Натурные ударные испытания опытного образца устройства поглощения энергии, пред-назначенного для пассивной защиты локомотива при столкновениях
Статья посвящена актуальной проблеме разработки устройств поглощения энергии (УПЭ) для скоростного пассажирского локомотива на основе результатов математического моделирования пластического деформирования УПЭ при сверхнормативных ударах и натурных ударных испытаний (крэш-тестов) УПЭ на базе европей...
Gespeichert in:
| Datum: | 2016 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Інститут технічної механіки НАН України і НКА України
2016
|
| Schriftenreihe: | Техническая механика |
| Online Zugang: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/116683 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Натурные ударные испытания опытного образца устройства поглощения энергии, пред-назначенного для пассивной защиты локомотива при столкновениях / М.Б. Соболевская, С.А. Сирота, Д.В. Горобец, И.В. Теличко // Техническая механика. — 2016. — № 2. — С. 91-105. — Бібліогр.: 27 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-116683 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-1166832017-05-13T11:57:48Z Натурные ударные испытания опытного образца устройства поглощения энергии, пред-назначенного для пассивной защиты локомотива при столкновениях Соболевская, М.Б. Сирота, С.А. Горобец, Д.В. Теличко, И.Б. Статья посвящена актуальной проблеме разработки устройств поглощения энергии (УПЭ) для скоростного пассажирского локомотива на основе результатов математического моделирования пластического деформирования УПЭ при сверхнормативных ударах и натурных ударных испытаний (крэш-тестов) УПЭ на базе европейского стандарта EN 15227. Статтю присвячено актуальній проблемі розробки пристроїв поглинання енергії (ППЕ) для швидкісного пасажирського локомотива на основі результатів математичного моделювання пластичного деформування ППЕ при наднормативних ударах і натурних ударних випробувань (креш-тестів) ППЕ на базі європейського стандарту EN 15227. The paper deals with the pressing problem of the development of the energy-absorbing devices (EAD) for a high-speed passenger locomotive based on the results of mathematical modeling the EAD plastic deformation in non-standard impacts and the EAD full-scale impact tests (crash-tests) using the EN 15227 European Standard. 2016 Article Натурные ударные испытания опытного образца устройства поглощения энергии, пред-назначенного для пассивной защиты локомотива при столкновениях / М.Б. Соболевская, С.А. Сирота, Д.В. Горобец, И.В. Теличко // Техническая механика. — 2016. — № 2. — С. 91-105. — Бібліогр.: 27 назв. — рос. 1561-9184 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/116683 629.4:62-758.2 ru Техническая механика Інститут технічної механіки НАН України і НКА України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| description |
Статья посвящена актуальной проблеме разработки устройств поглощения энергии (УПЭ) для скоростного пассажирского локомотива на основе результатов математического моделирования пластического деформирования УПЭ при сверхнормативных ударах и натурных ударных испытаний (крэш-тестов) УПЭ на базе европейского стандарта EN 15227. |
| format |
Article |
| author |
Соболевская, М.Б. Сирота, С.А. Горобец, Д.В. Теличко, И.Б. |
| spellingShingle |
Соболевская, М.Б. Сирота, С.А. Горобец, Д.В. Теличко, И.Б. Натурные ударные испытания опытного образца устройства поглощения энергии, пред-назначенного для пассивной защиты локомотива при столкновениях Техническая механика |
| author_facet |
Соболевская, М.Б. Сирота, С.А. Горобец, Д.В. Теличко, И.Б. |
| author_sort |
Соболевская, М.Б. |
| title |
Натурные ударные испытания опытного образца устройства поглощения энергии, пред-назначенного для пассивной защиты локомотива при столкновениях |
| title_short |
Натурные ударные испытания опытного образца устройства поглощения энергии, пред-назначенного для пассивной защиты локомотива при столкновениях |
| title_full |
Натурные ударные испытания опытного образца устройства поглощения энергии, пред-назначенного для пассивной защиты локомотива при столкновениях |
| title_fullStr |
Натурные ударные испытания опытного образца устройства поглощения энергии, пред-назначенного для пассивной защиты локомотива при столкновениях |
| title_full_unstemmed |
Натурные ударные испытания опытного образца устройства поглощения энергии, пред-назначенного для пассивной защиты локомотива при столкновениях |
| title_sort |
натурные ударные испытания опытного образца устройства поглощения энергии, пред-назначенного для пассивной защиты локомотива при столкновениях |
| publisher |
Інститут технічної механіки НАН України і НКА України |
| publishDate |
2016 |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/116683 |
| citation_txt |
Натурные ударные испытания опытного образца устройства поглощения энергии, пред-назначенного для пассивной защиты локомотива при столкновениях / М.Б. Соболевская, С.А. Сирота, Д.В. Горобец, И.В. Теличко // Техническая механика. — 2016. — № 2. — С. 91-105. — Бібліогр.: 27 назв. — рос. |
| series |
Техническая механика |
| work_keys_str_mv |
AT sobolevskaâmb naturnyeudarnyeispytaniâopytnogoobrazcaustrojstvapogloŝeniâénergiiprednaznačennogodlâpassivnojzaŝitylokomotivapristolknoveniâh AT sirotasa naturnyeudarnyeispytaniâopytnogoobrazcaustrojstvapogloŝeniâénergiiprednaznačennogodlâpassivnojzaŝitylokomotivapristolknoveniâh AT gorobecdv naturnyeudarnyeispytaniâopytnogoobrazcaustrojstvapogloŝeniâénergiiprednaznačennogodlâpassivnojzaŝitylokomotivapristolknoveniâh AT teličkoib naturnyeudarnyeispytaniâopytnogoobrazcaustrojstvapogloŝeniâénergiiprednaznačennogodlâpassivnojzaŝitylokomotivapristolknoveniâh |
| first_indexed |
2025-07-08T10:49:29Z |
| last_indexed |
2025-07-08T10:49:29Z |
| _version_ |
1837075551892799488 |
| fulltext |
91
УДК 629.4:62-758.2
