автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Безопасность эксплуатации кузовов пассажирских вагонов при нормативных продольных соударениях

На правах рукописи

РАСИН Дмитрий Юрьевич

БЕЗОПАСНОСТЬ ЭКСПЛУАТАЦИИ КУЗОВОВ ПАССАЖИРСКИХ ВАГОНОВ ПРИ НОРМАТИВНЫХ ПРОДОЛЬНЫХ СОУДАРЕНИЯХ

Специальность 05.22.07 - «Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 6 ЛЕН 20гО

Брянск - 2010

004617814

Работа выполнена на кафедре «Вагоны» государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Брянский государственный технический университет»

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор КОБИЩАНОВ В.В.

Ведущая организация

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор БеспалькоС.В.

кандидат технических наук, доцент Гуров A.M.

ЗАО НО «Тверской институт вагоностроения»

Защита состоится «28» декабря 2010 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.021.04 при Брянском государственном техническом университете (БГТУ) по адресу: 241035, Брянск-35, бульвар 50-летия Октября, 7, ауд. 220.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Брянского государственного технического университета.

Автореферат разослан «26» ноября 2010 г.

Ученый секретарь / /у )

диссертационного совета C.JI. Эманов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность задачи. Обеспечение безопасности железнодорожных перевозок является одним из наиболее важных направлений в концепции развития железнодорожного транспорта. Постоянное совершенствование предупредительных мер не снимает проблемы окончательно. Аварийная ситуация на железной дороге может стать следствием многих причин, включающих человеческий фактор, устранить которые в полном объеме нет возможности. Поэтому развитие пассивных средств безопасности является существенной частью политики по обеспечению безопасности движения. Основные работы по внедрению подобных решений проводятся на стадии проектирования единиц подвижного состава.

Оценка эффективности от внесения в конструкцию изменений, призванных обеспечить требуемый уровень безопасности, осуществляется посредством предварительных расчетов и результатами натурных испытаний готовых образцов.

Руководящей документацией по методам испытаний пассажирских и грузовых вагонов РД 24.050.37.95 устанавливаются режимы испытаний вагонов на прочность при соударении путем накатывания на опытный вагон вагона-бойка. Максимальные рекомендуемые скорости соударения при испытаниях 20-25 км/ч, которые можно отнести к аварийным.

Проведение экспериментальных исследований кузовов пассажирских вагонов на действие аварийных нагрузок требует значительных капитальных затрат, что ограничивает возможность их применения. Однако существует необходимость оценки поведения конструкции при различных сценариях развития аварийной ситуации. В связи с этим разработка методик математического моделирования продольных аварийных соударений поезда и отдельных единиц подвижного состава является актуальной задачей.

Цель диссертационной работы - повышение безопасности пассажирских перевозок на основе методики математического моделирования аварийных продольных соударений пассажирских вагонов, позволяющей оценить последствия аварийного соударения и сделать предварительные выводы о безопасности кузовов.

Общая методика исследований. Исследования проводятся с использованием современных методов математического моделирования.

На первом этапе разрабатываются конечноэлементные модели кузова пассажирского вагона, моделируются элементы внутреннего и навесного оборудования, производится верификация моделей посредством сравнения результатов расчета от действия нормативных усилий с данными эксперимента

На втором этапе конечноэлементная модель кузова отдельного вагона нагружается динамическими усилиями, полученными из динамической твердотельной модели соударения состава. Производится анализ влияния внутреннего и навесного оборудования на напряженно-деформированное состояние кузова.

На третьем этапе создается модель соударения вагонов, состоящая из конечноэлементной модели концевой части кузова пассажирского вагона, жестко закрепленной в пространстве, и надвигающейся на нее с заданной начальной скоростью модели целого вагона. Производится доработка расчетной схемы моделями ударно-тяговых устройств, динамические усилия, действующие на кузов вагона, возникают в процессе контактного взаимодействия конечноэлементных моделей. Проводится исследование процесса соударения пассажирских вагонов с возможностью учета пластического деформирования их кузовов. Научная новизна диссертации.

