Оценка динамической нагруженности экипажей поезда с элементами системы пассивной безопасности при столкновении с препятствием
Цель работы – оценка динамической нагруженности экипажей пассажирского поезда локомотивной тяги, оборудованных СПБ, при столкновении с КДП согласно сценарию 3. Научной новизной статьи является усовершенствованная математическая модель для решения нелинейной динамической задачи о столкновении эталонн...
Saved in:
| Published in: | Технічна механіка |
|---|---|
| Date: | 2019 |
| Main Authors: | , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут технічної механіки НАН України і НКА України
2019
|
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/174042 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Оценка динамической нагруженности экипажей поезда с элементами системы пассивной безопасности при столкновении с препятствием / Н.Е. Науменко, М.Б. Соболевская // Технічна механіка. — 2019. — № 2. — С. 80-92. — Бібліогр.: 11 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-174042 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Науменко, Н.Е. Соболевская, М.Б. 2020-12-29T17:51:31Z 2020-12-29T17:51:31Z 2019 Оценка динамической нагруженности экипажей поезда с элементами системы пассивной безопасности при столкновении с препятствием / Н.Е. Науменко, М.Б. Соболевская // Технічна механіка. — 2019. — № 2. — С. 80-92. — Бібліогр.: 11 назв. — рос. 1561-9184 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/174042 629.4:62-758.2 Цель работы – оценка динамической нагруженности экипажей пассажирского поезда локомотивной тяги, оборудованных СПБ, при столкновении с КДП согласно сценарию 3. Научной новизной статьи является усовершенствованная математическая модель для решения нелинейной динамической задачи о столкновении эталонного поезда с КДП на переезде с учетом работы поглощающих аппаратов автосцепных устройств, возможности сдвига объединенных ударно-тяговых устройств в подвагонное пространство, пластического деформирования устройств поглощения энергии (УПЭ), возможности возникновения пластических деформаций в конструкциях локомотивов и вагонов, а также взаимодействия КДП и элементов передней части локомотива. Мета роботи – оцінка динамічної навантаженості екіпажів пасажирського поїзда локомотивної тяги, обладнаних СПБ, при зіткненні з ВДП згідно зі сценарієм 3. Науковою новизною статті є удосконалена математична модель для розв’язання нелінійної динамічної задачі про зіткнення еталонного поїзда з ВДП на переїзді з урахуванням роботи поглинаючих апаратів автозчепних пристроїв, можливості зсуву об’єднаних ударно-тягових пристроїв у підвагонний простір, пластичного деформування пристроїв поглинання енергії (ППЕ), можливості виникнення пластичних деформацій в конструкціях локомотивів і вагонів, а також взаємодії ВДП і елементів передньої частини локомотива. The aim of this work is to estimate dynamic loads on the PSS-equipped vehicles of a locomotive-hauled passenger train in a collision with an LSDO at a grade crossing. The paper presents a new refined mathematical model for the solution of the nonlinear dynamic problem of a reference train – LSDO collision at a grade crossing with account for the operation of the center coupler draft gears, the possibility of the draw-buffing gears shifting into the undercar space, the plastic deformation of energy-absorbing devices, the possibility of plastic deformations in the locomotive and car structures, and the interaction of the LSDO with the front part of the locomotive. ru Інститут технічної механіки НАН України і НКА України Технічна механіка Оценка динамической нагруженности экипажей поезда с элементами системы пассивной безопасности при столкновении с препятствием Оцінка динамічної навантаженості екіпажів поїзда з елементами системи пасивної безпеки при зіткненні з перешкодою Estimation of dynamic loads on train vehicles with passive safety system elements in a collision with an obstacle Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Оценка динамической нагруженности экипажей поезда с элементами системы пассивной безопасности при столкновении с препятствием |
| spellingShingle |
Оценка динамической нагруженности экипажей поезда с элементами системы пассивной безопасности при столкновении с препятствием Науменко, Н.Е. Соболевская, М.Б. |
| title_short |
Оценка динамической нагруженности экипажей поезда с элементами системы пассивной безопасности при столкновении с препятствием |
| title_full |
Оценка динамической нагруженности экипажей поезда с элементами системы пассивной безопасности при столкновении с препятствием |
| title_fullStr |
Оценка динамической нагруженности экипажей поезда с элементами системы пассивной безопасности при столкновении с препятствием |
| title_full_unstemmed |
Оценка динамической нагруженности экипажей поезда с элементами системы пассивной безопасности при столкновении с препятствием |
| title_sort |
оценка динамической нагруженности экипажей поезда с элементами системы пассивной безопасности при столкновении с препятствием |
| author |
Науменко, Н.Е. Соболевская, М.Б. |
| author_facet |
Науменко, Н.Е. Соболевская, М.Б. |
| publishDate |
2019 |
| language |
Russian |
| container_title |
Технічна механіка |
| publisher |
Інститут технічної механіки НАН України і НКА України |
| format |
Article |
| title_alt |
Оцінка динамічної навантаженості екіпажів поїзда з елементами системи пасивної безпеки при зіткненні з перешкодою Estimation of dynamic loads on train vehicles with passive safety system elements in a collision with an obstacle |
| description |
Цель работы – оценка динамической нагруженности экипажей пассажирского поезда локомотивной тяги, оборудованных СПБ, при столкновении с КДП согласно сценарию 3. Научной новизной статьи является усовершенствованная математическая модель для решения нелинейной динамической задачи о столкновении эталонного поезда с КДП на переезде с учетом работы поглощающих аппаратов автосцепных устройств, возможности сдвига объединенных ударно-тяговых устройств в подвагонное пространство, пластического деформирования устройств поглощения энергии (УПЭ), возможности возникновения пластических деформаций в конструкциях локомотивов и вагонов, а также взаимодействия КДП и элементов передней части локомотива.
