Повышение безопасности движения железнодорожных экипажей
Рассмотрена проблема повышения безопасности пассажирских перевозок и транспортировки экологически опасных грузов. Описаны математические модели, алгоритмы и методическое обеспечение для анализа динамики железнодорожных экипажей и напряженно-деформированного состояния их элементов при эксплуатационны...
Gespeichert in:
| Datum: | 2008 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Інститут технічної механіки НАН України і НКА України
2008
|
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/5570 |
| 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: | Повышение безопасности движения железнодорожных экипажей / О.М. Маркова, Н.Е. Науменко, М.Б. Соболевская // Техн. механика. — 2008. — № 2. — С. 58-69. — Бібліогр.: 17 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-5570 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Маркова, О.М. Науменко, Н.Е. Соболевская, М.Б. 2010-01-26T15:12:01Z 2010-01-26T15:12:01Z 2008 Повышение безопасности движения железнодорожных экипажей / О.М. Маркова, Н.Е. Науменко, М.Б. Соболевская // Техн. механика. — 2008. — № 2. — С. 58-69. — Бібліогр.: 17 назв. — рос. 1561-9184 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/5570 625.032.4 : 629.4 Рассмотрена проблема повышения безопасности пассажирских перевозок и транспортировки экологически опасных грузов. Описаны математические модели, алгоритмы и методическое обеспечение для анализа динамики железнодорожных экипажей и напряженно-деформированного состояния их элементов при эксплуатационных режимах движения и в аварийных ситуациях. Показана целесообразность оборудования экипажей средствами пассивной защиты от сверхнормативных ударных нагрузок. Предложена система компьютерной диагностики динамических характеристик ходовых частей пассажирского вагона. The problem of upgrading the safe transportation of passengers and ecologically dangerous cargo is considered. Mathematical models, algorithms and methodic support for analyzing the railway vehicles and stressedstrained state of their elements at operational regimes of motion and in an emergency are described. The advisability of equipping the vehicles with passive protection means against superstandard impact loads is shown. The system of computer diagnostics of the coach running gears dynamic characteristics is proposed. ru Інститут технічної механіки НАН України і НКА України Повышение безопасности движения железнодорожных экипажей Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Повышение безопасности движения железнодорожных экипажей |
| spellingShingle |
Повышение безопасности движения железнодорожных экипажей Маркова, О.М. Науменко, Н.Е. Соболевская, М.Б. |
| title_short |
Повышение безопасности движения железнодорожных экипажей |
| title_full |
Повышение безопасности движения железнодорожных экипажей |
| title_fullStr |
Повышение безопасности движения железнодорожных экипажей |
| title_full_unstemmed |
Повышение безопасности движения железнодорожных экипажей |
| title_sort |
повышение безопасности движения железнодорожных экипажей |
| author |
Маркова, О.М. Науменко, Н.Е. Соболевская, М.Б. |
| author_facet |
Маркова, О.М. Науменко, Н.Е. Соболевская, М.Б. |
| publishDate |
2008 |
| language |
Russian |
| publisher |
Інститут технічної механіки НАН України і НКА України |
| format |
Article |
| description |
Рассмотрена проблема повышения безопасности пассажирских перевозок и транспортировки экологически опасных грузов. Описаны математические модели, алгоритмы и методическое обеспечение для анализа динамики железнодорожных экипажей и напряженно-деформированного состояния их элементов при эксплуатационных режимах движения и в аварийных ситуациях. Показана целесообразность оборудования экипажей средствами пассивной защиты от сверхнормативных ударных нагрузок. Предложена система компьютерной диагностики динамических характеристик ходовых частей пассажирского вагона.
The problem of upgrading the safe transportation of passengers and ecologically dangerous cargo is considered. Mathematical models, algorithms and methodic support for analyzing the railway vehicles and stressedstrained state of their elements at operational regimes of motion and in an emergency are described. The advisability of equipping the vehicles with passive protection means against superstandard impact loads is shown. The system of computer diagnostics of the coach running gears dynamic characteristics is proposed.
|
| issn |
1561-9184 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/5570 |
| citation_txt |
Повышение безопасности движения железнодорожных экипажей / О.М. Маркова, Н.Е. Науменко, М.Б. Соболевская // Техн. механика. — 2008. — № 2. — С. 58-69. — Бібліогр.: 17 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT markovaom povyšeniebezopasnostidviženiâželeznodorožnyhékipažei AT naumenkone povyšeniebezopasnostidviženiâželeznodorožnyhékipažei AT sobolevskaâmb povyšeniebezopasnostidviženiâželeznodorožnyhékipažei |
| first_indexed |
2025-11-25T13:54:01Z |
| last_indexed |
2025-11-25T13:54:01Z |
| _version_ |
1850516229645664256 |
| fulltext |
58
УДК 625.032.4 : 629.4
О. М. МАРКОВА, Н. Е. НАУМЕНКО, М. Б. СОБОЛЕВСКАЯ
ПОВЫШЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ ДВИЖЕНИЯ
ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ ЭКИПАЖЕЙ
Рассмотрена проблема повышения безопасности пассажирских перевозок и транспортировки эколо-
гически опасных грузов. Описаны математические модели, алгоритмы и методическое обеспечение для
анализа динамики железнодорожных экипажей и напряженно-деформированного состояния их элементов
при эксплуатационных режимах движения и в аварийных ситуациях. Показана целесообразность оборудо-
вания экипажей средствами пассивной защиты от сверхнормативных ударных нагрузок. Предложена
система компьютерной диагностики динамических характеристик ходовых частей пассажирского вагона.
