Анализ аварийного соударения пассажирского поезда с препятствием на железнодорожном пути

Транспорт

УДК 629.4

DOI: 10.30987/article_5b28d1998e0e90Л5201563

Д.Я. Антипин, С.Г. Шорохов, О.И. Бондаренко

АНАЛИЗ АВАРИЙНОГО СОУДАРЕНИЯ ПАССАЖИРСКОГО ПОЕЗДА С ПРЕПЯТСТВИЕМ НА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОМ ПУТИ

Методами компьютерного моделирования проведена оценка аварийного соударения пассажирского поезда с грузовым вагоном на железнодорожном пути. Определены величины динамических нагрузок, действующих на единицы поезда. По результатам моделирования даны рекомендации

по повышению пассивной безопасности отечественного пассажирского подвижного состава при аварийных соударениях с препятствиями.

Ключевые слова: аварийное соударение, подвижной состав, препятствие, динамическая нагруженность, межвагонное соединение.

D.Ya. Antipin, S.G. Shorokhov, O.I. Bondarenko

ANALYSIS OF PASSENGER TRAIN EMERGENCY CRASH

The purpose of this work consists in the consequences analysis of a passenger train emergency collision with an obstacle as a fright car on a railway track by means of the definition of dynamic efforts affecting a locomotive and passenger cars at a collision. To achieve the purpose specified through the methods of computer simulation with the aid of the formed collision computer models there is carried out a simulation technique of two scenarios of emergency conditions: a collision of a single locomotive with a fright car weighting 80 t with the speed within 10-36 km/m and pitched with 5 km/h and a collision of a passenger train having a locomotive and four passenger cars with a similar obstacle in the speed spectrum under consideration. As a consequence there are obtained values of maximum compression forces and accelerations affecting train units. The analysis of data obtained has shown that at a single locomotive collision with a fright car at a speed exceeding 15 km/h a carrying structure is af-

fected by forces resulting in its damage and destruction. A passenger train collision with a fright car results in a hauling unit plastic deformation at a collision speed exceeding 15 km/h, and also in a damage of the passenger car following a locomotive at a collision speed exceeding 25 km/h, and a damage of a passenger car the second after the locomotive at a speed exceeding 35 km/h.

At that under conditions of the emergency collision under consideration the third and the fourth passenger cars do not obtain damages resulting in their destruction. Accelerations affecting hauling units (at crashes according to scenarios under consideration) do not exceed a normalized value. The results obtained may be used at the development of a passive safety system.

Key words: emergency collision, rolling-stock, obstacle, dynamic loading, inter-car joining.

Введение

В сфере пассажирских перевозок железнодорожный транспорт играет важную роль, поскольку обеспечивает повышенную мобильность населения страны, что объясняется развитием скоростного и высокоскоростного движения. Наряду с инновационным подвижным составом, задействованным в организации пассажирского сообщения, эксплуатируются локомотивы и вагоны, имеющие различный уровень физического и морального износа. Большинство пассажирских вагонов обладают минимальным уровнем пассивной безопасности, обеспечивающей защиту пассажиров в аварийной ситуации. Кроме того, наличие

человеческого фактора при организации движения поездов и значительный износ объектов инфраструктуры повышают риск возникновения аварийных ситуаций, связанных с аварийными соударениями поездов с различными препятствиями на пути следования.

Железнодорожная статистика свидетельствует о возможности столкновения поездов с мобильными транспортными средствами на железнодорожных переездах (86% случаев всех аварийных соударений), грузовыми вагонами при выполнении маневровых работ (13% случаев) и другими препятствиями на пути движения

поездов (около 1% случаев) [1]. Как правило, столкновения поездов с автомобилями не приводят к значительному повреждению железнодорожного подвижного состава и тяжелому травмированию локомотивной бригады и пассажиров поезда [2]. В то же время соударения с грузовыми вагонами сопровождаются значительными пластическими деформациями подвижного состава, вплоть до разрушения вагонов и локомотивов, а также тяжелым травмированием и гибелью пассажиров и членов обслуживающей бригады поезда. Это связано с воздействием на несущие конструкции единиц поезда значительных динамических усилий, приводящих к потере несущей способности кузовов подвижного состава.