Мета роботи – оцінка динамічної навантаженості екіпажів пасажирського поїзда локомотивної тяги, обладнаних СПБ, при зіткненні з ВДП згідно зі сценарієм 3. Науковою новизною статті є удосконалена математична модель для розв’язання нелінійної динамічної задачі про зіткнення еталонного поїзда з ВДП на переїзді з урахуванням роботи поглинаючих апаратів автозчепних пристроїв, можливості зсуву об’єднаних ударно-тягових пристроїв у підвагонний простір, пластичного деформування пристроїв поглинання енергії (ППЕ), можливості виникнення пластичних деформацій в конструкціях локомотивів і вагонів, а також взаємодії ВДП і елементів передньої частини локомотива.
The aim of this work is to estimate dynamic loads on the PSS-equipped vehicles of a locomotive-hauled passenger train in a collision with an LSDO at a grade crossing. The paper presents a new refined mathematical model for the solution of the nonlinear dynamic problem of a reference train – LSDO collision at a grade crossing with account for the operation of the center coupler draft gears, the possibility of the draw-buffing gears shifting into the undercar space, the plastic deformation of energy-absorbing devices, the possibility of plastic deformations in the locomotive and car structures, and the interaction of the LSDO with the front part of the locomotive.
|
| issn |
1561-9184 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/174042 |
| citation_txt |
Оценка динамической нагруженности экипажей поезда с элементами системы пассивной безопасности при столкновении с препятствием / Н.Е. Науменко, М.Б. Соболевская // Технічна механіка. — 2019. — № 2. — С. 80-92. — Бібліогр.: 11 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT naumenkone ocenkadinamičeskoinagružennostiékipažeipoezdasélementamisistemypassivnoibezopasnostipristolknoveniisprepâtstviem AT sobolevskaâmb ocenkadinamičeskoinagružennostiékipažeipoezdasélementamisistemypassivnoibezopasnostipristolknoveniisprepâtstviem AT naumenkone ocínkadinamíčnoínavantaženostíekípažívpoízdazelementamisistemipasivnoíbezpekiprizítknennízpereškodoû AT sobolevskaâmb ocínkadinamíčnoínavantaženostíekípažívpoízdazelementamisistemipasivnoíbezpekiprizítknennízpereškodoû AT naumenkone estimationofdynamicloadsontrainvehicleswithpassivesafetysystemelementsinacollisionwithanobstacle AT sobolevskaâmb estimationofdynamicloadsontrainvehicleswithpassivesafetysystemelementsinacollisionwithanobstacle |
| first_indexed |
2025-11-26T21:41:11Z |
| last_indexed |
2025-11-26T21:41:11Z |
| _version_ |
1850777749652766720 |
| fulltext |
80
УДК 629.4:62-758.2
Н. Е. НАУМЕНКО, М. Б. СОБОЛЕВСКАЯ
ОЦЕНКА ДИНАМИЧЕСКОЙ НАГРУЖЕННОСТИ ЭКИПАЖЕЙ ПОЕЗДА
С ЭЛЕМЕНТАМИ СИСТЕМЫ ПАССИВНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
ПРИ СТОЛКНОВЕНИИ С ПРЕПЯТСТВИЕМ
Институт технической механики
Национальной академии наук Украины и Государственного космического агентства Украины,
ул. Лешко-Попеля, 15, 49005, Днепр, Украина; e-mail: dep7@ukr.net
Актуальною проблемою вітчизняного залізничного транспорту є заміна морально і фізично застарі-
лих пасажирських поїздів локомотивної тяги новими швидкісними поїздами з ефективними засобами
активного захисту і системами пасивної безпеки (СПБ) при аварійних зіткненнях з різними перешкодами.