The problem of upgrading the safe transportation of passengers and ecologically dangerous cargo is consid-
ered. Mathematical models, algorithms and methodic support for analyzing the railway vehicles and stressed-
strained state of their elements at operational regimes of motion and in an emergency are described. The advis-
ability of equipping the vehicles with passive protection means against superstandard impact loads is shown. The
system of computer diagnostics of the coach running gears dynamic characteristics is proposed.
В настоящее время повышение безопасности перевозки пассажиров и
транспортировки грузов по железным дорогам Украины является важной
проблемой, обусловленной высокими скоростями движения пассажирских
поездов, ориентацией нашей страны на евроинтеграцию и соответствие оте-
чественных транспортных услуг евростандартам при отсутствии отечествен-
ной нормативной базы, регламентирующей защиту экипажей в аварийных
ситуациях. Данная проблема связана с решением сложного комплекса задач,
который включает как организационно-технические мероприятия, умень-
шающие предпосылки возникновения аварийной ситуации, так и конструк-
тивные, основанные на продуманном сочетании мер активной и пассивной
защиты экипажей для предотвращения человеческих жертв и сокращения
затрат на ликвидацию последствий возможных аварий.
Разработка научно обоснованных технических решений по обеспечению
безопасности движения железнодорожных экипажей базируется на исследо-
вании динамической нагруженности, устойчивости и напряженно-
деформированного состояния (НДС) элементов конструкций экипажей при
эксплуатационных режимах движения и в аварийных ситуациях, вызванных
сходом экипажей с рельсов, столкновением поездов или наездом поезда на
преграду. Для проведения таких исследований с учетом особенностей рас-
сматриваемых конструкций и переходных процессов в отделе динамики мно-
гомерных механических систем Института технической механики НАН Ук-
раины и НКА Украины созданы нелинейные механические аналоги, разрабо-
тано методическое, математическое и программное обеспечение.
Для сохранности подвижного состава железных дорог и перевозимых
грузов, уменьшения вероятности возникновения аварийных ситуаций веду-
щую роль играют поглощающие аппараты автосцепок, предназначенные для
снижения динамических нагрузок, возникающих в процессе формирования
поездов на сортировочных горках, а также при переходных режимах движе-
ния поездов, и тормозные системы. Анализ существующих и разрабатывае-
мых конструкций поглощающих аппаратов показал, что для обеспечения вы-
сокой конкурентоспособности на рынке транспортных услуг, учитывая все
разнообразие типажа, специализацию и условия эксплуатации подвижного
состава, номенклатуру перевозимых грузов и требования к условиям их
транспортировки, железнодорожный транспорт должен располагать ассорти-
О. М. Маркова, Н. Е. Науменко, М. Б. Соболевская, 2008
Техн. механика. – 2008. – № 2.
59
ментом поглощающих аппаратов с широким диапазоном эксплуатационных
и стоимостных характеристик.
Современные тенденции мировой практики по повышению безопасности
железнодорожного движения наряду с устранением возможных причин воз-
никновения аварий, разработкой технических требований по эксплуатации
вагонов, модернизацией тормозной системы и созданием поглощающих ап-
паратов автосцепок направлены на создание эффективных средств пассивной
защиты экипажей при аварийных столкновениях. Основная задача пассивной
защиты – уменьшение возникающих при аварийном столкновении продоль-
ных сил и ускорений в результате поглощения кинетической энергии аварий-
ного удара за счет контролируемого упругопластического деформирования и
разрушения входящих в состав защитных устройств жертвенных элементов,
т.е. конструкций, которые намеренно приносятся в жертву при аварийных
столкновениях.
При создании перспективных конструкций подвижного состава повы-
шенной безопасности должны быть учтены специфика эксплуатации и кон-
структивные особенности конкретного типа рассматриваемого железнодо-
рожного экипажа.
Опыт эксплуатации грузового железнодорожного транспорта показыва-
ет, что значительная часть аварий происходит с вагонами-цистернами, транс-
портирующими экологически опасные грузы, в частности сжиженные угле-
водородные газы. Для большинства аварийных ситуаций характерным явля-
ется пробивание днищ котла цистерны автосцепкой соседнего вагона или его
длинномерным грузом в результате саморасцепления вагонов [5]. Разгерме-
тизация котла вагона-цистерны сопровождается утечкой, возгоранием и
взрывом перевозимого опасного груза и экологическим загрязнением окру-
жающей среды. Для обеспечения безопасности железнодорожной транспор-
тировки грузов и минимизации последствий возможных аварий, в частности
связанных с разгерметизацией котлов в результате пробивания их днищ, ак-
туальной проблемой является разработка и создание нового поколения ваго-
нов-цистерн, оборудованных эффективными средствами защиты днищ от
пробивания в аварийной ситуации. В мировой практике в качестве средств
защиты днищ котлов вагонов-цистерн используются дополнительные метал-
лические накладки (фальшднища) или торцевые щиты. Повышение эффек-
тивности защиты котлов цистерн в аварийной ситуации может быть достиг-
нуто за счет использования в конструкциях защитных устройств специаль-
ных энергопоглощающих, в частности сотовых, элементов и рационального
выбора их параметров.