М. Б. СОБОЛЕВСКАЯ, С. А. СИРОТА, Д. В. ГОРОБЕЦ, И. Б. ТЕЛИЧКО
НАТУРНЫЕ УДАРНЫЕ ИСПЫТАНИЯ ОПЫТНОГО ОБРАЗЦА
УСТРОЙСТВА ПОГЛОЩЕНИЯ ЭНЕРГИИ, ПРЕДНАЗНАЧЕННОГО ДЛЯ
ПАССИВНОЙ ЗАЩИТЫ ЛОКОМОТИВА ПРИ СТОЛКНОВЕНИЯХ
Приоритетным направлением развития железнодорожного транспорта Украины является внедрение
скоростного пассажирского движения и обновление подвижного состава. Локомотив нового поколения
должен иметь систему пассивной безопасности, которая в случае неизбежного столкновения обеспечивает
преобразование энергии удара в механическую работу, связанную с контролируемым пластическим де-
формированием специальных устройств поглощения энергии (УПЭ), что позволит уменьшить тяжесть
последствий аварии и сохранить жизни пассажиров и поездной бригады. Статья посвящена актуальной
проблеме разработки УПЭ для скоростного пассажирского локомотива на основе результатов математиче-
ского моделирования пластического деформирования УПЭ при сверхнормативных ударах и натурных
ударных испытаний (крэш-тестов) УПЭ на базе европейского стандарта EN 15227. В статье приведены
результаты выполненного в испытательном центре TÜV SÜD Rail GmbH (Герлиц, Германия) крэш-теста
опытного образца УПЭ коробчатого типа, содержащего сотовые пакеты. Конструкция УПЭ разработана в
сотрудничестве Института технической механики Национальной академии наук Украины и Государ-
ственного космического агентства Украины с ООО “Проектно-конструкторское производственное пред-
приятие МДС” и запатентована в Украине. Цель крэш-теста – экспериментальное исследование пластиче-
ского деформирования исследуемой конструкции при ударе, определение характеристики контактного
усилия между соударяющимися телами, оценка энергоемкости опытного образца УПЭ. В статье дано
описание разработанного научно-методического обеспечения. Приведены результаты конечно-
элементного моделирования крэш-теста опытного образца УПЭ. Выполнена верификация разработанной
конечно-элементной модели путем сравнения по критериям европейского стандарта EN 15227 результа-
тов, полученных расчетным и экспериментальным путями. Подтверждена достоверность результатов
численных расчетов, выполненных с помощью разработанного научно-методического обеспечения.
Пріоритетним напрямком розвитку залізничного транспорту України є впровадження швидкісного
пасажирського руху і оновлення рухомого складу. Локомотив нового покоління повинен мати систему
пасивної безпеки, яка у випадку неминучого зіткнення забезпечує перетворення енергії удару в механічну
роботу, пов’язану з контрольованим пластичним деформуванням спеціальних пристроїв поглинання енер-
гії (ППЕ), що дозволить зменшити тяжкість наслідків аварії і зберегти життя пасажирів і поїзної бригади.
Статтю присвячено актуальній проблемі розробки ППЕ для швидкісного пасажирського локомотива на
основі результатів математичного моделювання пластичного деформування ППЕ при наднормативних
ударах і натурних ударних випробувань (креш-тестів) ППЕ на базі європейського стандарту EN 15227. В
статті наведено результати виконаного у випробувальному центрі TÜV SÜD Rail GmbH (Герліц, Німеччи-
на) креш-тесту дослідного зразка ППЕ коробчастого типу, що містить стільникові пакети. Конструкцію
ППЕ розроблено у співпраці Інституту технічної механіки Національної академії наук України і Держав-
ного космічного агентства України з ТОВ “Проектно-конструкторське виробниче підприємство МДС” і
запатентовано в Україні. Метою креш-тесту є експериментальне дослідження пластичного деформування
досліджуваної конструкції при ударі, визначення характеристики контактного зусилля між тілами, які
співударяються, оцінка енергоємності дослідного зразка ППЕ. В статті дано опис розробленого науково-
методичного забезпечення та скінченно-елементної моделі пластичного деформування досліджуваної
конструкції при ударі. Наведено результати математичного моделювання креш-тесту дослідного зразка
УПЕ. Виконано верифікацію розробленої скінченно-елементної моделі шляхом порівняння за критеріями
європейського стандарту EN 15227 результатів, отриманих розрахунковим і експериментальним шляхами.
Підтверджено достовірність результатів чисельних розрахунків, виконаних за допомогою розробленого
науково-методичного забезпечення.
Introduction of high-speed passenger traffic and retrofit of the rolling stock are priority lines of the evolu-
tion of railway transport. A newly developed locomotive must have the passive safety system that in case of an
unavoidable collision provides the transformation of the impact energy into the mechanical work associated with
a plastic controlled deformation of the special energy-absorbing devices (EAD). This enables the crash impact to
be mitigated and lives of passengers and the train crew to be protected. The paper deals with the pressing problem
of the development of the EAD for a high-speed passenger locomotive based on the results of mathematical mod-
eling the EAD plastic deformation in non-standard impacts and the EAD full-scale impact tests (crash-tests) using
the EN 15227 European Standard. The paper presents the results of the crash-test of the prototype of the EAD box
type with cell packs conducted in the Test Center of TÜV SÜD Rail GmbH (Gorlitz, Germany). The Institute of
Technical Mechanics, NANU&SSAU developed the EAD design in cooperation with the MDS Design Production
Enterprise. This EAD design has been patented in Ukraine. The objective of the crash-test is to carry out experi-
mental investigations of a plastic deformation of the design under consideration in the impact, to derive the char-
acteristics of the contact forces between the colliding bodies, to estimate the energy-intensity of the EAD proto-
type. The paper describes scientific and methodical support developed. The results of a finite-element simulation
М. Б. Соболевская, С. А. Сирота, Д. В. Горобец, И. Б. Теличко, 2016
Техн. механика. – 2016. – № 2.