СПБ призначено для захисту пасажирів і персоналу поїзда, збереження несучих конструкцій залізничних
екіпажів, скорочення витрат на ліквідацію наслідків зіткнень. В аварійній ситуації в результаті контро-
льованого пластичного деформування елементів СПБ відбувається поглинання кінетичної енергії удару,
зниження поздовжніх зусиль в міжвагонних з’єднаннях і прискорень екіпажів. Пасивну безпеку при зітк-
неннях пасажирських поїздів в країнах ЕС регламентує стандарт EN 15227, який в 2016 р. був введений в
дію в Україні як ДСТУ EN 15227:2015. У ньому визначено еталонні поїзди, чотири сценарії зіткнення,
вимоги з пасивної безпеки і критерії для оцінки відповідності розроблених конструкцій рухомого складу
цим вимогам. У статті розглядається сценарій 3, який характеризує зіткнення зі швидкістю 110 км/год
пасажирського поїзда з великим дорожнім транспортним засобом масою 15 т, що представляє собою ве-
ликогабаритну перешкоду, яка вільно стоїть на переїзді та може деформуватися (ВДП). Мета роботи –
оцінка динамічної навантаженості екіпажів пасажирського поїзда локомотивної тяги, обладнаних СПБ,
при зіткненні з ВДП згідно зі сценарієм 3. Науковою новизною статті є удосконалена математична модель
для розв’язання нелінійної динамічної задачі про зіткнення еталонного поїзда з ВДП на переїзді з ураху-
ванням роботи поглинаючих апаратів автозчепних пристроїв, можливості зсуву об’єднаних ударно-
тягових пристроїв у підвагонний простір, пластичного деформування пристроїв поглинання енергії (ППЕ),
можливості виникнення пластичних деформацій в конструкціях локомотивів і вагонів, а також взаємодії
ВДП і елементів передньої частини локомотива. Вказана математична модель дозволяє отримати середні
значення прискорень екіпажів і пластичних деформацій їх конструкцій для порівняння з допустимими
значеннями. В результаті проведених досліджень встановлено, що вимоги стандарту ДСТУ EN 15227:2015
для сценарію 3 виконуються, якщо локомотив масою 123 т має в передній частині каркаса кабіни жертов-
ну зону енергоємністю 0,3 МДж і обладнаний з двох сторін двома ППЕ з енергоємністю кожного
0,95 МДж, а пасажирські вагони масою 64 т обладнані з двох боків двома ППЕ з енергоємністю кожного
0,3 МДж. Запропонована математична модель і результати виконаних досліджень можуть бути викорис-
тані при проектуванні залізничних екіпажів вітчизняного пасажирського поїзда локомотивної тяги з ура-
хуванням вимог ДСТУ EN 15227:2015.
Актуальной проблемой отечественного железнодорожного транспорта является замена морально и
физически устаревших пассажирских поездов локомотивной тяги новыми скоростными поездами с эф-
фективными средствами активной защиты и системами пассивной безопасности (СПБ) при аварийных
столкновениях с различными препятствиями. СПБ предназначены для защиты пассажиров и персонала
поезда, сохранения несущих конструкций железнодорожных экипажей, сокращения затрат на ликвидацию
последствий столкновений. В аварийной ситуации в результате контролируемого пластического деформи-
рования элементов СПБ происходит поглощение кинетической энергии удара, снижение продольных
усилий в межвагонных соединениях и ускорений экипажей. Пассивную безопасность при столкновениях
пассажирских поездов в странах ЕС регламентирует стандарт EN 15227, который в 2016 г. введен в дейст-
вие в Украине как ДСТУ EN 15227:2015. В нем определены эталонные поезда, четыре сценария столкно-
вения, требования по пассивной безопасности и критерии для оценки соответствия разработанных конст-
рукций подвижного состава этим требованиям. В статье рассматривается сценарий 3, который характери-
зует столкновение со скоростью 110 км/ч пассажирского поезда с большим дорожным транспортным
средством массой 15 т, представляющим собой свободно стоящее на переезде крупногабаритное дефор-
мируемое препятствие (КДП). Цель работы – оценка динамической нагруженности экипажей пассажир-
ского поезда локомотивной тяги, оборудованных СПБ, при столкновении с КДП согласно сценарию 3.
Научной новизной статьи является усовершенствованная математическая модель для решения нелинейной
динамической задачи о столкновении эталонного поезда с КДП на переезде с учетом работы поглощаю-
щих аппаратов автосцепных устройств, возможности сдвига объединенных ударно-тяговых устройств в
подвагонное пространство, пластического деформирования устройств поглощения энергии (УПЭ), воз-
можности возникновения пластических деформаций в конструкциях локомотивов и вагонов, а также
взаимодействия КДП и элементов передней части локомотива. Указанная математическая модель позво-
ляет получить средние значения ускорений экипажей и пластических деформаций их конструкций для
сравнения с допускаемыми значениями. В результате проведенных исследований установлено, что требо-
вания стандарта ДСТУ EN 15227:2015 для сценария 3 выполняются, если локомотив массой 123 т имеет в
Н. Е. Науменко, М. Б. Соболевская, 2019
Техн. механіка. – 2019. – № 2.
81
передней части каркаса кабины жертвенную зону энергоемкостью 0,3 МДж и оборудован с двух сторон
двумя УПЭ с энергоемкостью каждого 0,95 МДж, а пассажирские вагоны массой 64 т оборудованы с двух
сторон двумя УПЭ с энергоемкостью каждого 0,3 МДж. Предложенная математическая модель и резуль-
таты выполненных исследований могут быть использованы при проектировании железнодорожных эки-
пажей отечественного пассажирского поезда локомотивной тяги с учетом требований ДСТУ
EN 15227:2015.