Для исследования динамики, нагруженности и НДС элементов вагона-
цистерны, в том числе оборудованной средствами защиты от пробивания
днищ котла, при ударных воздействиях различной интенсивности с учетом
возможности возникновения пластических деформаций разработана методи-
ка, дискретно-массовые и конечно-элементные математические модели
[4,5,6]. Построены конечно-элементные модели, позволяющие проводить не-
линейный динамический анализ упругопластического деформирования днищ
котлов вагонов-цистерн с устройствами их защиты при аварийных ударах в
рамках деформационной теории пластичности с учетом нелинейной зависи-
мости между деформациями и перемещениями. Разработанные методика и
математические модели предназначены для определения зон концентрации
60
напряжений и их максимального уровня, исследования характера деформи-
рования наиболее нагруженных элементов конструкции с учетом остаточных
деформаций, оценки уровня нагрузок и скоростей соударения цистерны с ва-
гоном-бойком, при которых возможно появление пластических деформаций
и разрушение элементов цистерны. Разработана методика выбора рациональ-
ных параметров предохранительных торцовых щитов, содержащих сотовые
энергопоглощающие элементы.
Для исследования динамических характеристик сцепа вагонов, движуще-
гося по пути произвольного очертания, разработана уточненная модель взаи-
модействия колесной пары и рельсовой колеи, учитывающая процесс вкаты-
вания колеса на рельс и его падения на рельсошпальную решетку; уточнены
математическая модель схода экипажа с рельсов и методика моделирования
пространственных колебаний отдельных экипажей и их сцепов на участках
пути сложного профиля и плана с учетом действия сил в автосцепных уст-
ройствах. При этом физическое и геометрическое взаимодействие колес и
рельсов рассматривалось в соответствии с нелинейной теорией Калкера и
теорией первого порядка А. Д. де Патера [17]. При составлении уравнений
движения сцепа вагонов учитывалась работа межвагонного соединения, за-
висимость усилия в котором от перемещения и скорости этого перемещения
является существенно нелинейной. Для оценки безопасности движения ваго-
нов уточнена модель движения отдельного вагона и сцепа нескольких ваго-
нов по пути произвольного очертания. При этом приняты во внимание осо-
бенности движения по переломам продольного профиля пути, по стрелоч-
ным переводам с возможностью контакта внешней поверхности колеса с
контррельсом [16, 17].
Для повышения безопасности пассажирских перевозок со скоростями
движения до 200 км/ч необходимо разрабатывать новые конструкции локо-
мотивов и вагонов, уделив особое внимание внедрению эффективных систем
диагностики динамических характеристик ходовых частей в процессе движе-
ния экипажей, модернизации тормозной системы, а также обеспечению пас-
сивной безопасности в аварийных ситуациях.
Для исследования динамики пассажирского поезда или его отдельных
вагонов при сверхнормативных воздействиях, возникающих в аварийных си-
туациях, разработана расчетная схема в виде цепочки, каждое звено которой
является расчетной схемой отдельного экипажа, и составлена математиче-
ская модель. Выбор расчетной схемы экипажа зависит от рассматриваемой
задачи. При оценке уровня только продольных ускорений и сил, возникаю-
щих в поезде при наезде на неподвижную преграду или при столкновении с
другим поездом, достаточно использовать упрощенную расчетную схему
пассажирского вагона в виде твердого тела, которое совершает продольное
движение. В случае, когда необходимо определить вертикальные прогибы
рессорных комплектов тележек и оценить влияние неровностей рельсовой
колеи на динамику поезда, следует использовать плоскую расчетную схему,
согласно которой вагон представляется в виде системы трех упруго связан-
ных твердых тел, моделирующих движение кузова и двух тележек в про-
дольной вертикальной плоскости [9]. При исследовании процесса соударения
и анализе нагруженности элементов рамы пассажирского вагона, а также
элементов крепления кузова к раме разработана конечно-элементная матема-
тическая модель. Взаимодействие вагонов осуществляется путем введения
61
связей, моделирующих работу межвагонных соединений. Силовая характе-
ристика межвагонного соединения зависит от вида ударно-тяговых уст-
ройств, которыми оборудованы пассажирские вагоны, и аппроксимируется
кусочно-линейной функцией. В случае оборудования экипажей пассивными
средствами защиты в виде энергопоглощающих деформируемых элементов
силовая характеристика межвагонного соединения уточняется – добавляется
участок, соответствующий смятию защитного устройства. При этом предпо-
лагается, что полное смятие защитного элемента происходит при постоянной
силе.
В настоящее время практически все пассажирские поезда оснащены сис-
темами диагностики, позволяющими оценивать температурный режим в ва-
гонах, появление задымленности, температуру элементов букс, состояние
дверей и т.д. Однако достаточно часто аварийные ситуации могут быть вы-
званы ухудшением состояния ходовых частей вагонов и рельсовой колеи.