1. Создана методика моделирования продольных соударений пассажирских вагонов на основе метода конечных элементов с учетом возможности наличия значительных пластических деформаций.

2. Проведен анализ влияния противоподьемного устройства и жертвенных элементов на динамическую нагруженность кузовов при продольных соударениях.

3. Обоснована необходимость учета тяжеловесного внутреннего оборудования при моделировании продольных соударений пассажирских вагонов.

4. Предложена методика упрощения пластинчатых конечноэлементных динамических моделей кузовов пассажирских вагонов с двухслойной обшивкой с сохранением степени достоверности получаемых результатов.

5. Разработаны детализированные динамические конечноэлементные модели двух вариантов соударения вагонов в нормальном положении и с «подскоком».

Достоверность полученных результатов моделирования несущей конструкции кузова пассажирского вагона с двухслойной обшивкой боковых стен подтверждена результатами натурных испытаний, проведенных ЗАО НО «Тверской вагоностроительный институт».

Практическая значимость результатов исследований. Полученные в работе методики и расчетные модели могут быть использованы при разработке конструкций кузовов пассажирских вагонов нового поколения с повышенным уровнем безопасности. В работе предложены технические решения, обеспечивающие повышение безопасности кузовов пассажирских вагонов при нормативных соударениях. Выполнена оценка уровней повреждения кузовов вагонов при продольных соударениях для скоростей 20-25 км/ч, предусмотренных нормативными документами на испытания вагонов.

Апробация и работы. Основные положения диссертационной работы изложены на 4-й, 6-й, 7-й, 9-й научно-практических конференциях «Безопасность движения поездов» (г. Москва, МИИТ, 2003, 2005, 2006 и 2008 г.г.), на первой всероссийской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Идеи молодых новой России» (г. Тула, ТулГУ, 2004 г.), на четырнадцатой международной научно-технической конференции «Проблемы развития рельсового транспорта» (Украина, г. Ялта, Восточноукр. нац. ун-т. им. В. Даля, 2004 г.),

на первой международной научно - практической конференции «Наука в транспортном измерении» (Украина, г. Киев 2005), на 16-й, 17-й, 18-й и 20-й международных интернет-конференциях молодых ученых и студентов по проблемам машиноведения (МИКМУС-2004, 2005, 2008),( г.Москва, ИМАШ им.А.А. Благонравова РАН), на 7-th European conference of young research and science workers «TRANSCOM - 2007» (Словакия, г. Жилина), на 2-й всероссийской конференции молодых ученых и специалистов «Будущее машиностроения России» (г.Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2009 г.), на I-V всероссийских научно-практических конференциях «Проблемы и перспективы развития вагоностроения» (г.Брянск, БГТУ, 2004, 2005, 2006, 2008, 2010 гг.)

Публикации. По материалам исследований опубликовано 22 печатные работы, из них одна в издании, рекомендованном ВАК РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из четырех глав, введения, заключения, списка использованных источников из 109 наименований. Общий объем диссертации составляет 114 страниц, включает 71 рисунок и 4 таблицы в текстовой части.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение содержит обоснование актуальности разработки методики математического моделирования аварийных продольных соударений пассажирских вагонов.

В первой главе диссертации произведен обзор средств обеспечения безопасности на железнодорожном транспорте, рассмотрен мировой опыт их совершенствования. Сделан обзор направлений развития теоретических исследований поведения подвижного состава в аварийных ситуациях. Дан краткий обзор исследований и методик анализа нагруженности железнодорожных экипажей при продольных соударениях. Отмечается, что значительный вклад в области данных исследований внесли ученые ВНИИЖТа Вертинский C.B., Со-лодков С.П., ВНИИВа Иванов A.B. Особенностями изменения напряжений в конструкциях вагонов и локомотивов с применением различных типов поглощающих аппаратов занимались в БИТМе Никольский JI.H., КеглинБ.Г., Кос-тенко H.A., Селинов В.И. Также теоретические исследования и эксперименты на моделях выполняли в МИИТе и СПГУ ПС Панькин H.A., Исаев И.П., Пузанков А. Д., ХусидовВ.Д., Котуранов В.Н., УстичП.А., Савоськин А.Н., Беспаль-ко C.B., Битюцкий A.A., в ДИИТе - Лазарян В.А., Блохин Е.П., Манашкин Л.А., Стамблер Е.Л., во ВНИКТИ Оганьян Э.С.