A topical problem for the Ukrainian railway transport is replacement of obsolete and outdated locomotive-
hauled passenger trains with new high-speed trains equipped with active protection means and passive safety
systems (PSSs) to provide safety in emergency collisions with various obstacles. PSSs serve to protect the passen-
gers and the train crew, provide vehicle load-bearing structure safety, and reduce the cost of recovery work. In an
emergency collision, the controlled plastic deformation of the PSS elements absorbs the kinetic energy of the
impact and reduces the longitudinal forces in the intercar couplers and the car accelerations. In the EU countries,
the passive safety of passenger trains in collisions is regulated by the European Standard EN 15227, which since
2016 has been in force in Ukraine as the Ukrainian State Standard DSTU EN 15227:2015. The Standard EN
15227 specifies reference trains, four collision scenarios, passive safety requirements, and criteria for assessing
the compliance of the designs of PSS-equipped vehicles with the specified requirements. This paper considers
Scenario 3, which characterizes an impact between a passenger train moving at a speed of 110 km/h and a large
road vehicle of 15 t, which is a large-size deformable obstacle (LSDO) standing freely at a grade crossing. The
aim of this work is to estimate dynamic loads on the PSS-equipped vehicles of a locomotive-hauled passenger
train in a collision with an LSDO at a grade crossing. The paper presents a new refined mathematical model for
the solution of the nonlinear dynamic problem of a reference train – LSDO collision at a grade crossing with
account for the operation of the center coupler draft gears, the possibility of the draw-buffing gears shifting into
the undercar space, the plastic deformation of energy-absorbing devices, the possibility of plastic deformations in
the locomotive and car structures, and the interaction of the LSDO with the front part of the locomotive. The
model gives the average values of the vehicle accelerations and plastic deformations to compare them with their
permissible values. As shown by the studies conducted, the DSTU EN 15227:2015 requirements are met if a 123 t
locomotive has a collapse zone of capacity 0.3 MJ in the front part of the cab frame and is equipped on both sides
with two energy absorbing devices of capacity 0.95 MJ each, and 64 t passenger cars are equipped on both sides
with two energy-absorbing devices of capacity 0.3 MJ each. The proposed mathematical model and the results
obtained may be used in the design of home railway vehicles for locomotive-hauled passenger trains according to
the DSTU EN 15227:2015 requirements.
Ключевые слова: пассажирский поезд, столкновение на переезде, круп-
ногабаритное деформируемое препятствие, система пассивной безопасно-
сти.
Введение. Актуальной проблемой отечественного железнодорожного
транспорта является обновление морально и физически устаревшего пасса-
жирского подвижного состава, создание нового поколения скоростных пас-
сажирских поездов локомотивной тяги, в конструкции которых интегрирова-
ны эффективные средства активной защиты и системы пассивной безопасно-
сти (СПБ) при аварийных столкновениях с препятствиями на железнодорож-
ном пути. Эти системы предназначены для защиты пассажиров и персонала
поезда, сохранения несущих конструкций железнодорожных экипажей, со-
кращения затрат на ликвидацию последствий столкновений. В аварийной си-
туации в результате контролируемого пластического деформирования эле-
ментов СПБ происходит поглощение кинетической энергии удара, снижение
продольных усилий в межвагонных соединениях и ускорений экипажей.
Пассивную безопасность при столкновениях пассажирских поездов в
странах ЕС регламентирует стандарт EN 15227 [1], который в 2016 г. введен
в действие в Украине как ДСТУ EN 15227:2015 [2]. В нем определены эта-
лонные поезда, нормативные сценарии столкновений, требования по пассив-
ной безопасности и критерии для оценки соответствия разработанных конст-
рукций подвижного состава с СПБ этим требованиям. Проверка выполнения
критериев ДСТУ EN 15227:2015 проводится путем математического модели-
рования динамики столкновений эталонного поезда с препятствиями соглас-
но нормативным сценариям столкновений и сравнения полученных средних
82
значений продольных ускорений и пластических деформаций в несущих эле-
ментах проектируемых конструкций с допускаемыми значениями.
При проектировании с использованием ДСТУ EN 15227:2015 отечест-
венных экипажей скоростного пассажирского поезда локомотивной тяги мо-
жет быть использована разработанная в отделе статистической динамики и
динамики многомерных механических систем Института технической меха-
ники Национальной академии наук Украины и Государственного космиче-
ского агентства Украины концепция пассивной защиты отечественного ско-
ростного пассажирского поезда при столкновениях [3], которая учитывает
существенные отличия в межвагонных соединениях отечественного и евро-
пейского подвижного состава. Согласно данной концепции пассивная безо-
пасность отечественных пассажирских экипажей с объединенными ударно-
тяговыми приборами предполагает использование сдвигаемых автосцепных
устройств, противоподъемных устройств, устройств поглощения энергии
(УПЭ) и организацию жертвенных зон в концевых частях локомотивов. Раз-
работана математическая модель, которая описывает процесс лобового столк-
новения двух идентичных скоростных пассажирских поездов локомотивной
тяги на прямолинейном участке пути с учетом работы сдвигаемых автосцеп-
ных устройств при эксплуатационных и аварийных воздействиях, работы
элементов СПБ локомотива и вагонов, возможности возникновения пласти-
ческих деформаций в конструкциях экипажей поезда [4 – 5]. Указанная мате-
матическая модель использована для анализа столкновения со скоростью 36 км/ч
идентичных поездов (сценарий 1) и для исследования столкновения со скоро-
стью 36 км/ч эталонного поезда с грузовым вагоном массой 80 т (сценарий 2) [6].
