом из описанных сценариев работают преимущественно боковые крэш-аппараты 5, во втором - головной центральный крэш-аппарат 3. Поэтому указанные выше соотношения между начальными усилиями деформации обеспечивают примерно равное отрицательное ускорение независимо от сценария торможения, то есть универсальность крэш-системы.
К моменту включения крэш-аппаратов 5 поглощающие аппараты 18 межвагонных сцепных устройств уже сжаты силой инерции прицепного вагона 2. Поэтому передаваемый через хребтовую балку толчок от включения крэш-аппаратов 5 приводит к срабатыванию межвагонных крэш-аппаратов 7, что еще более снижает величину отрицательного ускорения. Для того чтобы крэш-аппараты 7 срабатывали после начала работы крэш-аппаратов 5, должно выполняться условие превосходства усилия деформации крэш-аппаратов 7 над усилием деформации крэш-аппарата 3 и суммы усилий деформации крэш-аппратов 5. Кроме того, для уверенного обеспечения безопасности головного вагона, суммарная энергоемкость головных крэш-аппаратов 3 и 5 должна по меньшей мере вдвое превосходить суммарную энергоемкость межвагонных крэш-элементов 18.
Таким образом, благодаря свойствам крэш-аппарата с редуцированием (продавливанием) крэш-элемента сквозь матрицу обеспечивается почти постоянное значение отрицательного ускорения с начала столкновения до момента, когда электропоезд и объект-препятствие приобретают одинаковую скорость. Это повышает безопасность пассажиров и снижает повреждение кузова вагонов из-за деформирования силами инерции.
Поскольку при модернизации электропоездов изменения преимущественно вносятся в моторную часть, внешнюю и внутреннюю архитектуру кузова, а силовой каркас вагонов меняется незначительно, установленные параметры в пределах их изменений пригодны для электропоездов различных моделей. В частности, предложенная система наилучшим образом пригодна для нового перспективного электропоезда ЭП2Д.