92
of the crash-test of the EAD prototype are reported. The finite-element model developed has been verified by
comparison with the predicted and experimental results using the criteria of the EN 15227 European Standard.
The accuracy of the results of numerical calculations made by scientific and methodical support developed has
been validated.
Ключевые слова: пассажирский поезд, аварийное столкновение, пассив-
ная безопасность, устройство поглощения энергии, крэш-тест, конечно-
элементное моделирование.
Введение. Одним из главных направлений развития железнодорожного
транспорта в Украине, как и на всем пространстве колеи 1520 мм, является
внедрение скоростного пассажирского движения и обновление подвижного
состава. Вопросы повышения скорости движения поездов неразрывно связа-
ны с проблемами обеспечения безопасности пассажиров и поездной бригады
в случае аварийного столкновения поезда с преградой на железнодорожном
пути. Подвижной состав нового поколения должен иметь не только эффек-
тивные средства активной защиты для предотвращения аварийных столкно-
вений, но и систему пассивной безопасности (СПБ), которая в случае неиз-
бежного столкновения позволит уменьшить тяжесть последствий аварии и
сохранить жизни пассажиров, машиниста и поездной бригады. При аварий-
ном столкновении поезда с препятствием первый и наиболее сильный удар
испытывает локомотив, поэтому особое внимание должно быть уделено раз-
работке его СПБ. Основная задача СПБ – уменьшение возникающих при ава-
рийном столкновении продольных сил и ускорений в результате превраще-
ния кинетической энергии удара в механическую работу, связанную с кон-
тролируемым пластическим деформированием специально предназначенных
для этого устройств поглощения энергии (УПЭ), расположенных в концевых
частях рамы кузова локомотива.
В странах ЕС обеспечение пассивной безопасности железнодорожного
экипажа скоростного и высокоскоростного поезда является обязательным и
регламентируется с 2008 г. стандартом EN 15227 [1]. В настоящее время пас-
сивная защита большинства европейских пассажирских поездов локомотив-
ной тяги, оборудованных раздельными ударно-тяговыми устройствами, орга-
низована таким образом, что основную часть энергии при столкновениях с
железнодорожным подвижным составом поглощают крэш-буфера и распо-
ложенные за ними УПЭ [2 – 8], установленные в концевых частях рамы кузо-
ва локомотива.
В странах ЕС теоретические и экспериментальные исследования по пас-
сивной защите ПС активно проводятся с начала 90-х годов прошлого века.
Существенный вклад в решение проблемы пассивной защиты локомотивов
внесли специалисты компаний Alstom [4], Bombardier Transportation [2],
Siemens [5], Voith Turbo [3] и ряда других научных, производственных орга-
низаций и испытательных центров [8].
Подвижной состав железных дорог с шириной колеи 1520 мм имеет ряд
существенных отличий (в объединенных ударно-тяговых приборах, норма-
тивных требованиях на его разработку и т. д.) от европейского подвижного
состава, для которого уже разработаны эффективные системы пассивной
безопасности. Обязательное наличие СПБ в странах СНГ не регламентирует-
ся, хотя в 2014 г. в Российской федерации введен межгосударственный стан-
дарт “Крэш-системы аварийные железнодорожного подвижного состава для
93
пассажирских перевозок. Технические требования и методы контроля” [9].
Этот стандарт не эквивалентен стандарту EN 15227, он носит рекоменда-
тельный характер, и ни одного ударного испытания УПЭ (крэш-теста) со-
гласно нему не проводилось. В работе [10] обосновано, что требования по
пассивной безопасности при аварийных столкновениях на железных дорога
колеи 1520 мм должны быть гармонизированы с требованиями EN 15227.
Согласно ЕN 15227 для оценки эффективности работы УПЭ необходимо,
наряду с математическим моделированием динамических процессов аварий-
ных столкновений, проводить полноразмерные испытания их отдельных об-
разцов. Такие испытания позволят проверить функционирование УПЭ и про-
вести калибровку численных моделей по результатам испытаний, сравнив
результаты испытаний и соответствующего численного моделирования.
В настоящее время актуальной является разработка УПЭ для скоростно-
го пассажирского локомотива с объединенными ударно-тяговыми прибора-
ми, предназначенного для эксплуатации на железных дорогах колеи 1520 мм.
Такая разработка должна быть научно обоснована результатами математиче-
ского моделирования пластического деформирования конструкции УПЭ при
ударах и крэш-тестов УПЭ.
В результате комплекса проведенных теоретических исследований раз-
работана и запатентована конструкция УПЭ коробчатого типа, содержащая
сотовые пакеты [11, 12]. УПЭ предназначено для установки в концевых ча-
стях рамы кузова локомотива.
В данной статье приведены результаты крэш-теста опытного образца
УПЭ и математического моделирования выполненного крэш-теста.