Обзор опубликованных работ показал, что традиционные подходы основываются на применении упрощенных расчетных схем, что связано с высокой трудоемкостью вывода и решения систем дифференциальных уравнений движения при анализе динамики состава, и динамических расчетов конечноэлементных расчетных схем при анализе напряженно-деформированного состояния исследуемых кон-

струкций. С развитием высокопроизводительной вычислительной техники и появлением специализированных программных комплексов, реализующих необходимые алгоритмы расчета, появилась возможность подробно исследовать аварийное соударение в динамике, с учетом контактного взаимодействия и пластического деформирования конструкции, численными методами.

На основе изложенного диссертационная работа посвящена разработке уточненной методики анализа динамической нагруженности несущей конструкции кузовов пассажирских вагонов при продольных аварийных соударениях с учетом пластического деформирования. Достижение поставленной цели связано с решением задач по:

- разработке детализированной пластинчатой конечноэлементной модели кузова пассажирского вагона и ее верификация;

- оценке возможности упрощения расчетной схемы посредством использования ортотропной модели материала;

- оценке влияния внутреннего и навесного оборудования на динамическую нагруженность кузова вагона при продольных соударениях;

- разработке конечноэлементной модели соударения пассажирских вагонов с возможностью взаимодействия моделей вагонов посредством ударно-тяговых устройств и контактирующих поверхностей;

- учету пластичности материала в модели, анализ аварийного соударения вагонов в случае наскока одного вагона на другой;

- анализу аварийного соударения вагонов в случае соосного удара, оценка эффективности установки сминаемых элементов на вагоны отечественного подвижного состава, анализ влияния скоростей взаимодействующих вагонов на процесс продольного соударения.

В качестве объекта исследования принят скоростной пассажирский вагон модели 61-4170 с кузовом из нержавеющих сталей и двухслойной обшивкой боковых стен конструкции ОАО «Тверской вагоностроительный завод».

Во второй главе описывается создание конечноэлементных моделей кузова пассажирского вагона с различными вариантами моделирования двухслойной обшивки.

В качестве одного из вариантов моделирования двухслойной обшивки вагона предложен оригинальный вариант учета особенности работы двухслойной обшивки, позволяющий в значительной степени снизить количество степеней свободы по сравнению с существующим вариантом, в котором наружный и внутренний листы моделируются пластинчатыми элементами, соединенными между собой стержнями малой длины и большой жесткости, имитирующими сварные точки.

Скат гофра Узел схемы

! бсумм - 5цк};р I Й,

Рис. 1. Схамамод&тдвххаюйнойобишеки

В предложенной расчетной схеме двухслойная обшивка моделируется пластинчатыми элементами. Области соприкасающихся обшивок (рис. 1) представлены в виде элементов, имеющих толщину, равную сумме их толщин. Гофры и находящиеся под ними области гладкой обшивки моделируются пластинчатыми элементами соответствующей толщины.

Оценка адекватности предложенного варианта модели двухслойной обшивки выполнена путем сопоставления работы участка двухслойной обшивки, смоделированного по существующей и по предложенной методикам.

Рассматривался участок обшивки боковой стены размером 480x290 мм с двумя продольными трапециевидными гофрами с шириной основания трапеции 70 и 50 мм и шагом гофрировки 120 мм.

Расчет производится по двум схемам нагружения: продольной сжимающей нагрузкой (а) и изгибающим моментом в плоскости обшивки (б) (рис.2).