Поэтому разработаны теоретические основы создания бортовой системы ди-
агностики технического состояния различных элементов движущегося соста-
ва для предупреждения возникновения нештатных ситуаций.
Поскольку установка отдельных датчиков на каждый элемент ходовой
части каждого вагона практически невозможна, при разработке системы ди-
агностики необходимо было выбрать рациональные места установки датчи-
ков. Для этого с использованием математической модели движения сцепа
трех пассажирских вагонов были проведены многовариантные расчеты по
оценке динамических качеств рассматриваемого экипажа. При этом специ-
альным образом моделировались различные дефекты, которые могут возни-
кать в элементах ходовых частей в процессе движения. Среди них: отсутст-
вие масла в одном из гидродемферов центральной ступени подвешивания,
заклинивание пружин или гидродемферов в центральном подвешивании, на-
личие ползуна на одном из колес, износ поверхностей катания колес одной из
тележек, излом скользуна, заклинивание буферного стержня и др. Кроме то-
го, рассматривалось движение сцепа вагонов по пути с неровностями, пре-
вышающими допустимый уровень.
Анализ полученных результатов показал, что наличие в рассматриваемой
системе отмеченных выше неисправностей оказывает существенное влияние
на динамические характеристики экипажей. Так, например, заклинивание
одного из демпферов центрального подвешивания приводит к значительному
возрастанию ускорений кузова в зоне соответствующего шкворня. Наличие
ползуна на одном из колес повышает уровень значений коэффициентов вер-
тикальной динамики. Кроме того, проведенные исследования показали, что
для пассажирских вагонов существует достаточно устойчивая корреляция
между коэффициентом Надаля, определяющим возможность схода колесной
пары вагона с рельсов, и уровнем горизонтальных ускорений кузова в
шкворневой зоне [1, 15].
Описанные результаты использованы при создании бортовой системы
диагностики для скоростных пассажирских поездов. Разработанная система
диагностики позволяет по измеренным в процессе движения поезда значени-
ям предварительно выбранных параметров оценить техническое состояние
пути и ходовых частей вагона. Структурная схема предлагаемой системы ди-
агностики представлена на рис. 1 [2].
62
Для предложенной системы диагностики разработаны алгоритмы функ-
ционирования подсистем сбора, предварительной обработки и передачи по-
лученных данных. Разработан протокол взаимодействия между персональ-
ным компьютером и микроконтроллерами вагонов поезда, с помощью кото-
рых осуществляется управление процессом сбора и передачи данных в го-
ловной компьютер.
Линия B“1”
Д Д1 iBj
“1”
Шина A
Линия А
Д Д1 iА1Д Д1 iАJ Д Д1 iB1 Д Д1 iB2
Шина B
...............
Управляющая ПЭВМ
Шина A
Линия B
Шина B
Линия A
“1” “1”
Д Д1 iB1
(Датчики ускорений)
Информационная шина
Линия последовательной
коммутации МК
...
Линия последовательной
коммутации МК
Рис. 1
Разработаны алгоритмы для диагностирования повреждений в буксовом
или центральном подвешивании тележек пассажирских вагонов, а также для
отслеживания общих тенденций в изменении технического состояния раз-
личных элементов тележек, основанные на спектральном анализе процессов
ускорений и методах теории распознавания образов. Разработано программ-
ное обеспечение для оперативной компьютерной диагностики состояния ко-
леи и ходовых частей вагонов и оценки безопасности движения пассажир-
ского поезда. Создан макетный образец системы регистрации и анализа ди-
намических характеристик пассажирских вагонов для компьютерной диагно-
стики ходовых частей и колеи во время движения поездов. Предварительная
отработка бортовой системы диагностики, проведенная с использованием
результатов компьютерного моделирования движения сцепа пассажирских
вагонов по пути произвольного очертания, показала ее работоспособность.
Разработанные математические модели и методическое обеспечение ис-
пользованы для решения ряда конкретных прикладных задач, направленных
на повышение безопасности железнодорожного движения.
Исследован процесс соударения вагона-цистерны, оборудованного раз-
личными типами поглощающих аппаратов, с вагоном-бойком со скоростью,
диапазон изменения которой составлял от 10 км/час до 15 км/час. Предпола-
галось, что вагон-цистерна подперт сцепом вагонов массой 500 т и котел
цистерны заполнен бензином со стандартным недоливом. Масса вагона-
бойка принималась равной 100 т. Расчетная схема исследуемой системы бы-
ла представлена разветвленной одномерной системой сосредоточенных масс,
63
связанных нелинейными связями. Рассматривались случаи оборудования ва-
гонов полимерными аппаратами пластинчато-металлокерамическими (АПМ)
и фрикционными (Ш-2-Т и Ш-1-ТМ) аппаратами. В поглощающем аппарате
АПМ в качестве опорно-возвратного устройства использован упругий блок
из термопластов [7].