Основные особенности проведения полноразмерных натурных ис-
пытаний УПЭ на базе стандарта ЕN 15227. Согласно стандарту ЕN 15227
полноразмерные испытания УПЭ должны соответствовать требованиям по
энергопоглощению для случая столкновения двух идентичных составов (сце-
нарий 1) или столкновения поездного состава с грузовым вагоном массой
80 т (сценарий 2). Однако данное требование не предполагает точного вос-
произведения фактического сценария в ходе испытаний. Испытания должны
быть выполнены для всех имеющихся типов энергопоглощающих устройств,
установленных на торцах железнодорожного экипажа. Для однотипных УПЭ
проводить отдельные испытания не обязательно. Разрешается проводить от-
дельные испытания энергопоглощающих устройств, которые функциониру-
ют независимо от других компонентов. Все взаимодействующие УПЭ долж-
ны быть включены в один крэш-тест. Как правило, в ходе тестов испытуемые
УПЭ должны поглощать как минимум 80 % энергии от предельной величи-
ны, установленной для таких устройств. Использование более низких значе-
ний энергопоглощения должно быть обосновано, при этом величина таких
значений не может быть меньше 50 % процентов от требуемого максималь-
ного значения.
Испытания должны включать в себя следующее:
– измерение сил, скоростей столкновения, замедлений и деформаций в
ходе испытаний с целью проведения сравнений (по уровням поглощенной
энергии, деформаций и т. п.) для различных УПЭ;
– измерение линейных размеров УПЭ (до и после испытаний) в предва-
рительно установленных и согласованных зонах;
94
– применение высокоскоростной видеосъемки, которая позволяет срав-
нить кинематику теста с результатами соответствующего моделирования;
– измерение скорости столкновения (минимальная точность измерения
± 0,5 км/ч) и массы испытуемой единицы подвижного состава (минимальная
точность измерения ± 5 %);
– фильтрацию измеренных сигналов с использованием фильтра низких
частот с частотой среза не более 1000 Гц.
Рекомендуется, чтобы основные эталонные значения наиболее значимых
показателей: силы, скорости и перемещения подтверждались как минимум
двумя независимыми регистрирующими системами. Кроме того, рекоменду-
ется дублировать измерения и некоторых других важных параметров (напри-
мер, момента соударения, скорости столкновения, ускорения при ударе).
Европейские испытательные центры. Испытательный центр фирмы
Bombardier Transportation в Креспине (Франция) [13] расположен в регионе
Валансьен (Valenciennes) в г. Креспин (Crespin). Центр выполняет широкий
спектр исследований – статические испытания, испытания на усталостную
прочность, климатические и вибрационные испытания, проводит крэш-тесты
систем пассивной безопасности. В этом испытательном центре были прове-
дены серии крэш-тестов кабин машиниста со всеми энергопоглощающими
элементами, обеспечивающими пассивную безопасность поездов
Spacium 3.06 [14] и Regio 2N [15]. Комплекс для проведения крэш-тестов
включает горку с длиной наклонной части 57 м и горизонтальный участок
пути – 75 м. Высота горки позволяет получить максимальную скорость бойка
8,8 м/с (32 км/ч). Упорная стена имеет размеры 4000х5000 мм. Масса ее рав-
на 600 т. Максимальная масса платформы-бойка – 120 т. Максимальная энер-
гия удара – 4560 кДж. Центр оснащен многоканальным оборудованием для
измерения всех необходимых параметров и скоростной видеосъемки (до
2000 кадров в секунду) при проведении крэш-испытаний.
Испытательный центр фирмы Alstom расположен на производственной
площадке подразделения Alstom Transport в Рейшсхоффане (Франция) [16]. В
этом испытательном центре проводятся крэш-тесты кабин машинистов и
УПЭ. Особенностью центра является устройство для разгона вагона-бойка.
Оно представляет собой “пушку”, которая выстреливает вагон-боек. Ско-
рость и, следовательно, энергия удара регулируется количеством зарядов.
Энергия удара достигает значения 5 МДж.
Одним из популярных испытательных полигонов Европы является испы-
тательный полигон железнодорожного института (Польша) в Жмигроде
(Żmigród) возле Вроцлава [17, 18]. На полигоне в Жмигроде в соответствии
со стандартом EN 15227 проводятся крэш-тесты как отдельных УПЭ, так и
полномасштабных моделей кабин машиниста с УПЭ. На полигоне, начиная с
середины 90-х годов прошлого века, выполнялись крэш-тесты в рамках евро-
пейской программы SAFETRAIN (1.08.1997 – 31.07.2001). Ударные натурные
испытания проводили практически все ведущие европейские фирмы, произ-
водящие железнодорожный подвижной состав. Для проведения испытаний
на полигоне имеются специальные платформы, на которые через силоизме-
рительные устройства устанавливаются испытываемые объекты. Разгон
платформы до нужной скорости осуществляется локомотивом.
Испытательный центр железнодорожной техники фирмы TÜV SÜD Rail
GmbH в г. Герлиц (Германия) проводит тестирование и испытания железно-
95
дорожной техники, в частности крэш-тесты железнодорожных транспортных
средств и их элементов [19]. Для испытаний УПЭ в центре используется
стенд, включающий прямолинейный участок пути, упирающийся в бетонный
блок массой 200 т, на котором установлена стальная плита с силоизмери-
тельным блоком. На этой плите крепится экспериментальный образец. Рядом
на безопасном расстоянии расположен пункт управления и обработки ре-
зультатов испытаний. Услугами сертифицированного испытательного центра
TÜV SÜD Rail GmbH пользуются для проведения крэш-тестов практически
все европейские фирмы, производящие железнодорожный подвижной состав,
крэш-буфера и другие средства пассивной защиты.