Сопоставлялись эквивалентные напряжения в центах тяжести пластинчатых конечных элементов в среднем сечении рассматриваемого участка обшивки. Результаты сопоставления представлены на рис. 3 в виде эпюр распределения напряжений.

Рис. 2. Варианты пагружииярасчетной схемы Анализ результатов показал что

разница напряжений в соответствующих точках обшивки не превышает 5%, что позволяет сделать вывод о применимости предложенной методики моделирования для уменьшения объема расчетной схемы.

Для подробного анализа напряженно-деформированного состояния кузова разработана детализированная динамическая упругопластическая пластинчатая конечноэлементная модель (рис. 4). В модели все несущие элементы рамы вагона выполнены пластинчатыми элементами, учитывающими мембранные, сдвиговые, поперечные и изгибные силовые факторы. При моделировании использованы трех и четырех узловые конечные элементы. Пластинчатые элементы в расчетной схеме расположены по срединным поверхностям соответствующих элементов профилей.

а)

б)

Рис. 3 Эквивалентные напряжения в среднем сечении участка обшивки боковой стены, МПа: а - для расчетной схемы, состоящей из двух полотнищ, соединенных стержнями, моделирующими сварные точки: б для расчетной схемы с объединенными в зоне припегания полотнищами

Несущая гофрированная обшивка пола и крыши вагона моделируется пластинчатым и элементами, жесткостные характеристики которых описываются свойствами двумерного ортотропного материала. Для остальных элементов конструкции используются элементы со свойствами изотропного материала. Число степеней свободы модели составило 590*103.

Для исследования напряженно-деформированного состояния кузова вагона в динамической постановке разработана упрощенная конечно-элементная модель, в которой двухслойная обшивка боковых стен представлена пластинчатыми элементами с ортотропными свойствами материала.

Описанные изменения, а так же увеличение размеров конечноэлементной сетки позволили значительно снизить количество элементов расчетной схемы и число степеней свободы до 280* Ю'\

Верификация предложенных конечноэлементных моделей несущей конструкции кузова вагона выполняется путем сопоставления нормальных напряжений, полученных расчетным путем, с данными статических стендовых испытаний, | проведенных ЗАО НО «Тверской вагоностроительный институт», от действия , статической сжимающей нагрузки величиной 2,5 МН. Сопоставлялись эпюры

Рис. 4 Детализированная конечноэлементная модель кузова пассажирского вагона модели 61-4170 с вырезом четверти

нормальных напряжений в поперечном сечении кузова по оконному проему, ближайшему к срединному сечению кузова, и сечению по шкворневой балке, которые оказались качественно и количественно близки.

Обоснование адекватности упрощенной динамической модели кузова вагона выполнено путем сопоставления нормальных напряжений в соответствующих точках несущей конструкции кузова, полученных расчетом в динамической постановке упрощенной и детализированной конечноэлементных моделей.

Рассматривался случай столкновения одиночного вагона (вагона - бойка) со свободностоящим аналогичным вагоном со скоростью 11 км/ч, при которой динамическое сжимающее усилие составляет 2500 кН. Определялись продольные усилия на задних упорах автосцепного оборудования, в шкворневых узлах и вертикальные на скользунах во времени. Полученные нагрузки прикладывались к конечноэлементной модели кузова и проводился его расчет.

Сопоставление напряжений производилось по основным продольным элементам кузова (хребтовая балка, нижняя и верхняя обвязки). На рис.5 приведены графики максимальных нормальных напряжений в элементах хребтовой балки.

3753.1

Рис.5 Схемы расположения исследуемых конечных элементов и графики напряжений в них из (а) - детализированной и (б) -упрощенной схем

Как видно из приведенных графиков, детализированная и упрощенная схемы в динамической постановке задачи показывают близкие результаты, что подтверждает возможность их совместного использования при динамических расчетах.

