Решение проблем конструкционной прочности и техногенной безопасности на железнодорожном транспорте

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

Гапанович В.А., Махутов Н.А.

УДК 621.311.1

РЕШЕНИЕ ПРОБЛЕМ КОНСТРУКЦИОННОЙ ПРОЧНОСТИ И ТЕХНОГЕННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ НА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОМ ТРАНСПОРТЕ

Железнодорожный, транспорт является важнейшим компонентом транспортного комплекса России, обеспечивающим связь ее регионов внутри России и с внешним миром. Его дальнейшее развитие, предусмотренное рядом решений Президента, Правительства и Совета Безопасности Российской Федерации, обусловливает постановку комплекса принципиально новых задач перед всеми основными звеньями железнодорожного транспорта - фундаментальной, межотраслевой и отраслевой наукой, конструкторскими и технологическими организациями, транспортным машиностроением, эксплуатационными системами и функционированием всего транспортного комплекса. Это в существенной степени относится к программе реализации наиболее значимых научно-технических решений на ближайшую, среднесрочную и долгосрочную перспективу по таким направлениям как:

- высокоскоростное движение со скоростями 160 - 450 км/час;

- создание подвижного состава новых поколений с применением усовершенствованной нормативной и правовой базы;

- совершенствование и развитие инфраструктуры железнодорожного транспорта с использованием прорывных технологий в энергетике, телекоммуникациях, системах управления движением;

- использование на железнодорожном транспорте новых специальных материалов, компонентов систем и технологий, созданных в смежных областях (энергетике, авиации, ракетно-космической технике, наноиндустрии, генной инженерии, информатике).

Основы формирования фундаментальных и прикладных исследований, а также использования новейших научных достижений в железнодорожном транспорте по указан-

ным направлениям заложены в Соглашении «О сотрудничестве между Открытым акционерным обществом «Российские железные дороги» и Российской академией наук» от 27 октября 2006 г., № 728.

В соответствии с рядом Федеральных законов («О транспортной безопасности», «О железнодорожном транспорте», «О техническом регулировании», О промышленной безопасности опасных производственных объектов», «О защите населения и территорий от чрезвычайных ситуаций») и решением совместного заседания Совета Безопасности Российской Федерации и президиума Государственного совета Российской Федерации от 13 ноября 2003 г. (протокол № 4) предусматривается переход к прогнозированию, планированию и управлению социально-экономическим развитием страны с позиций комплексного обеспечения безопасности на основе применения критериев стратегических рисков. В первую очередь это затрагивает критически важные для национальной безопасности объекты инфраструктуры, в число которых, несомненно, входят объекты железнодорожного транспорта при выполнении ими гражданских и оборонных функций [1,2,3].

Выполненные в нашей стране в последние 15 лет фундаментальные и прикладные разработки по повышению защищенности потенциально опасных объектов от отказов, аварий и катастроф обобщены в 30-ти томах серии «Безопасность России. Правовые, социально-экономические и на- учно-технические аспекты», являются исходной базой для нового этапа работ по обеспечению технологической, техногенной и экологической безопасности создания и функционирования железнодорожного транспорта.

Подвижной состав и инфраструктура железнодорожного транспорта к началу XXI

века создавались на нормативно-технической базе, сложившейся в последней четверти XX века. Основными критериями их работоспособности при этом служили прочность и назначенный ресурс. Это определило будущий уровень проектирования, изготовления и контроля конструкционных материалов и изделий для железнодорожного транспорта.

Для железнодорожного транспорта XXI века такой подход должен быть развит на новую систему требований, единую для всего материально-технического базиса страны. Эта система включает научное обоснование создания и использования подвижного состава и инфраструктуры по всей современной последовательности критериев «прочности ^ износостойкости ^ ресурса ^ надежности ^ живучести ^ рисков ^ безопасности».

Новые многокритериальные подходы федерального уровня к созданию и безопасному функционированию перспективного подвижного состава и инфраструктуры требуют формирования важнейших этапов научных и прикладных разработок:

- категорирование объектов железнодорожного транспорта по их потенциальной опасности;

- введение классификации аварийных и катастрофических ситуаций на железнодорожном транспорте;

- построение новых систем ранней и аварийной диагностики и мониторинга состояния подвижного состава и инфраструктуры;

- создание систем жесткой, функциональной, естественной, охранной и комбинированной защиты подвижного состава и инфраструктуры от чрезвычайных ситуаций техногенного, природного характера, несанкционированных и террористических воздействий;

- переход на новые принципы обоснования, экспертизы, декларирования, страхования, аудита, обеспечения и повышения безопасности железнодорожного транспорта с использованием критериев риска.