Креш-тест УПЭ. В испытательном центре TÜV SÜD Rail GmbH впервые
для стран СНГ выполнен крэш-тест опытного образца УПЭ, разработанного в
результате сотрудничества Института технической механики Национальной
академии наук Украины и Государственного космического агентства Украи-
ны с ООО “Проектно-конструкторское производственное предприятие МДС”
для пассивной защиты скоростного пассажирского локомотива нового поко-
ления при аварийных столкновениях. Опытный образец УПЭ выполнен из
малоуглеродистой стали и состоит из двух частей (рис. 1). Размеры кон-
струкции на рис. 1 даны в миллиметрах.
Рис. 1
Одна из частей представляет собой короб в виде параллелепипеда с трех-
слойным сотовым блоком внутри. Каждый сотовый слой, состоящий из сот
переменной высоты с шестигранными ячейками, установлен на диафрагме,
прикрепленной к коробу. Вторая часть выполнена в виде усеченной пирами-
ды и состоит из сот переменной высоты с трехгранными ячейками.
При проведении испытаний использовалось оборудование, представлен-
ное на рис. 2. Оборудование включало четыре датчика силы серии RF по
1200 кН производства фирмы GTM (Германия), высокоскоростные и обыч-
ные видеокамеры, датчики скорости и перемещения. Вагон-боек (рис. 3)
представляет собой платформу с грузом соответствующей массы.
Условия проведения креш-теста: масса вагона-бойка bM = 40,6 т; ско-
рость вагона-бойка при ударе bV = 24,7 км/ч.
96
силоизмерительный блок высокоскоростные камеры видеокамера GoPro
датчик скорости датчик перемещения
Рис. 2
Рис. 3
На рис. 4 показаны фрагменты крэш-теста. Вид опытного образца УПЭ
после крэш-теста показан на рис. 5. На рис. 6 приведены экспериментальные
97
Рис. 4
Рис. 5
98
Рис. 6
зависимости от продольного перемещения вагона-бойка bu контактного уси-
лия F без фильтрации и с использованием фильтра нижних частот Баттер-
ворта 4-го порядка с частотой среза 180 Гц [20]. На рис. 6 видно, что рабочий
ход конструкции составляет 700 мм. При дальнейшем ее сжатии происходит
резкое возрастание контактного усилия F . Максимальная величина усилия
F на участке рабочего хода не превышает 1,9 МН (без фильтрации) и
1,8 МН (с учетом фильтрации). Среднее значение усилия F (с учетом филь-
трации) на участке изменения перемещения bu от 0 до 200 мм составляет
0,6 МН, на участке от 200 до 700 мм – 1,3 МН, на участке от 0 до 700 мм –
1,1 МН.
Экспериментальная диаграмма, характеризующая зависимость энергии
E , которая поглощается в процессе деформирования конструкции опытного
образца УПЭ, от продольного перемещения bu приведена на рис. 7. Энерго-
емкость конструкции опытного образца УПЭ на участке 0 – 700 мм составля-
ет 0,75 МДж. Крэш-тест был завершен при перемещении вагона-бойка
bu = 786 мм. Вся кинетическая энергия удара была израсходована на сжатие
опытного образца УПЭ, после чего произошел отскок вагона-бойка. При
этом в результате сжатия конструкции опытного образца УПЭ поглощена
энергия порядка 0,96 МДж. Максимальное значение усилия F при переме-
щении bu от 700 до 786 мм составило 3,4 МН.
99
Рис. 7
Научно-методическое обеспечение для анализа пластического де-
формирования УПЭ при ударе. Конструкция УПЭ расположена между не-
подвижным упором и подвижным бойком. Схема взаимодействия УПЭ с бой-
ком при ударе показана на рис. 8.
Рис. 8
Разработанное научно-методическое обеспечение для анализа напряжен-
но-деформированного состояния элементов УПЭ при ударе включает созда-
ние с помощью средств автоматизированного конструирования трехмерной
геометрической модели исследуемой конструкции, импортирование геомет-
рической модели в программу для решения с помощью метода конечных
элементов задачи динамики, создание и тестирование конечно-элементной
Упор
Боек
УПЭ
100
математической модели, описывающей процесс пластического деформиро-
вания конструкции при ударе, проведение расчетов, построение диаграмм,
характеризующих зависимость контактной силы и энергии, поглощаемой в
результате деформирования УПЭ, от продольного перемещения бойка.
Конечно-элементное моделирование выполняется с учетом нелинейных
соотношений между деформациями и перемещениями, а также между
напряжениями и деформациями, зависимости предела текучести стали от
скорости деформации, переменного контактного взаимодействия между эле-
ментами рассматриваемой механической системы соударяющихся тел.
Для определения начала появления пластических деформаций использо-
ван критерий Мизеса с учетом влияния скорости нагружения на физико-
механические свойства материалов [21]. Для описания упругопластических
свойств материала при ударных воздействиях использована инкрементальная
модель пластичности в формулировке Крига и Кея [22, 23], основанная на
билинейной аппроксимации истинной диаграммы растяжения с учетом ки-
нематического упрочнения. Точка перелома соответствует истинному дина-
мическому пределу текучести ds , который зависит от скорости деформации.
Для вычисления ds используется зависимость Саймондса–Купера [24, 25]
T
P
Td ks
C
ss
1
1
;
P
C
k
1
1
, (1)
где Ts – истинный предел текучести при статической нагрузке; C и P – коэф-
фициенты упрочнения стали, определяемые на основе экспериментальных
данных; – нормализированная скорость деформации при динамическом
нагружении (безразмерная величина, которая получается в результате деле-
ния размерной величины скорости деформации на 1,0 с
-1
); k – динамический
коэффициент упрочнения стали.