В статье [6] приведены результаты исследования динамической нагруженно-
сти экипажей пассажирского эталонного поезда, составленного из локомотива
(массой 90 т или 123 т) и четырех вагонов (массами 50 т или 64 т), оборудован-
ных сзади и спереди двумя УПЭ соответствующей энергоемкости, при столкно-
вениях согласно сценариям 1 и 2. Проведенные исследования показали, что
требования стандарта ДСТУ EN 15227:2015 и разработанной концепции пас-
сивной безопасности пассажирского подвижного состава железных дорог
колеи 1520 мм для рассмотренных сценариев столкновения выполняются при
оборудовании локомотивов массой 90 т и 123 т УПЭ с энергоемкостью
0,95 МДж и вагонов массой 50 т УПЭ с энергоемкостью 0,25 МДж, вагонов
массой 64 т УПЭ с энергоемкостью 0,3 МДж. На основе полученных результа-
тов разработаны конструкции УПЭ для пассивной защиты пассажирских локо-
мотивов [7] и прицепных вагонов [8] нового поколения при аварийных столкно-
вениях на железных дорогах колеи 1520 мм.
В данной статье рассматривается сценарий 3 стандарта ДСТУ
EN 15227:2015, который характеризует столкновение со скоростью 110 км/ч
эталонного поезда с большим дорожным транспортным средством, представ-
ляющим собой свободно стоящее на переезде крупногабаритное деформи-
руемое препятствие (КДП) массой 15 т. В статье [9] приведены разработан-
ная геометрическая модель КДП и выбранные в результате конечно-
элементного моделирования пластического деформирования КДП при ударе
параметры препятствия, при которых оно соответствует стандарту ДСТУ
EN 15227:2015.
Постановка задачи. Цель работы – оценка динамической нагруженно-
сти экипажей скоростного пассажирского поезда локомотивной тяги, обору-
83
дованных СПБ, при столкновении с КДП согласно сценарию 3 ДСТУ
EN 15227:2015. Рассматривается эталонный поезд локомотивной тяги, кото-
рый состоит из локомотива массой 123 т и четырёх прицепных вагонов мас-
сой 64 т. Все экипажи поезда оборудованы СПБ, в состав которых входят
УПЭ разной энергоемкости. В концевых частях рамы кузова рассматривае-
мого локомотива установлены по два УПЭ с энергоемкостью каждого по
0,95 МДж [7]. Конструкция УПЭ состоит из двух блоков, содержащих шес-
тигранные и трехгранные соты переменной высоты. В качестве кабины ма-
шиниста использованы разработанная совместно с ООО “ПКПП “МДС” ка-
бина, каркас которой включает усиленную лобовую стенку, последовательно
расположенные жертвенную зону с энергоемкостью 0,3 МДж и зону безо-
пасности [10]. В концевых частях рам кузовов прицепных вагонов с каждой
стороны расположены по два УПЭ с энергоемкостью каждого по 0,3 МДж
[8]. Конструкция УПЭ представляет собой короб в виде параллелепипеда,
содержащий четырехслойный блок сот с шестигранными ячейками [8]. Рас-
четная силовая характеристика взаимодействия крупногабаритного дефор-
мируемого препятствия и локомотива с СПБ при столкновении на железно-
дорожном переезде приведена в статье [11].
Расчетная схема столкновения со скоростью 110 км/ч эталонного поезда
с крупногабаритным деформируемым препятствием массой 15 т на переезде
приведена на рис. 1.
Рис. 1
Согласно критериям стандарта ДСТУ EN 15227:2015 при столкновениях,
соответствующих принятым нормативным сценариям, пространство для вы-
живания пассажиров и поездной бригады должно сохраняться неповрежден-
ным на протяжении всего времени деформирования устройств поглощения
энергии. Локальные пластические деформации допускаются при условии, что
они не приводят к уменьшению пространства для выживания (зоны безопас-
ности). Уменьшение пространства выживания не должно превышать 50 мм
на каждые 5 м длины кузова, а изменение линейных размеров по диагоналям
дверных и оконных проемов – более 1 % от исходных размеров. В кабине
машиниста длина такого пространства должна составлять не менее 750 мм.
Допускаются пластические деформации отдельных элементов несущей кон-
струкции кузова единицы подвижного состава, не приводящие к потере кузо-
вом общей несущей способности. Среднее значение продольного ускорения в
зонах безопасности не должно превышать 7,5 g ( g – ускорение свободного
падения) для сценария 3.