Риски, как количественные показатели безопасности, должны вычисляться через произведения вероятностей возникновении кризисных явлений и неблагоприятных событий (отказов, аварий, катастроф) на сопутствующие им ущербы. Определение рисков является научной задачей, решаемой институтами РАН и ОАО «РЖД». Требование обеспе-

чения безопасности подвижного состава и инфраструктуры железнодорожного транспорта сводится к тому, что определяемые риски не должны превышать уровней приемлемых рисков, обоснованных и назначаемых соответствующими органами управления и надзора. Удовлетворение требований безопасности по критериям рисков требует разработки и реализации комплексов организационных, экономических, конструкционных, технологических, диагностических, мониторинговых и защитных мероприятий. При этом обязательные затраты всех участников функционирования железнодорожного транспорта на обеспечение безопасности и на снижение рисков следует устанавливать в зависимости от уровня реализовавшихся рисков.

В качестве определяющих критериев рисков могут быть выбраны:

- индивидуальные риски потери жизни и здоровья для операторов, персонала и населения;

- интегральные экономические риски от указанных выше кризисных явлений и неблагоприятных событий.

При определении и регулировании безопасности по критериям рисков в расчеты будут вводиться:

- три главных поражающих фактора -опасные энергии, опасные вещества и опасные информационные потоки;

- три основных компонента функционирования железнодорожного транспорта: техносфера - человек - природная среда;

- четыре типа расчетных случаев (штатное функционирование, проектные, запроектные и гипотетические аварийные ситуации);

- принятые в настоящее время основные классы последствий необеспеченности безопасности (глобальные, национальные, региональные, местные, локальные, объектовые).

Одними из первоочередных этапов решения указанных выше проблем прочности, износостойкости, ресурса, живучести и безопасности являются:

- научный анализ состояния и перспектив развития правовой и нормативно-технической базы для переходя к управлению безопасностью по критериям рисков;

- создание единой системы методов проектирования и испытаний, правили регламентов безопасности, средств достижения приемлемых уровней рисков на всех стадиях жиз-

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

ненного цикла подвижного состава и инфраструктуры железнодорожного транспорта;

- введение в количественный анализ рисков и безопасности все возрастающей роли человеческого фактора.

Для железнодорожного транспорта Сибирских регионов Российской Федерации существенное значение приобретают такие вопросы, как низкие климатические температуры (до -60оС), повышенная сейсмическая активность горных территорий, мощная сеть геологических разломов, высокая экологическая чувствительность уникальных природных объектов (озеро Байкал, тундровые зоны, зоны вечной мерзлоты), наличие высокорисковой инфраструктуры (протяженные туннели, мосты через мощные Сибирские реки, пересечения транспортных коридоров — магистральные трубопроводы, линии высоковольтных передач).

В этих условиях обеспечение безопасности на железнодорожном транспорте требует учета повышения рисков отказов, аварий и катастроф, обусловленных как подвижным составом, так и инфраструктурой. Они обусловлены ростом вероятности хрупких разрушений стальных конструкций, обрушением тоннелей и мостов, изменением макро-геометрии рельсового пути.

Увеличение скоростей движения поездов требуют новых технологических затрат на новые конструктивно-технологические инженерные решения подвижного состава, рельсов, укладки, инженерных сооружений, учета повышенной динамики движущихся транспортных средств, возрастающих амплитуд переменных напряжений и числа циклов нагру-жения за единицу времени.

Требования поэтапного повышения общего ресурса основных элементов подвижного состава и путевого хозяйства до 40 лет и более в соответствии со стратегией развития железнодорожного транспорта и более высоких скоростей движения приводит к общему эксплуатационному числу циклов нагружения до 109^1010 и более и пересмотру традиционного расчета на усталость, живучесть и сопротивление хрупкому разрушению.

Особого внимания для обеспечения безопасности железнодорожного транспорта требует анализ тяжелых катастроф, вызванных несанкционированными и террористическими воздействиями — землетрясениями, падениями на движущиеся или стоящие составы

воздушных и космических объектов. Эти катастрофы пока могут рассматриваться как за-проектные и гипотетические.