Система дифференциальных уравнений движения механической системы
в приращениях имеет вид
QUUKUM c ),( , (2)
где M – матрица масс, ),( UKc – матрица жесткости с учетом геометриче-
ской и физической нелинейностей; U и Q – векторы приращения пере-
мещений и нагрузок (с учетом контактного взаимодействия).
Система уравнений (2) решается с помощью метода последовательных
нагружений [26]. В результате решения определяются узловые перемещения,
скорости, ускорения, деформации, напряжения, контактное усилие F (инте-
грал по области контакта от распределенных контактных напряжений) между
бойком и исследуемой конструкцией в текущие моменты времени. На осно-
вании полученных данных строятся диаграммы, характеризующие зависимо-
сти контактного усилия F и энергии E , поглощаемой при пластическом де-
формировании конструкции, от перемещения bu . При построении диаграмм
используется фильтр нижних частот с частотой среза 180 Гц [27]. Примене-
ние такого фильтра согласуется с требованиями стандарта EN 15227.
При разработке конечно-элементной модели для анализа нелинейного
деформирования элементов конструкции УПЭ при ударе используются спе-
101
циальные оболочечные элементы с тремя или четырьмя узлами, каждый из
которых имеет по три линейных и угловых перемещения, скорости и ускоре-
ния относительно осей узловой системы координат элемента. Эти элементы
позволяют учитывать мембранные и изгибные пластические деформации.
Боек и упор представляют собой параллелепипеды, которые моделируются
объемными конечными элементами с четырьмя узлами, имеющими по три
линейных перемещения, скорости и ускорения. В узлах, расположенных на
дальней от УПЭ грани бойка, равномерно распределяются одинаковые по
величине сосредоточенные массы. Масса бойка равняется сумме масс моде-
лирующего боек параллелепипеда и всех сосредоточенных масс. Такой под-
ход позволяет представить боек заданной массой при достаточно небольшом
его объеме. Размеры бойка и упора выбираются таким образом, чтобы обес-
печить их контактное взаимодействие с УПЭ в процессе деформирования.
Схемы контактного взаимодействия между соприкасающимися поверхно-
стями бойка и исследуемой конструкции, между элементами самой исследу-
емой конструкции, а также между элементами исследуемой конструкции и
неподвижного упора приняты в форме “поверхность в поверхность”.
Конечно-элементная схема механической системы из двух соударяю-
щихся тел “опытный образец конструкции УПЭ – боек” состоит из 21782 уз-
лов и 23128 элементов. Размер элементов при моделировании упора состав-
ляет 100 – 400 мм, при моделировании бойка – 50 мм, при моделировании
сотовых пакетов с шестигранными ячейками – 15 мм, остальных частей УПЭ
– 20 мм.
Граничные условия – нулевые перемещения всех узлов неподвижного
упора. Начальные условия – узловые скорости бойка в начальный момент
времени.
Сравнение результатов математического моделирования и крэш-
теста. В соответствии с условиями крэш-теста проведено математическое
моделирование упругопластического деформирования конструкции опытно-
го образца УПЭ при ударе вагоном-бойком массой bM = 40,6 т со скоростью
bV = 24,7 км/ч с использованием разработанного научно-методического
обеспечения и конечно-элементной модели.
Согласно стандарту EN 15227 [1] результаты моделирования процесса
деформирования УПЭ при ударе считаются приемлемыми, если по итогам
сравнения с результатами крэш-теста удовлетворяются следующие критерии:
величина рабочего хода УПЭ, полученная при моделировании, может
отличаться от экспериментально найденного значения максимум на 10 %;
среднее значение контактного усилия, которое определяется в результате
математического моделирования по графику, демонстрирующему зависимость
перемещения от величины контактного усилия, может отличаться от среднего
значения контактного усилия, найденного экспериментально, максимум на 10 %;
полученное в результате математического моделирования значение
энергии столкновения, которая рассеивается при деформации УПЭ, отлича-
ется от значения, найденного экспериментально, не более чем на 10 %;
кривая, определяющая зависимость контактного усилия от перемещения,
полученная в ходе моделирования процесса деформирования УПЭ, имеет те же
характеристики, что и соответствующая кривая, полученная экспериментально.
102
При проведении данного сравнения должен использоваться фильтр нижних ча-
стот на 180 Гц, чтобы удалить из выходного сигнала высокочастотные всплески.
Согласно EN 15227 хорошая согласованность экспериментальных результа-
тов и результатов моделирования зависит, главным образом, от качества числен-
ной модели. Свойства материалов в математической модели деформирования
УПЭ при ударе должны отражать реальное поведение используемых материалов.
По критериям европейского стандарта EN 15227 выполнено сравнение ре-
зультатов, полученных расчетным и экспериментальным путями на участке
рабочего хода (700 мм) опытного образца УПЭ. Фрагменты крэш-теста и его
конечно-элементного моделирования при разных значениях перемещения bu
вагона-бойка показаны на рис. 9.
bu = 100 мм bu = 300 мм
bu = 500 мм bu = 700 мм
Рис. 9.
На рис. 10 приведены теоретические и экспериментальные диаграммы,
характеризующие зависимость контактного усилия F от продольного пере-
мещения bu . Установлено, что расхождение средних значений контактного
усилия между УПЭ и вагоном-бойком составляет 7 % (при допустимых
10 %), а расхождение значений энергии, которая поглощается за счет дефор-
мации УПЭ при перемещении bu = 700 мм, составляет 5 % (при допустимых
10 %).
Хорошее согласование результатов расчета и крэш-теста подтверждает
достоверность результатов конечно-элементного моделирования с помощью
разработанного научно-методического обеспечения.