Анализ полученных результатов показал, что значения максимальных
сжимающих усилий и ускорений, а также скорость соударения, при которой
возникают пластические деформации конструкции вагона-цистерны, сущест-
венно зависят от типа поглощающих аппаратов, которыми оборудованы ав-
тосцепки вагонов. Так, при оборудовании вагонов поглощающими аппарата-
ми АПМ при скорости соударения 14 км/час остаточные деформации в кон-
струкции вагона-цистерны не возникают. В случае же использования аппара-
тов Ш-2-Т и Ш-1-ТМ остаточные деформации соответственно равны 12 мм и
37 мм. При этом максимальные значения сжимающего усилия, действующего
на цистерну, и ускорения вагона-цистерны для указанных вариантов обору-
дования автосцепок поглощающими аппаратами составляют порядка 3,6-
4,6 МН для усилий и 4,5 – 10,2 g для ускорений. Получено, что увеличение
силы закрытия аппарата и его энергопоглощения позволяют значительно
уменьшить воздействующие на конструкцию вагона и транспортируемые
грузы усилия, возникающие при соударениях вагонов, что важно при пере-
возке опасных и особо опасных грузов. Поэтому для повышения безопасно-
сти движения вагонов и цистерн в составе поезда необходимо железнодо-
рожные экипажи оснащать высокоэффективными энергоемкими поглощаю-
щими аппаратами.
Опыт эксплуатации грузового подвижного состава железных дорог пока-
зывает, что вероятность аварийных ситуаций существенно повышается, если
в составе поезда наряду с полностью загруженными вагонами находятся по-
рожние и частично загруженные вагоны. Поэтому важно определить те фак-
торы, которые являются критическими с точки зрения схода колесных пар
экипажа с рельсов для поездов, в состав которых включены неоднородные по
массе и типам вагоны. Для оценки безопасности движения поезда с вагонами
различной загрузки необходимо рассматривать как минимум три соединен-
ных между собой вагона. Проведены исследования по оценке динамических
качеств сцепов грузовых вагонов, содержащих экипажи с различной степе-
нью загрузки, при их движении по пути произвольной конфигурации. Для
этого разработана соответствующая математическая модель, разработан ал-
горитм и составлена компьютерная программа, позволяющая имитировать
широкий спектр различных случаев, охватывающих всевозможные сочетания
параметров технического состояния ходовых частей, вагонов в целом и рель-
совой колеи. В результате расчетов может быть получен практически любой
набор необходимых для анализа значений выходных величин в виде таблиц и
осциллограмм.
Расчетная оценка динамических показателей вагонов сцепа проводилась
путем решения нелинейных дифференциальных уравнений, представляющих
динамическую модель его колебаний. При этом рассматривались различные
случаи загрузки вагонов. Для достоверной оценки динамических качеств ва-
гона в соответствии с требованиями “Норм…” [14] определялись величины,
являющиеся основными показателями его качества хода.
64
Показатели динамических качеств вагонов сцепа определялись при дви-
жении как по прямолинейным, так и по криволинейным участкам пути. Вна-
чале движение сцепа вагонов проходило с небольшой скоростью, а затем
скорость движения увеличивалась до того значения, когда колесная пара од-
ного из вагонов сходила с рельсов. За момент, определяющий сход колесной
пары с рельсов, принимался случай всползания гребня колеса на середину
головки рельса.
Рассмотрено движение сцепа при следующих вариантах загрузки кузовов
вагонов: три груженых вагона (сцеп 1), три порожних вагона (сцеп 8) и все
возможные сочетания груженых и порожних вагонов в сцепе (порожний –
груженый – груженый (сцеп 2), порожний – порожний – груженый (сцеп 3),
груженый – порожний – груженый (сцеп 4), груженый – груженый – порож-
ний (сцеп 5), порожний – груженый – порожний (сцеп 6), груженый – порож-
ний – порожний (сцеп 7)).
Анализ полученных в результате проведенных расчетов данных показал,
что значения динамических показателей отдельных единиц подвижного со-
става, движущихся в одном сцепе равномерной загрузки (либо все вагоны
груженые, либо все порожние) близки и практически не зависят от месторас-
положения вагона в составе поезда. При этом динамика сцепа, состоящего из
порожних вагонов, значительно хуже, чем динамика полностью загруженно-
го сцепа. Для сцепов, сформированных из вагонов разной загрузки, показате-
ли качества хода отдельного вагона определяются степенью его загруженно-
сти, а в целом динамика сцепа определяется наличием в нем порожних ваго-
нов, независимо от их месторасположения в сцепе.
С целью обобщения полученных результатов на рис. 2 для всех возможных
положений груженых и порожних вагонов в сцепе показаны скорости движе-
ния, при которых происходит сход с рельсов колесной пары одного из вагонов.
Как видно из приведенной диаграммы, определяющим фактором с точки зре-
ния безопасности движения поезда является не положение порожнего вагона
или нескольких порожних вагонов в поезде, а сам факт их наличия.
V, км/час
130
140
150
160
170
1 2 3 4 5 6 7 8
Рис. 2
Проведенные исследования динамических качеств вагонов, движущихся
в сцепе, показали, что при движении поезда, состоящего из груженых ваго-
нов на типовых тележках, допускаемая скорость на прямолинейных участках
может достигать 140 км/час и выше, в криволинейных участках пути она оп-
ределяется параметрами кривой и допустимым непогашенным ускорением. В
случае, когда в поезде имеются порожние вагоны, скорость движения по
65
прямолинейным участкам пути не должна превышать 100 км/час независимо
от того, в каком месте поезда они находятся.