Снизить уровни действующих усилий при соударении и минимизировать последствия аварийных ситуаций возможно путем оснащения железнодорожного подвижного состава системами пассивной безопасности [3-5]. Основу таких систем составляют устройства поглощения энергии, представляющие собой разрушаемые при соударении конструкции, которые поглощают энергию соударения за счет собственного разрушения. При этом кинетическая энергия, действующая на поезд, уменьшается до безопасного уровня. Для повышения эффективности работы данных систем при различных сценариях развития аварийной ситуации системы пассивной безопасности выполняются многоуровневыми.

Метод исследования

При разработке систем пассивной безопасности необходимо определить суммарную энергоемкость системы, от величины которой зависят параметры устройств поглощения энергии. Таким образом, этапу проектирования системы безопасности предшествует оценка динамических усилий, воспринимаемых подвижным составом при аварийных соударениях [6;

7].

В связи со значительными сложностями при проведении натурных испытаний подвижного состава на соударение с препятствиями в настоящее время основным методом исследования динамики транспортных средств при соударениях является компьютерное моделирование. Развитие компьютерных технологий, по-

явление вычислительных станций и сложнейшего программного обеспечения позволяют получать адекватные результаты моделирования, качественно и количественно близкие к результатам натурных испытаний (в рамках допускаемых погрешностей). Проведение большого количества вычислительных экспериментов позволяет спрогнозировать поведение любого объекта в заданных условиях с различными вариациями граничных условий. Результаты моделирования учитываются при проектировании подвижного состава и позволяют сократить цикл изготовления изделия за счет отсутствия этапов доработки конструкции по результатам промежуточных испытаний.

Разработка компьютерных моделей соударения

Большое количество аварийных соударений поездов с препятствиями вызвало необходимость нормирования параметров пассивной безопасности всего железнодорожного подвижного состава, участвующего в пассажирских перевозках. Это привело к принятию в 2013 г. межгосударственного стандарта ГОСТ 32410-2013 [8], согласно которому при проектировании систем пассивной безопасности рассматриваются два наиболее вероятных сценария продольных аварийных соударений

поездов с препятствиями (для подвижного состава с конструкционной скоростью не более 160 км/ч):

- соударение поезда с мобильным транспортным средством массой 10 т на переезде со скоростью 72 км/ч;

- соударение поезда с железнодорожным подвижным составом массой 80 т на путях со скоростью 36 км/ч.

В связи с более тяжелыми последствиями, наступающими при соударении поезда с железнодорожным подвижным

составом, в работе в качестве объекта исследования рассматривается аварийное соударение пассажирского поезда с грузовым вагоном на путях. Условия анализируемого соударения соответствуют требованиям стандарта. Исследование проводилось методами твердотельного компьютерного имитационного моделирования. Инструментом исследования являлся программный комплекс моделирования кинематики и динамики систем тел «Универсальный механизм».

Системы эксплуатации пассажирского железнодорожного подвижного состава

предполагают следующие схемы пассажирских поездов:

- одиночный локомотив (при следовании из депо к сцепу из пассажирских вагонов);

- локомотив в сцепе с пассажирскими вагонами (при движении по станциям и перегонам).

В связи с этим в работе рассматривались два сценария аварийного соударения:

1) соударение одиночного локомотива с грузовым вагоном на путях (рис. 1);

2) соударение сцепа из локомотива и четырех пассажирских вагонов с грузовым вагоном на путях (рис. 2).

Рис. 1. Схема аварийного соударения по сценарию 1: 1 - препятствие; 2 - локомотив

Рис. 2. Схема аварийного соударения по сценарию 2: 1 - препятствие; 2 - локомотив; 3 - пассажирский вагон; 4 - межвагонные соединения

Для моделирования аварийного соударения по сценарию 1 разработаны твердотельные компьютерные модели пассажирского поезда и препятствия в виде грузового вагона, которые представляются совокупностью абсолютно твердых тел, взаимодействующих между собой с помощью силовых и контактных элементов, а также вращательных и обобщенных шарниров [9].