103
Рис. 10
Выводы. Выполнен анализ особенностей проведения полноразмерных
натурных испытаний крэш-элементов на базе европейского стандарта
ЕN 15227. Дано описание европейских испытательных центров, обеспечива-
ющих проведение крэш-тестов железнодорожной техники. Приведено описа-
ние и основные результаты выполненного впервые для стран СНГ в испыта-
тельном центре TÜV SÜD Rail GmbH (Герлиц, Германия) крэш-теста опыт-
ного образца УПЭ, предназначенного для пассивной защиты скоростного
пассажирского локомотива нового поколения. Получены экспериментальные
диаграммы, характеризующие зависимости контактного усилия и поглощае-
мой энергии от продольного перемещения вагона-бойка. Установлено, что
энергоемкость конструкции опытного образца УПЭ с рабочим ходом 700 мм
составляет 0,75 МДж. На участке рабочего хода максимальная величина кон-
тактного усилия не превышает 1,8 МН, а его среднее значение равно 1,1 МН.
Разработано научно-методическое обеспечение для определения пара-
метров УПЭ путем решения задачи теории пластичности при заданных
начальных и граничных условиях. С использованием разработанных научно-
методического обеспечения и конечно-элементной модели проведено мате-
матическое моделирование упругопластического деформирования конструк-
ции опытного образца УПЭ при ударе в соответствии с условиями выполнен-
ного крэш-теста. По критериям европейского стандарта EN 15227 выполнено
сравнение результатов, полученных расчетным и экспериментальным путями
на участке рабочего хода (700 мм) опытного образца УПЭ. Установлено, что
расхождение средних расчетных и экспериментальных значений контактного
усилия составляет 7 % при допустимых 10 %. Расчетное и эксперименталь-
ное значения энергии, которая поглощается за счет деформации УПЭ на ра-
104
бочем ходе 700 мм, совпадают с точностью до 5 %. Хорошая согласован-
ность экспериментальных результатов и результатов моделирования под-
тверждает адекватность разработанной конечно-элементной модели и досто-
верность результатов, получаемых с помощью разработанного научно-
методического обеспечения.
1. EN 15227. Railway applications – Crashworthmess requirements for railway vehicle bodies. – Brussel :
European committee for standardization, 2008. – 37 p.
2. Carl F. B. Development of the crashworthy locomotive platform TRAXX: Operational needs, technical concept
and validation procedure / F. B. Carl, S. Schneider, W. Wolter // Passive Safety of Rail Vehicles 2013 :
Railway Research Network Proceedings of the 5th International Symposium “Passive Safety of Rail Vehicles
and Safe Interiors” in Berlin on 17 – 18 March 2005. – 2/2005. – Berlin : IFV Bahntechnik e.V. – 2005. –
P. 42 – 62.
3. Entwicklung der Kastenstruktur für die Lokomotive Voith Maxima 40CC. Design of the carbody structure for
the Voith Maxima 40CC locomotive / J. Foedtke, S. Schneider, R. Pfrommer and etc. // ZEVrail Glasers
Annalen. – 2008. – № 132. – Р. 292 – 303.
4. Prima II – локомотивы нового поколения // Железные дороги мира. – 2010. – № 12. – С. 17 – 25.
5. Vectron – a customer-optimized crash concept (Vectron – оптимизированная под потребителя крэш конце-
пция) [Электронный ресурс]. – Режим доступа :
http://www.mobility.siemens.com/mobility/global/en/interurban-mobility/rail-
solutions/locomotives/vectron/technology/modular-locomotive-concept/replaceable-front-
end/pages/replaceable-front-end.aspx
6. The EST crash buffer (EST крэш буфер) [Электронный ресурс]. – Режим доступа :
http://www.crashbuffer.com/index.htm
7. Wasilewski L. Evolution of crash absorbing systems according to EN 15227 and according to real operation
conditions / L. Wasilewski // Passive Safety of Rail Vehicles 2013 : Railway Research Network Proceedings of
the 9th International Symposium “Passive Safety 2013 – Passive Safety of Rail Vehicles and Safe Interiors” in
Berlin on 21 – 22 February 2013. – 43/2013. – Berlin : IFV Bahntechnik e.V. – 2013. – P. 211 – 218.
8. Railway passive safety in Europe (Пассивная безопасность на железнодорожном транспорте Европы)
[Электронный ресурс]. – Режим доступа
http://www.uic.org/cdrom/2008/02_globalview_india2/presentations/16.PassiveSafety_Europe_Pereira.pdf
9. ГОСТ 32410-2013 Межгосударственный стандарт. Крэш-системы аварийные железнодорожного под-
вижного состава для пассажирских перевозок. Технические требования и методы контроля. – М. : Ста-
ндартинформ, 2014. – 29 с.
10. Соболевская М. Б. Основные положения концепции пассивной защиты скоростного пассажирского
поезда при аварийных столкновениях / М. Б. Соболевская, С. А. Сирота // Техническая механика. –
2015. – № 1. – С. 84 – 96.
11. Sobolevska M. Passive safety system of an electric locomotive for high-speed operation on the railways with
1520 mm gauge / M. Sobolevska, I. Telychko // Passive Safety of Rail Vehicles 2013 : Railway Research
Network Proceedings of the 9th International Symposium “Passive Safety 2013 – Passive Safety of Rail
Vehicles and Safe Interiors” in Berlin on 21 – 22 February 2013. – 43/2013. – Berlin : IFV Bahntechnik e.V. –
2013. – P. 63 – 80.