Особый интерес и важность при проведении подобных исследований
представляет движение цистерн с различным уровнем заполнения их котлов
жидким грузом. Проведены расчеты динамических показателей вагона-
цистерны при его движении в составе сцепа разнонагруженных вагонов по
прямым и криволинейным участкам пути с разными скоростями. Рассмотре-
ны уровни недолива 0,22 м ; 0,5 м и 1 м. Оценка динамических показателей
вагонов-цистерн проведена по уровням ускорений, коэффициентов динамики
и сил в элементах подвешивания вагонов. Из полученных результатов следу-
ет, что уровень нагружения цистерн имеет важное значение при движении
вагонов-цистерн по пути различного профиля. При этом снижение уровня
загрузки жидким грузом приводит к росту горизонтальных поперечных уско-
рений кузова вагона и коэффициентов вертикальной динамики вагона. Для
недолива, который изменяется от 0,22 м до 1,0 м, максимальное значение по-
перечных ускорений кузова при скорости движения 70 км/час изменяется от
2,8 м/с
2
до 5,4 м/с
2
, что является недопустимым. Коэффициент устойчивости
вагона от схода с рельсов при этом ухудшается и достигает опасного значе-
ния при скоростях движения 90 ; 80 и 70 км/час и уровнях недолива 0,22 м ;
0,5 м и 1 м соответственно. По результатам проведенных расчетов установ-
лены значения скоростей движения, при которых обеспечивается безопас-
ность движения вагона-цистерны для разных уровней недолива [13].
Выполнен анализ НДС вагона-цистерны для перевозки сжиженных угле-
водородных газов и легкого углеводородного сырья без защитных устройств
и с различными вариантами защиты днищ при различных скоростях соударе-
ния с вагоном-бойком массой 120 т [3]. Показано, что нарушение герметич-
ности днищ рассмотренных вагонов-цистерн без средств защиты и при обо-
рудовании днищ накладками толщиной порядка 0,01 м может произойти при
скоростях соударения с вагоном-бойком выше 12 км/час. Использование для
защиты днищ цистерн торцовых щитов повышает надежность защиты и по-
зволяет обеспечить целостность днищ котлов вышеуказанных цистерн при
скоростях аварийных столкновений порядка 20 км/час. Отсутствие в рас-
смотренных защитных конструкциях энергопоглощающих элементов обу-
словливает передачу практически всей энергии аварийного удара на котел
цистерны и элементы его крепления к раме. Показано, что эффективность
существующих защитных устройств в виде металлических накладок на дни-
ща и торцовых щитов можно существенным образом повысить за счет усо-
вершенствования их конструкций путем использования сотовых энергопо-
глощающих элементов, которые отличаются пониженной материалоемко-
стью и повышенной энергоемкостью.
Для защиты днищ котла рекомендовано устройство высотой не менее
трети диаметра котла и толщиной 100 – 170 мм, выполненное в виде пакета
из двух металлических листов, между которыми расположен сотовый энер-
гопоглощающий заполнитель. Металлические соты, рекомендуемая толщина
которых равна 80 – 150 мм, следует располагать перпендикулярно поверхно-
сти щита. Радиус сотовой ячейки должен быть меньше толщины слоя запол-
нителя, а отношение толщины листов, образующих сотовые элементы, к ра-
диусу сотовой ячейки – примерно 1/60 [8].
66
Разработана конструкция предохранительного торцового щита с дефор-
мируемыми сотовыми элементами и проведена ее экспериментальная отра-
ботка с помощью натурных испытаний вагона-цистерны при соударении его
с вагоном-бойком, оборудованным дополнительной автосцепкой, позволяю-
щей осуществлять удары в днище котла. Существенным отличием предла-
гаемого устройства от ранее существовавших защитных конструкций являет-
ся наличие жестко закрепленных на пластине щита и расположенных между
ним и днищем деформируемых блоков. При этом и блоки, и пластины повто-
ряют по конфигурации форму днища. Особенностью предлагаемой защитной
конструкции является установка вертикальных и горизонтальных ребер на
внешней стороне щита для перераспределения концентрированных ударных
нагрузок на значительную площадь днища котла, а также изготовление бло-
ков в виде сотовой конструкции из жестко соединенных между собой гофри-
рованных листов низкоуглеродистой стали [10, 11].
Выполнен анализ НДС элементов конструкции вагона-цистерны модели
15-9503 АВП для перевозки сжиженных углеводородных газов, оборудован-
ной разработанными средствами защиты днищ, при эксплуатационных и ава-
рийных ударах с учетом возможного снижения толщины днищ котла до
0,022 м. Установлено, что выбранные параметры вагона-цистерны обеспечи-
вают в соответствии с “Нормами…” [14] требуемую прочность конструкции,
а применение предохранительных щитов, содержащих сотовые энергопо-
глощающие элементы, повышает ее эксплуатационную безопасность. Нали-
чие разработанных средств защиты позволяет сохранить герметичность котла
при скорости соударения 34 км/час. В результате проведенных исследований
изготовлена, испытана и внедрена в производство на ОАО “Мариупольский
завод тяжелого машиностроения” конструкция вагона-цистерны модели 15-
9503 АВП, днища котла которой оборудованы торцовыми предохранитель-
ными щитами с сотовыми энергопоглощающими элементами (рис. 3) [12].