Математическое моделирование. Усовершенствована математическая
модель и доработаны программные модули для решения нелинейной дина-
мической задачи о столкновении эталонного пассажирского поезда с КДП на
переезде согласно сценарию 3 стандарта ДСТУ EN 15227:2015. Эталонный
поезд рассматривается как цепочка твердых тел, соединенных между собой
84
существенно нелинейными деформируемыми элементами. Силовая характе-
ристика межвагонного соединения учитывает работу поглощающих аппара-
тов автосцепных устройств, возможность сдвига объединенных ударно-
тяговых устройств в подвагонное пространство, пластическое деформирова-
ние устройств поглощения энергии, возможность возникновения пластиче-
ских деформаций в конструкциях локомотивов и вагонов, а также взаимодей-
ствие КДП и элементов передней части локомотива. Усовершенствованная
математическая модель позволяет получить средние значения ускорений эки-
пажей и пластических деформаций их конструкций для сравнения с допус-
каемыми значениями.
Расчетные зависимости контактного усилия F между КДП и элементами
передней части локомотива от продольного перемещения центра масс КДП
при столкновении со скоростью 110 км/ч на железнодорожном переезде [11]
приведены на рис. 2.
– КДП и каркас;
– КДП и два УПЭ;
– КДП, каркас и два УПЭ
Рис. 2
Для проведения расчетов столкновения эталонного поезда с КДП на пе-
реезде выполнена кусочно-линейная аппроксимация полученных силовых
характеристик. Характеристики взаимодействия КДП с жертвенной зоной
каркаса кабины машиниста, КДП с двумя УПЭ, КДП с жертвенной зоной ка-
бины машиниста и двумя УПЭ приведены соответственно на рис. 3 – рис. 5.
85
Рис. 3
Рис. 4
Рис. 5
Результаты исследований. Вначале дана оценка динамической нагру-
женности экипажей эталонного поезда при столкновении с жесткой прегра-
дой со скоростью 110 км/ч. Рассмотрены следующие варианты:
– вариант 1 – локомотив имеет в передней части каркаса кабины
жертвенную зону с энергоемкостью 0,3 МДж;
– вариант 2 – локомотив оборудован с двух сторон двумя УПЭ с
энергоемкостью каждого по 0,95 МДж;
– вариант 3 – локомотив имеет в передней части каркаса кабины
жертвенную зону энергоемкостью 0,3 МДж и оборудован с двух сторон дву-
мя УПЭ с энергоемкостью каждого по 0,95 МДж.
Результаты расчетов аварийного столкновения эталонного поезда с жест-
кой преградой на переезде для указанных вариантов приведены в табл. 1.
86
Как видно из приведенных результатов, для варианта 1 сила, действую-
щая на локомотив при столкновении, составляет 12,3 МН, продольное уско-
рение – 9,7 g , абсолютное значение продольной остаточной деформации
конструкции локомотива – 0,52 м.
Для варианта 2 максимальное значение сжимающего усилия, действую-
щего на конструкцию локомотива, составляет 10,4 МН, ускорение локомоти-
ва – 8,1 g , абсолютное значение продольной остаточной деформации конст-
рукции локомотива – 0,40 м.
Для варианта 3 максимальное значение сжимающего усилия, действую-
щего на конструкцию локомотива, равно 10,3 МН, ускорение локомотива
составляет 8,0 g и абсолютное значение продольной остаточной деформа-
ции его конструкции – 0,39 м.
Таблица 1
Максимальные значения сжимающих продольных усилий, дейст-
вующих на экипажи эталонного поезда и преграду, и максимальных
ускорений экипажей и преграды для вариантов расчета
вариант 1 вариант 2 вариант 3
Номер
экипажа,
i
iS , МН gx i , iS , МН gx i , iS , МН gx i ,
1 0,00 82,00 0,00 69,00 0,00 69,00
2 12,30 9,70 10,4 8,00 10,30 8,10
3 2,00 3,10 2,00 3,10 2,00 3,10
4 2,00 2,70 2,00 2,60 2,00 2,60
5 1,57 1,60 1,40 1,40 1,40 1,40
6 1,14 1,80 1,00 1,60 1,04 1,60
Примечание: i = 1 соответствует жесткой преграде, iS – значение макси-
мального усилия в i -ом межвагонном соединении эталонного поезда, ix – ус-
корение i -го экипажа
Выполнено моделирование столкновения со скоростью 110 км/ч эталон-
ного поезда с КДП на переезде. Результаты расчета аварийного столкновения
для варианта 1 с учетом характеристики (рис. 3) взаимодействия КДП и
жертвенной зоны каркаса кабины машиниста приведены в табл. 2.
Таблица 2
Максимальные значения сжимающих продольных усилий,
действующих на экипажи эталонного поезда и преграду, и
максимальных ускорений экипажей и преградыНомер экипажа, i
iS , МН gx i ,
1 0,00 80,0
2 12,10 9,60
3 2,00 3,10
4 2,00 2,60
5 1,54 1,60
6 1,12 1,80
Примечание: i = 1 соответствует КДП, iS – значение максимального усилия в i -ом
межвагонном соединении эталонного поезда, ix – ускорение i -го экипажа
Абсолютное значение продольной остаточной деформации конструкции
локомотива составляет 0,51 м.