12. Патент на корисну модель 64978 Україна, МПК В 61 G 11/00. Пристрій для поглинання енергії удару /
Ушкалов В. Ф., Науменко Н. Ю., Теличко І. Б. та інш. – u201104838 ; заявл. 19.04.2011 ;
опубл. 25.11.2011, Бюл. № 22/2011. – 6 с.
13. Bombardier transport France Crespin Engineering Tests France (Crespin тест-центр) [Электронный ресурс].
– Режим доступа : http://www.eurailsafe.net/file.php?id=202
14. Bombardier Successfully Concludes First Passive-Safety Crash Tests on Spacium 3.06 (Успешно заверши-
лись первые крэш-тесты Spacium 3.06) [Электронный ресурс]. – Режим доступа :
http://www.marketwired.com/press-release/bombardier-successfully-concludes-first-passive-safety-crash-tests-
on-spacium-3o6-ile-tsx-bbd.a-752923.htm
15. Presentation of the first Regio 2N train (Презентация первого поезда Regio 2N) [Электронный ресурс]. –
Режим доступа :
http://www.bombardier.com/content/dam/Websites/bombardiercom/Events/Supporting%20Documents/BT/bo
mbardier-transportation-20130924-press-kit-Regio-2N-Crespin-EN.pdf
16. Alstom Film Carte De Visite Reichshoffen (Визит на Alstom в Reichshoffen) [Электронный ресурс]. –
Режим доступа : https://www.youtube.com/watch?v=QZkxyGLFbwI&list=PLFSobSthzbUTQtpTvLbt-
SyOxG6rVJkXZ&index=51
17. Sanecki H. Badania odporności zderzeniowej pojazdów szynowych / H. Sanecki // Seminarium, IK Warszawa,
8.05.2012 (Исследования ударопрочности железнодорожных транспортных средств) [Электронный ре-
сурс]. – Режим доступа : http://www.ikolej.pl/fileadmin/user_upload/wydarzenia/Newsletter_No1.pdf
18. Crash test kabiny V300 Zefiro. Prędkość: 38 km/h. Żmigród (Крэш-тест кабины V300 Zefiro) [Электрон-
ный ресурс]. – Режим доступа : https://www.youtube.com/watch?v=M24h1M0VCrc
http://www.mobility.siemens.com/mobility/global/en/interurban-mobility/rail
http://www.crashbuffer.com/index.htm
http://www.eurailsafe.net/file.php?id=202
http://www.marketwired.com/press-release/bombardier-successfully-concludes-first-passive-safety-crash-tests-on-spacium-3o6-ile-tsx-bbd.a-752923.htm
http://www.marketwired.com/press-release/bombardier-successfully-concludes-first-passive-safety-crash-tests-on-spacium-3o6-ile-tsx-bbd.a-752923.htm
http://www.bombardier.com/content/dam/Websites%0b/bombardiercom/Events/Supporting%20Documents/BT/bombardier-transportation-20130924-press-kit-Regio-2N-Crespin-EN.pdf
http://www.bombardier.com/content/dam/Websites%0b/bombardiercom/Events/Supporting%20Documents/BT/bombardier-transportation-20130924-press-kit-Regio-2N-Crespin-EN.pdf
https://www.youtube.com/watch?v=QZkxyGLFbwI&list=PLFSobSthzbUTQtpTvLbt-SyOxG6rVJkXZ&index=51
https://www.youtube.com/watch?v=QZkxyGLFbwI&list=PLFSobSthzbUTQtpTvLbt-SyOxG6rVJkXZ&index=51
http://www.ikolej.pl/fileadmin/user_upload/wydarzenia/Newsletter_No1.pdf
105
19. TÜV SÜD Rail New Challenges in Railway Operations (TÜV SÜD Rail новые вызовы в железнодорожных
перевозках) [Электронный ресурс]. – Режим доступа : https://www.tuev-
sued.de/uploads/images/1417169050321070970779/tuev-sued-rail-new-challenges-in-railway-operations.pdf
20. Лукас В. А. Теория автоматического управления / В. А. Лукас. – M. : Недра, 1990. – 416 с.
21. Инженерные методы исследований ударных процессов / Г. С. Батуев, Ю. В. Голубков, А. К. Ефремов и
др. – М. : Машиностроение, 1977. – 240 с.
22. From engineering stress to true stress (От условных напряжений к истинным) [Электронный ресурс]. –
Режим доступа : http://www.dynasupport.com/howtos/material/from-engineering-to-true-strain-true-stress
23. Krieg R. D. Implementation of a time independent plasticity theory into structural computer programs /
R. D. Krieg, S. W. Key // Vol. 20 of Constitutive equations in viscoplasticity: computational and engineering
aspects. – New York : ASME, 1976. – Р. 125 – 137.
24. Саймондс П. С. Динамика неупругих конструкций : пер. с англ. / П. С. Саймондс. – М. : Мир, 1982. –
224 с.
25. Cowper G. R. Strain Hardening and Strain Rate Effects in the Impact Loading of Cantilever Beams /
G. R. Cowper, P. S. Symonds // BrownUniv. : Applied Mathematics Report. – 1958. – P. 28.
26. Оден Д. Конечные элемнты в механике сплошных сред / Д. Оден. – М. : Мир, 1976. – 464 с.
27. Гоноровский И. С. Радиотехнические цепи и сигналы : учебник для вузов / И. С. Гоноровский. – М. :
Радио и связь, 1986. – 512 с.
Институт технической механики Получено 23.05.2016,
Национальной академии наук Украины и в окончательном варианте 06.06.2016.
Государственного космического агентства Украины,
Днепропетровск
ООО “Проектно-конструкторское производственное
предприятие МДС”,
Днепропетровск
http://www.dynasupport.com/howtos/material/from-engineering-to-true-strain-true-stress
|