В третьей главе рассмотрено влияние внутреннего и навесного оборудования на динамическую нагруженность кузова пассажирского вагона при продольных соударениях.

Конечноэлементные модели кузова дополнены элементами, моделирующими тяжелое внутреннее и навесное оборудование. Смоделировано следующее оборудование пассажирского вагона: низковольтный ящик, высоковольтный ящик, преобразователь, аккумуляторный бокс, фекальный бак, отделение бойлерное, пульт управления, кондиционер, бак для воды (рис.6).

Крепление оборудования на раме и крыше кузова осуществляется на

специально предусмотренных в конструкции кузова балках или кронштейнах посредством болтовых соединений, которые моделируются стержневыми элементами малой длины со специально подобранными свойствами. Само оборудование представлено объемными пространственными элементами с массой, равномерно распределенной по объему.

Значения основных динамических усилий, действующих на кузов, были получены из динамической твердотельной модели вагона, разработанной в программном комплексе «Универсальный механизм» БГТУ, включающей в себя кузов и тележки в виде подсистем.

Рассматривается случай аварийного соударения поезда, состоящего из локомотива и пяти прицепных вагонов, с неподвижным препятствием на скорости 20 км/ч. За исследуемый объект принят первый вагон в составе.

Из анализа твердотельной модели получены динамические усилия, действующие на кузов: горизонтальные, передающиеся на задние упоры автосцепных устройств от локомотива и соседнего вагона, горизонтальное и вертикальное, передаваемые от тележек на кузов в шкворневом узле и на скользунах, горизонтальные по буферным устройствам с противоположной удару стороны вагона.

На втором этапе эти динамические усилия прикладывались к конечноэле-ментной схеме вагона, и производился ее динамический расчет в промышленном программном комплексе, реализующем метод конечных элементов.

При анализе влияния сосредоточенных масс на напряженно-деформированное состояние несущей конструкции кузова рассматривались зоны пересечения поперечных балок с хребтовой, а так же с продольной буферной балкой (в зонах а, Ь ,с ,с1 рис. 7)

Рис. 7 Расположение рассматриваемых зон конечноэлементной модели: I - низковольтный ящик, 2 высоковольтный ящик, 3 - преобразователь, 4 - аккумуляторный бокс, 5 - фекальный бак

Рис. б Модель бака для воды

-600 <т, М1А

Хч > с1 —-

\\ У-- V \

^ \\ \ ■у

\ \ \ // ь ;/ ■ / ■ 1

\ ) \4 \ V

ч в

- масса кузова распределена по металл око! ютр^кции

- часть массы сконцентрирована на кузове

Из рис. 8 видно, что значения на-,с пряжений в элементах для различных случаев расчета расходятся, максимальная разница достигает 16 %. По мере удаления оборудования от места приложения ударной нагрузки эта разница уменьшается.

Учитывая перечисленные особенности, для подробного анализа выделен узел крепления аккумуляторного бокса. Анализ напряженно - деформированного состояния выполняется для трех сечений поперечной балки, к которой непосредственно осуществляется крепление аккумуляторного бокса: элементы 1, 2, 3 (рис. 9).

В результате динамического расчета для каждого элемента сечения построены графики изменения максимальных напряжений во времени (рис. 10).

Сопоставление кривых о(0 двух вариантов расчетных схем (с учетом сосредоточенных масс и путем их равномерного распределения по элементам металлоконструкции) показывает, что максимальные напряжения в элементах поперечной балки для первого варианта расчетной схемы превышают напряжения в аналогичных элементах для второго варианта в 2,5 - 3 раза. В сечении хребтовой балки в исследуемой зоне для случая вынесенных масс так же наблюдается увеличение уровня напряжений до 10%.

о.Ша а.МПа а.МПа

Рис. 8 Графики изменения нормальных напряжений в исследуемых зонах

хребтовая бачка

оокс аккумуляторный

а \ N

) \ г

\ \ / \

) --- -Л

! Я

/ \ л }

Д!