Компьютерная модель локомотива представляет собой систему абсолютно твердых тел, моделирующих кузов, ходовые части, автосцепное устройство. В качестве локомотива рассматривался магистральный пассажирский двухсекционный

электровоз постоянного тока ЧС7. Препятствие моделируется неподвижным абсолютно твердым телом массой 80 т, обладающим одной поступательной степенью свободы в направлении оси движения поезда. При моделировании рассматриваются соударения поезда с препятствием на прямом горизонтальном участке пути в диапазоне скоростей от 5 до 36 км/ч с шагом 5 км/ч.

В результате моделирования получен график распределения сжимающих усилий, воспринимаемых локомотивом (рис. 3). На графике сплошная линия соответствует предельному значению усилия, допускаемому «Нормами...» [10]. Линия с

прямоугольными маркерами соответствует усилиям, действующим на локомотив при соударении с препятствием. Из графика видно, что при столкновении локомотива с препятствием массой 80 т со скоростями свыше 15 км/ч в несущей конструкции локомотива могут возникать пластические

Б, МН 6

5

4

3

2

1

деформации, что объясняется превышением действующего значения нагрузки над предельным нормированным значением 2,5 МН, регламентированным «Нормами...» [10]. Это свидетельствует о высокой вероятности разрушения локомотива.

0

10 15 20 25 30 35 40 V, км/ч

Рис. 3. Распределение максимальных сжимающих усилий, воздействующих на локомотив при его столкновении с грузовым вагоном

Для моделирования соударения поезда с препятствием по сценарию 2 сформирована компьютерная модель пассажирского поезда, состоящего из локомотива и четырех пассажирских вагонов, которая представляет собой совокупность систем связанных твердых тел, описывающих его пространственные колебания. В качестве локомотива рассматривался магистральный пассажирский двухсекционный электровоз постоянного тока ЧС7. В качестве пассажирских вагонов рассмотрены конструкции отечественных вагонов модели 61-4440.

Для оценки динамических усилий, возникающих в межвагонных соединениях при соударении, в компьютерных моделях локомотива и пассажирских вагонов детально смоделировано автосцепное устройство с учетом взаимодействия двух сцепных устройств единиц поезда в сцепленном состоянии при движении поезда. Взаимодействие двух автосцепных устройств в сцепленном состоянии описывается введением между твердыми телами, моделирующими корпуса автосцепок, контактных силовых элементов. Расположение контактных силовых элементов соответствует взаимодействию корпусов автосцепок в сцепленном состоянии по контуру зацепления по ГОСТ 21447-75 с учетом всех допускаемых зазоров для новых корпусов. Упруго-диссипативные характери-

стики межвагонных связей определяются типом применяемых поглощающих аппаратов автосцепных устройств и упругими свойствами кузовов вагонов и локомотива.

Моделирование движения пассажирского поезда осуществлялось путем приложения тяговых усилий в виде крутящих моментов к осям колесных пар локомотива с учетом сил сопротивления движению [11-13].

Верификация разработанной компьютерной модели пассажирского поезда выполнена путем сопоставления данных натурных испытаний на соударение с результатами расчетов.

При испытании проводилось соударение вагона-бойка с исследуемым пассажирским вагоном, стоящим с подпором массой 300 т. Масса вагона-бойка соответствует массе исследуемого вагона. Скорость соударения принята равной 10 км/ч. Для сопоставления проведено моделирование указанных условий испытаний. Результаты численного моделирования представлены в виде графика зависимости усилий на хребтовой балке вагона в зоне установки задних упоров от времени соударения (рис. 4). На графике сплошной линией показаны результаты, полученные при натурных испытаниях, пунктирной линией - результаты моделирования с использованием разработанной компьютерной мо-