Сказанное выше с учетом упомянутых Федеральных законов и решения Совета Безопасности Российской Федерации является основой перехода к планированию и прогнозированию развития железнодорожного транспорта повышенных ресурса и безопасности с применением критериев риска. При этом снижение рисков до приемлемого уровня потребует новых расходов бюджетных и внебюджетных федеральных, региональных и отраслевых средств на реализацию новой стратегии, которая в свою очередь должна более существенно снизить интегральные ущербы от недоиспользованного ресурса, от плановых и внеплановых ремонтно-восстанови-тельных работ, от отказов, аварий и катастроф. Как показывает опыт других высокорисковых отраслей (атомная и тепловая энергетика, авиация и ракетно-космическая техника, магистральный трубопроводный транспорт) эффективность затрат на снижение рисков уже на первых порах может составлять 200^500%. Решение такой актуальной стратегической задачи будет способствовать применению на железнодорожном транспорте новейших достижений в научной сфере, в проектировании, технологиях, материаловедении, диагностике, мониторинге, системах управления и защиты от чрезвычайных ситуаций природного, техногенного характера, экстремальных воздействий и террористических проявлений. Это будет несомненным вкладом отечественного железнодорожного транспорта в снижение стратегических рисков для России, в обеспечение ее национальной безопасности и технологической независимости.

Такая задача не может быть решена без создания новой нормативно-правовой базы по проблемам безопасности и без кардинального пересмотра роли человеческого фактора во всех сферах функционирования железнодорожного транспорта от его высшего руководства до конкретного оператора на любом участке его производственной деятельности. Для этого на железнодорожном транспорте, как и в других отраслях, должна быть проведена подготовка и переподготовка специалистов всех уровней и основных направлений по теории и критериям безопасности, по методам и средствам снижения рисков.

МЕХАНИКА. ТРАНСПОРТ. МАШИНОСТРОЕНИЕ

Взаимодействие институтов РАН и организаций ОАО «РЖД» по комплексным проблемам безопасности социально-природ-но-техногенной сферы жизнедеятельности в рамках принятого Соглашения и программ совместных разработок будет способствовать эффективному включению железнодорожного транспорта в обеспечение национальной безопасности, а также в развитие национальной технологической базы с применением критериев стратегических рисков [4,5].

Реализация указанных выше научных основ управления безопасностью железнодорожного транспорта будет осуществляться во исполнение «Стратегических направлений научно-технического развития РЖД» и «Транспортной стратегии Российской Федерации до 2020 г.». При этом должны учитываться положения «Декларации по вопросам обеспечения безопасности на транспорте в государствах содружества независимых государств» [6,7,8].

БИБЛИОГРАФИЯ

1. Федеральные законы по безопасности

2. Концепция национальной безопасности Российской Федерации. Утверждена Указом Президента Российской Федерации от 17.12.1997 г. №1300 в редакции Указа Президента РФ от 10.01.2000 № 24.

3. Решение совместного заседания Совета Безопасности Российской Федерации и президиума Государственного совета Российской Федерации от 13 ноября 2003 г. (протокол № 4).

4. Стратегические направления научно-технического развития ОАО «Российские железные дороги».

5. Транспортная стратегия Российской Федерации на период до 2020 г.

6. Декларация по вопросам обеспечения безопасности на транспорте в государствах-участниках Содружества независимых государств

7. Безопасность России. Правовые, социально-экономические и научно-технические аспекты. Т. 1-30, М.: МГФ «Знание» 1997-2007 г.г.

8. Н.А. Махутов. Конструкционная прочность, ресурс и техногенная безопасность. Новосибирск: Наука. Ч.1: Критерии прочности и ресурса - 494 с. Ч. 2: Обоснование ресурса и безопасности - 610 с.

ЕлисеевС.В., Хоменко А.П.

УДК 656.001

ДИНАМИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ МЕХАНИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ

Механические цепи и системы с управляемыми связями широко используются как расчетные схемы в задачах защиты различных объектов от действия ударов и вибраций [1]. В работах [2,3] рассмотрен ряд задач динамического взаимодействия в манипуляцион-ных системах и в расчетах систем подрессори-вания и амортизации транспортных средств.

Уравнения движения таких систем могут быть построены в общем виде на основе формализма [4] общего уравнения динамики, имеющего следующий вид:

£ (шЖ -Ц ) + е(I, Б! + ю. X11 ю. -м1 ) =

. =1 ' ' ' ' ' ' ' ' (1) п

где Ql - обобщенная движущая сила, действующая по 1-й координате; е г,Юг ,е г - векторы бесконечно малого поворота, угловой скорости и углового ускорения г'-й системы координат; т., J:, О пО , Ш.- соответственно масса, тен-

г ' — г ' 0 сг г '

зор инерции (в центре инерции), радиус-вектор и ускорение центра масс звена, определенного пользователем в г'-й системе координат; , Мг - главные векторы внешних сил и

моментов (относительно центра масс), действующие на звено, определенное в -ой системе координат.

Приводя (1) с помощью теоремы Лурье о переставимости конечных поворотов к вариациям обобщенных координат [5]

1=1