Рис. 3
Рассмотрен пассажирский поезд, составленный из локомотива и восьми
вагонов, в случае оснащения локомотива автосцепками с поглощающими ап-
67
паратами ЭПУ-2, а вагонов – раздельными ударно-тяговыми приборами и
защитными устройствами в виде сминаемых энергоемких элементов, уста-
новленных последовательно за буферами. На рис. 4 приведены графики рас-
пределения ускорений по длине поезда при его наезде на неподвижную пре-
граду массой 100 т со скоростью 35 км/час.
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
1 2 3 4 5 6 7 8 9
gx,&&
N
1
2
3
4
Рис. 4
Линии 1 и 2 соответствуют оборудованию локомотива автосцепками и
автосцепками с последовательно установленными за ними защитными уст-
ройствами, при этом вагоны оборудованы буферами для вагонов габарита
РИЦ и винтовыми стяжками; линия 3 – случаю, когда локомотив оборудован
автосцепками, вагоны – буферами и деформируемыми элементами; линия 4 –
случаю оборудования защитными элементами как локомотива, так и вагонов.
Получено, что оборудование экипажей защитными деформируемыми эле-
ментами значительно снижает уровень максимальных ускорений вагонов по-
езда, возникающих в аварийной ситуации. Кроме того, безопасность движе-
ния пассажирского поезда можно повысить, если в голове поезда располо-
жить багажный вагон, который в случае столкновения поезда с преградой
работает как буфер между пассажирскими вагонами и локомотивом.
Основным требованием к средствам пассивной защиты пассажирского
вагона является их высокая энергопоглощающая способность с учетом габа-
ритных ограничений, требований эксплуатации и технического обслужива-
ния. Конструкция жертвенного элемента должна: выдерживать нагрузку по-
рядка 500 – 750 кН; при более высоких нагрузках терять устойчивость и пла-
стически деформироваться до полного сплющивания (≈75 % от исходной
длины); допускать деформацию при сжатии не менее 250 мм; обеспечивать
снижение уровня ускорений вагонов до допустимого значения 3 ÷ 5 g при
столкновении поезда с преградой массой 100 т со скоростью соударения 35 ÷
40 км/час.
В качестве средств пассивной защиты для отечественных пассажирских
вагонов с раздельными ударно-тяговыми приборами рассмотрены установ-
ленные на раме вагона последовательно с буферами жертвенные элементы в
виде усеченной пирамиды с внутренними диафрагмами, которые предназна-
чены для организации последовательного складкообразования защитных
элементов и повышения их энергоемкости.
68
Проведен анализ влияния геометрических параметров рассмотренных
жертвенных конструкций, количества диафрагм, их толщины и места распо-
ложения на критический уровень сжимающих нагрузок, при которых начина-
ется потеря устойчивости элементов защитных устройств. Установлено, что
для организации управляемого процесса образования складок не имеет суще-
ственного значения толщина диафрагм, а важным является место их установ-
ки. На основе выполненных теоретических исследований разработаны экспе-
риментальные образцы жертвенных элементов, программа и методика иссле-
довательских испытаний их на статическое сжатие до полного сплющивания.
На основе полученных экспериментальных данных определены уровни кри-
тических нагрузок, при которых происходит потеря устойчивости рассмот-
ренных конструкций, и построены диаграммы их деформирования.
В результате проведенных исследований рекомендовано использовать
жертвенные элементы в виде стальной усеченной пирамиды с квадратным
поперечным сечением и центральной внутренней диафрагмой, которая имеет
следующие основные параметры: высота – 360 ÷ 370 мм; длина стороны
нижнего основания – 380 ÷ 400 мм; длина стороны верхнего основания – 260
÷ 300 мм; толщина боковых стенок – 3 мм.
Разработанная система оперативной диагностики безопасности движения
пассажирского поезда, которая позволяет осуществлять мониторинг состоя-
ния колеи и ходовых частей на участках следования подвижного состава для
предупреждения аварийных ситуаций, передана для внедрения в производст-
во на Харьковском НПП “Хартрон-экспресс”.
1. Богомаз Г. Влияние состояния ходовых частей экипажа на его динамические характеристики /
Г. Богомаз, О. Маркова, Е. Ковтун и др. // Подвижной состав XXI века : идеи, требования, проекты :
Сб. науч. статей. – Санкт-Петербург, 2005. – С. 154 – 160.
2. Богомаз Г. И. Диагностика состояния ходовых частей рельсовых экипажей в процессе движения /
Г. И. Богомаз, Е . Н. Ковтун, О. М. Маркова и др. // Вестник Днепропетровского национального уни-
верситета железнодорожного транспорта. – 2004. – Вып. 5. – С. 17 – 20.
3. Богомаз Г. И. Динамическая нагруженность элементов конструкций вагонов-цистерн при аварийных
ударах в днище / Г. И. Богомаз, В. А. Волков, М. Б. Соболевская // Транспорт : Сборник научных ра-
бот. Днепропетровский государственный технический университет железнодорожного транспорта. –
2000.Вып. 6. – С. 48 – 51.