г \ ©

/ \ 1 \

1- --- А Л Л

Рис. 10 Графики изменения напряжений во времени в элементах 1. 2 и 3: а-с установленным аккумуляторным боксом; б - без бокса

В четвертой главе предложена методика исследования процесса аварийного продольного соударения вагонов с учетом пластического деформирования их кузовов.

«Нормы проектирования и расчета вагонов» дают рекомендации производить расчет противоударных стоек торцевых стен пассажирских вагонов от действия сосредоточенных усилий на высоте 0,5 метра от нижней опоры. Подобная ситуация может возникнуть в случае, когда при одностороннем ударе в автосцепку, из-за разности высот автосцепок вагоны совершают «клевок» на рессорных комплектах тележек, в результате чего возникает ситуация, когда приподнятая концевая часть одного вагона накатывается на пониженную часть соседнего (эффект наскока).

Создана подробная конечноэлементная модель соударения вагонов на основе детализированной пластинчатой конечноэлементной модели (рис. 4). Модель представляет собой упругую концевую часть кузова вагона - упора, повернутую на соответствующий угол и жестко закрепленную в пространстве по плоскости сечения, и упругий кузов накатываемого вагона (вагона - бойка).

Конечноэлементная модель концевой части кузова вагона (упора) была дополнена моделями буферных устройств, модель набегающего вагона (вагона-бойка) - объемными элементами, моделирующими тележки. Упругий элемент буферного устройства имеет линейную силовую характеристику. Для элементов, моделирующих основную несущую конструкцию кузова вагона, задается нелинейная модель материала посредством использования диаграммы растяжения стального образца с учетом скорости деформации. Динамические усилия в модели возникают в результате контактных взаимодействий конечноэлемент-ных моделей, алгоритмы которых реализованы в специализированном программном комплексе.

Моделирование производилось до начала обратного хода вагона - бойка вследствие контактного взаимодействия с вагоном - упором. Время соударения составило 0,25 с. В процессе моделирования соударения регистрировались следующие величины: перемещения узлов, узловые скорости, узловые ускорения, узловые силы, эквивалентные напряжения, кинетическая энергия соударения. На рис. 12 показано деформированное состояние кузовов, полученное в результате расчета.

В связи с опасностью рассматриваемого случая соударения, производители подвижного состава Европы и США стараются исключить возможность вертикального перемещения концевых частей вагонов друг относительно друга, для чего применяются специальные противо-подъемные устройства.

Для проведения сравнительного анализа поведения металлоконструкции кузовов соударяемых вагонов с возникновением подскока и без него была разрабо- Риа 11 Деформированное состояние кузовов при соударении

тана модель соударения пассажирских

}

и

"V

£

fd.ii

вагонов, оборудованных противоподъемными устройствами. Здесь концевая часть кузова вагона-упора расположена горизонтально, на одном уровне с кузовом вагона бойка. Для реализации данной схемы соударения, конечноэлементные модели кузовов были дополнены недостающими моделями автосцепных устройств с силовой характеристикой упругого элемента поглощающего аппарата Р-5П, полученной экспериментальным путем и линейно аппроксимированной.

Сопоставление результатов анализа соударения вагонов с наскоком и без него, показали, что в случае применения противоподъемного устройства уровень максимальных ускорений на оборудовании значительно выше, чем в случае возникновения подскока (рис. 12).

К негативным последствиям соударения пассажирских вагонов, оборудованных противоподъемными устройствами, относится пластические деформации несущих элементов подкрепляющего набора рамы и потеря устойчивости тонкостенной обшивки боковых стен кузова в области изменения поперечного сечения хребтовой балки (рис. 13).

Для уменьшения негативных последствий продольного соударения вагонов, оборудованных противоподъемными устройствами, было предложено отвести часть энергии от системы взаимодействующих тел за счет ее погло-

Рис. 12 График сопоставления продольных ускорений аккумуляторного бокса для двух

вариантов расчетных схем: а -с наличием наскока, б -с применением противоподъемных устройств

Рис. 13 Деформированное состояние кузова пассажирского вагона после соударения

щения посредством пластической деформации концевой части соударяющихся кузовов и специальных разрушаемых элементов, расположенных в буферных зонах рам.