87
Результаты расчета столкновения для варианта 2 с учетом характеристи-
ки (рис. 4) взаимодействия КДП и двух УПЭ с энергоемкостью 0,95 МДж
каждый приведены в табл. 3. Абсолютное значение продольной остаточной
деформации конструкции локомотива составляет 0,46 м.
Результаты расчета столкновения для варианта 3 с учетом характеристи-
ки (рис. 5) взаимодействия КДП с жертвенной зоной каркаса кабины маши-
ниста и 2-мя УПЭ приведены в табл. 4. Абсолютное значение продольной
остаточной деформации конструкции локомотива составляет 0,43 м.
Таблица 3
Максимальные значения сжимающих продольных усилий,
действующих на экипажи эталонного поезда и преграду, и
максимальных ускорений экипажей и преградыНомер экипажа, i
iS , МН gx i ,
1 0,00 76,0
2 11,40 8,90
3 2,00 3,10
4 2,00 2,60
5 1,50 1,50
6 1,10 1,70
Примечание: i = 1 соответствует КДП, iS – значение максимального усилия в i -ом
межвагонном соединении эталонного поезда, ix – ускорение i -го экипажа
Таблица 4
Максимальные значения сжимающих продольных усилий,
действующих на экипажи эталонного поезда и преграду, и
максимальных ускорений экипажей и преградыНомер экипажа, i
iS , МН gx i ,
1 0,00 72,0
2 10,80 8,50
3 2,00 3,10
4 2,00 2,60
5 1,46 1,50
6 1,10 1,70
Примечание: i = 1 соответствует КДП, iS – значение максимального усилия в i -ом
межвагонном соединении эталонного поезда, ix – ускорение i -го экипажа
Средние значения ускорений локомотива при столкновении с КДП для
рассмотренных вариантов соответственно составляют:
– для варианта 1 – 4,75 g ;
– для варианта 2 – 4,72 g ;
– для варианта 3 – 4,65 g .
Средние значения сжимающих продольных усилий, действующих на
конструкцию локомотива при столкновении эталонного поезда с КДП на пе-
реезде, составляют:
– для варианта 1 – 6,1 МН;
– для варианта 2 – 6,1 МН;
– для варианта 3 – 6 МН.
88
Для варианта 3 на рис. 6 приведены графики изменения во времени уси-
лия, действующего на конструкцию локомотива со стороны КДП. Изменения
во времени усилия, возникающего в соединении локомотива и следующего за
ним вагона, а также усилия в следующем межвагонном соединении (между
первым и вторым пассажирскими вагонами эталонного поезда) показаны со-
ответственно на рис. 7 и рис. 8.
Рис. 6
Рис. 7
Рис. 8
89
Графики изменения во времени ускорений локомотива и следующего за
ним вагона приведены на рис. 9 и рис. 10. Изменение абсолютной пластиче-
ской продольной деформации конструкции локомотива дано на рис. 11.
Рис. 9
Рис. 10
Рис. 11
90
Анализ полученных результатов показал, что во всех рассмотренных ва-
риантах в результате взаимодействия эталонного поезда с КДП на конструк-
цию локомотива действуют значительные локальные продольные усилия и
ускорения на промежутке времени, составляющем порядка 0,06 с. При этом в
конструкции локомотива возникают значительные локальные продольные
остаточные деформации. Средние значения усилий и ускорений составляют
величины порядка 6 МН и 4,7 g соответственно. Расположение кабины ма-
шиниста локомотива и КДП при столкновении на переезде показано на
рис. 12.
Рис. 12
На рис. 12 все размеры даны в миллиметрах. Жирным черным контуром
отмечено пространство, оставшееся в зоне безопасности после разрушения
жертвенной зоны. В результате столкновения эталонного поездного состава с
КДП на переезде длина зоны безопасности в кабине машиниста уменьшается
до 832 мм. Это значение превышает минимально допускаемое значение
750 мм согласно требованиям стандарта ДСТУ EN 15227:2015. На конструк-
ции пассажирских вагонов, входящих в состав эталонного поезда, действуют
усилия, значения которых не превышают допускаемых, составляющих 3 МН.
Значения средних значений ускорений вагонов меньше допускаемого значе-
ния 7,5 g .
Таким образом, требования стандарта ДСТУ EN 15227:2015 для сцена-
рия 3 столкновения эталонного поездного состава с крупногабаритным пре-
пятствием на переезде выполняются, если локомотив массой 123 т имеет в
передней части каркаса кабины жертвенную зону энергоемкостью 0,3 МДж и
91
оборудован с двух сторон двумя УПЭ с энергоемкостью каждого по
0,95 МДж, а четыре пассажирских вагона массой 64 т оборудованы с двух
сторон двумя УПЭ с энергоемкостью каждого по 0,3 МДж.