4. Богомаз Г. И. Конечно-элементный подход к исследованию динамики конструкций, содержащих
емкости с жидкостью / Г. И. Богомаз, Н. Е. Науменко, И. Ю. Хижа . // Питання прикладної математи-
ки і математичного моделювання : Збірник наукових праць. – Дніпропетровськ : РВВ ДНУ, 2002. –
С. 14 – 21.
5. Богомаз Г. И. Особенности математического моделирования напряженно-деформированного состоя-
ния элементов железнодорожных цистерн при сверхнормативных ударных воздействиях в днище /
Г. И. Богомаз, В. А. Волков, М. Б. Соболевская и др. // Математическое моделирование в инженерных
и финансово-экономических задачах транспорта. Серия : Транспорт : Сборник научных работ. – 2000.
Вып. 5. – С. 25 – 30.
6. Богомаз Г. И. Оценка динамической нагруженности элементов конструкции вагона-цистерны, обору-
дованного торцевыми щитами, при аварийных соударениях / Г. И. Богомаз, Н. Е. Науменко,
И. Ю. Хижа и др. // Збірник наукових праць Дніпропетровського державного технічного університету
залізничного транспорту : Транспорт. – 2006. Вип. 7. – С. 32 – 34.
7. Богомаз Г. И. Оценка параметров аппарата АПМ-110-К-23 грузового вагона при ударных нагружени-
ях / Г. И. Богомаз, В. М. Бубнов, Н. Е. Науменко и др. // Техническая механика. – 2006. – № 2. –
С. 64 – 68.
8. Богомаз Г. И. Оценка параметров средств защиты днищ котлов железнодорожных цистерн при ава-
рийных воздействиях / Г. И. Богомаз, В. М. Бубнов, В. А. Волков и др. // Техническая механика. – 2000.
№ 1. – С. 135 – 143.
9. Богомаз Г. И. Повышение безопасности пассажирского поезда при аварийных ситуациях /
Г. И. Богомаз, А. Д. Лашко, О. А. Шкабров и др. // Залізничний транспорт України. – 2007. – № 4. –
С. 44 – 48.
10. Волков В. А. Деклараційний патент на корисну модель № 3720 Україна, МПК7 В 61 D 5/00. Залізнич-
на цистерна / В. А. Волков, В. М. Бубнов, Г. І. Богомаз та інш. – ТОВ “Головне спеціалізоване конс-
69
трукторське бюро вагонобудування”, ВАТ “Маріупольський завод важкого машинобудування”, ВАТ
“Азовзагальмаш” – № 2004021252 ; Заявл. 20.02.2004 ; Опубл. 15.12.2004 ; Бюл. № 12, 2004. – 4 c.
11. Волков В. А. Патент на полезную модель № 43516 Россия, МПК7 В 61 D 5/00. Железнодорожная цис-
терна / В. А. Волков, В. М. Бубнов, Г. И. Богомаз и др. – “Головное специализированное конструктор-
ское бюро вагоностроения” (UA), ОАО “Мариупольский завод тяжелого машиностроения” (UA), ОАО
“Азовобщемаш” (UA) – № 2004105974 ; Заявл. 26.02.2004 ; Опубл. 27.01.2005 ; Бюл. № 3, 2005. – 4 c.
12. Волков В. А. Разработка газовых цистерн нового поколения, оборудованных защитными устройствами
повышенной энергоемкости // В. А. Волков, В. М. Бубнов, Г. И. Богомаз и др. // Вісник Дніпропетров-
ського Національного університету залізничного транспорту ім. акад. В. Лазаряна 2004– Вип. 5. –
С. 56 – 60.
13. Ковтун Е. Н. Оценка динамических характеристик вагонов-цистерн с разным уровнем недолива /
Е. Н. Ковтун, В. В Малый, О. М. Маркова // Проблемы механики железнодорожного транспорта : Те-
зисы докладов XII международной конференции. – Днепропетровск, 2008. – С. 71.
14. Нормы для расчета и проектирования вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм (несамоходных). –
М. : ГосНИИвагоностроения – ВНИИЖТ, 1996. – 319 с.
15. Bogomaz G. Construction of correlation connection of car body accelerations and derailment stability factors
for creation of on-line diagnostic system for passenger train safety / G. Bogomaz, E. Kovtun, O. Markova //
Proceedings of the 8th mini conference on vehicle system dynamics, identification and anomalies. Budapest.
– 2005. – P. 283 – 290.
16. Bogomaz G. Freight vehicle dynamics in train / G. Bogomaz, E. Kovtun O. Markova // Zeszyty naukowe
instytutu pojazdow. – 2006. – № 1(60). – Р. 169 – 174.
17. Markova О. A comparison of various theories on the interaction between wheel and rail /О. Markova,
Е. Kovtun // Supplement to Vehicle System Dynamics. – 2000. – V. 33. – P. 629 – 640.
Институт технической механики Получено 15.09.08,
НАН Украины и НКА Украины в окончательном варианте 19.09.08
Днепропетровск
|