Конструкция используемых на железных дорогах России автосцепных устройств не позволяет достичь необходимой величины хода смятия жертвенного элемента. Для обеспечения такой возможности расчетная схема продольного соударения вагонов была доработана следующим образом: разрешено перемещение автосцепки внутрь рамы вагона (из схемы за ненадобностью исключены элементы, моделирующие контактирующие части автосцепки и упорной розетки); реализованы срезаемые при достижении критической нагрузки задние упоры за счет разрушае-

Рис. 14 Графики сопоставления продольных ускорений аккумуляторного бокса для двух вариантов расчетных схем: а - со стандартным автосцепным устройством, б - с модифицированным автосцетым устройством

мых связей в узлах крепления упоров к хребтовой балке; буферные зоны оборудованы жертвенными элементами.

Величина усилия среза задних упоров определялась исходя из условия недопущения пластических деформаций в хребтовой балке, и принята равной 3,4 МН.

Жертвенным элементом, ус-

танавливаемым на раму кузова, был выбран цилиндрический элемент с размерами 200x550x4 мм и соответствующей силовой характеристикой.

Результаты расчета соударения с предложенными изменениями в целом показали эффективность принятых решений. Зоны максимальных напряжений, а следовательно, и пластических деформаций оказываются локализованы в концевой части кузова вагона. Время взаи-

Рмодействия вагонов, до полного поглощения энергии соударения возрастает приблизительно в 2 раза, что приводит, в частности, к уменьшению ускорений элементов подвагонного оборудования (рис. 14). Влияние сминаемых элементов не значительно, что дает основания отказаться от их использования в пользу возможности свободного перемещения стакана буфера внутрь рамы после пол-

X бШ Произведена оценка влияния скоростей

¿^ЁВ^Ш^^ИШШшШ соударения пассажирских вагонов на про-

. цесс деформирования кузовов исходной кон-

• 1 лА/ '*' Сопоставление проводилось по результа-

™ там расчетов соударения по схеме с наличием

Ш Я' 4 V--'' «наскока». Расчет производился для скоростей

V""' " б) соударения 20 и 25 км/ч - максимальные ско-

рости соударения при проведении натурных испытаний, рекомендованные руководящей документацией на испытания вагонов.

На рис. 15 показано деформированное состояние кузовов для обоих случаев.

Рис. 15 Деформированное состояние ко-нечноэлементной модели кузова вагона при соударениях пассажирских вагонов на скоростях: а) К = 20 км/ч, б) К = 25 км/ч

Рис. 16 Графики ускорений аккумуляторного бокса относительно продольной оси вагона при скоростях соударения: 1 - V = 20 км/ч, 2-У = 25 км/ч

Сравнение результатов расчета для рассмотренных случаев соударения показало, что время соударения практически не изменилось I = 0,22 с.

Полное поглощение энергии соударения за равные промежутки времени указывает на более интенсивный процесс пластической деформации металлоконструкции для большей скорости. Пиковые значения ускорений на тяжелом оборудовании при увеличении ско-

рости соударения соответственно возросли на 30% (рис. 16).

Основные результаты работы и выводы. В диссертационной работе на основе проведенных исследований и выполненных разработок получены следующие результаты.

1. Разработана методика моделирования продольных аварийных соударений кузовов пассажирских вагонов с учетом их динамической нагруженности и использованием пластинчатых конечноэлементных моделей.

2. Предложены варианты упрощения моделирования двухслойной и гофрированной обшивок с целью уменьшения объема вычислений и сокращения расчетного времени. Разработана детализированная пластинчатая конечно-элементная модель кузова вагона, в которой двухслойная обшивка боковой стены моделируется пластинчатыми элементами соответствующих толщин, а зоны прилегания обшивок элементами, имеют суммарную толщину.