Выводы. Усовершенствована математическая модель и программные
модули для решения нелинейной динамической задачи о столкновении эта-
лонного пассажирского поезда с крупногабаритным деформируемым препят-
ствием на переезде согласно сценарию 3 стандарта ДСТУ EN 15227:2015.
Эталонный поезд рассматривается как цепочка твердых тел, соединенных
между собой существенно нелинейными деформируемыми элементами. Си-
ловая характеристика межвагонного соединения учитывает работу погло-
щающих аппаратов автосцепных устройств, возможность сдвига объединен-
ных ударно-тяговых устройств в подвагонное пространство, пластическое
деформирование устройств поглощения энергии, возможность возникнове-
ния пластических деформаций в конструкциях локомотивов и вагонов, а так-
же взаимодействие крупногабаритного деформируемого препятствия и эле-
ментов передней части локомотива, включая устройства поглощения энер-
гии, расположенные на уровне сцепного устройства, и жертвенную зону кар-
каса. Предложенная математическая модель позволяет получить средние
значения ускорений экипажей и пластических деформаций их конструкций
для сравнения с допускаемыми значениями.
Проведены исследования динамической нагруженности экипажей поезда
с элементами системы пассивной безопасности при столкновении со скоро-
стью 110 км/ч с крупногабаритным препятствием массой 15 т на переезде.
Установлено, что требования стандарта ДСТУ EN 15227:2015 для сценария 3
столкновения эталонного поезда с крупногабаритным деформируемым пре-
пятствием на переезде выполняются, если локомотив массой 123 т имеет в
передней части каркаса кабины жертвенную зону энергоемкостью 0,3 МДж и
оборудован с двух сторон двумя УПЭ с энергоемкостью каждого 0,95 МДж, а
пассажирские вагоны массой 64 т оборудованы с двух сторон двумя УПЭ с
энергоемкостью каждого 0,3 МДж.
Предложенная математическая модель и результаты выполненных ис-
следований могут быть использованы при проектировании железнодорожных
экипажей нового поколения для отечественного пассажирского поезда локо-
мотивной тяги с учетом требований ДСТУ EN 15227:2015 по пассивной
безопасности при столкновении на переезде.
1. EN 15227. Railway applications – Crashworthiness requirements for railway vehicle bodies. Brussels, 2008.
37 p.
2. ДСТУ EN 15227:2015 (EN 15227:2008+A1:2010, IDT). Залізничний транспорт. Вимоги до ударостійкос-
ті рейкових транспортних засобів. URL: http://document.ua/zaliznichnii-transport_-vimogi-do-
udarostiikosti-reikovih-tr-std32262.html (Last accessed: 28.01.2019).
3. Соболевская М. Б., Сирота С. А. Основные положения концепции пассивной защиты скоростного пас-
сажирского поезда при аварийных столкновениях. Техническая механика. 2015. № 1. С. 84–96.
4. Науменко Н. Ю., Хижа И. Ю. Моделирование взаимодействия экипажей пассажирского поезда, обору-
дованного системой пассивной безопасности, при аварийном столкновении с препятствием. Наука та
прогрес транспорту. 2015. Вип. 4(58). С. 163–174.
5. Науменко Н. Е., Соболевская М. Б., Горобец. Д В., Маркова O. М., Ковтун Е. Н., Малый В. В., Сиро-
та С. А. Разработка решений по обеспечению безопасности железнодорожных перевозок и пассивной
защите пассажирского поезда при аварийных столкновениях. Техническая механика. 2018. № 3. С. 98–
111.
6. Науменко Н. Ю., Соболевська М. Б., Хижа И. Ю. Оценка динамической нагруженности эталонного
поезда с системой пассивной безопасности при его столкновениях с идентичным составом и грузовым
вагоном. Техническая механика. 2017. № 3. С. 72–83.
92
7. Науменко Н. Е., Соболевская М. Б., Горобец Д. В., Богомаз Е. Г. Разработка элементов пассивной защи-
ты скоростных пассажирских локомотивов нового поколения при аварийных столкновениях на желез-
ных дорогах колеи 1520 мм. Техническая механика. 2017. № 1. С. 72–82.
8. Науменко Н. Ю., Соболевська М. Б., Сирота С. А., Горобець Д. В. Розробка елементів пасивного захис-
ту вагонів пасажирського поїзда нового покоління для залізниць колії 1520 мм. Технічна механіка.
2017. № 2. С. 73–83.
9. Соболевская М. Б., Горобец Д В., Сирота С. А. Определение характеристик препятствий для норматив-
ных сценариев столкновений пассажирских поездов. Техническая механика. 2018. № 2. С. 90–103.
10. Sobolevska M., Telychko I. Рassive safety of high-speed passenger trains at accident collisions on 1520 mm
gauge railways. Transport problems. 2017. V. 12. Issue 1. Р 51–62.
11. Соболевская М. Б., Горобец Д В., Сирота С. А. Анализ взаимодействия пассажирского поезда с систе-
мой пассивной безопасности и большого дорожного транспортного средства при столкновении. Техни-
ческая механика. 2019. № 1. С. 90–106.
Получено 25.04.2019
в окончательном варианте 14.05.2019
|