3. Проведено сопоставление результатов расчетов кузова пассажирского вагона с помощью детализированной и упрощенной (двухслойная обшивка моделируется ортотропными пластинами) конечноэлементных моделей с результатами натурных статических испытаний, выполненных ЗАО НО «Тверской институт вагоностроения». Сравнительный анализ нормальных напряжений в сечениях кузова в шкворневой зоне и посередине качественно и количественно близки, что свидетельствует о достоверности результатов, получаемых при использовании предлагаемых конечноэлементных моделей.

Сопоставление результатов расчета кузова от динамических усилий, определенных из твердотельной динамической модели соударения, на основе предлагаемых схем МКЭ показало близкие результаты, что указывает на возможность их использования при динамических расчетах.

4. Разработанные конечноэлементные модели дополнены элементами, имитирующими тяжелое внутреннее и навесное оборудование кузова и элементами их крепления.

5. Анализ влияния тяжелого оборудования на напряженно-деформированное состояние кузова первого вагона в составе, включающем локомотив и пять вагонов, при его продольном ударе в неподвижный упор на скорости 20 км/ч показал, что разница в соответствующих сечениях достигает 16 %. Это указывает на целесообразность учета внутреннего и навесного оборудования при оценке динамической нагруженности несущей конструкции кузова пассажирского вагона.

6. Разработана методика учета пластических деформаций несущих элементов концевой части кузова пассажирского вагона при аварийных продольных соударениях.

7. Создана динамическая модель соударения вагонов при неблагоприятном взаиморасположении кузовов взаимодействующих вагонов: концевая часть кузова вагона, вступающая в контакт, приподнята на 0,5 м, по отношению к другому кузову. Вагон-боек накатывается на вагон-упор со скоростью 20 км/ч. В пластинчатой конечноэлементной модели кузова применена нелинейная модель материала, определены зоны контактного взаимодействия. Расчетная схема дополнена моделями буферных устройств с упругими элементами, имеющими линейную силовую характеристику.

8. Разработана динамическая модель соударения кузовов вагонов, оборудованных противоподъемными устройствами; концевые части кузовов расположены горизонтально. Расчетная схема дополнена моделями автосцепного оборудования, работа поглощающего аппарата Р-5П моделируется одномерным упругим элементом, имеющим силовую характеристику, полученную в результате линейной аппроксимации экспериментальных кривых.

9. Проведен сравнительный анализ результатов расчетов моделей соударений вагонов с «подскоком» и его отсутствием. Применение противоподъемных устройств повышает уровень максимальных ускорений на оборудовании; уровень пластических деформаций концевой части со стороны удара уменьшается; время полного поглощения кинетической энергии сокращается приблизительно в два раза; наблюдаются пластические деформации несущих элементов подкрепляющего набора рамы и потеря устойчивости тонкостенной обшивки боковой стены кузова.

10. Рассмотрена возможность снижения негативных последствий аварийных продольных соударений путем оборудования кузовов пассажирских вагонов отечественного производства жертвенными сминаемыми элементами. Разработана конечноэлементная модель пластического деформирования трубчатого жертвенного элемента, получена его силовая характеристика.

Предусмотрена возможность входа корпуса буфера внутрь лобовой балки. В модели автосцепных устройств добавлена возможность среза задних упоров. Обеспечена возможность захода головы автосцепки внутрь хребтовой балки, что позволяет увеличить рабочий ход деформации жертвенных элементов.

11. Анализ соударения кузовов с предложенными изменениями в целом показал эффективность предлагаемых решений. Зоны максимальных напряжений, а следовательно, и пластических деформаций оказываются локализованы в концевой части кузова вагона, время взаимодействия вагонов до полного поглощения энергии соударения возрастает приблизительно в два раза, что свидетельствует об уменьшении ускорений элементов кузова. При этом влияние сминаемых элементов не значительно, что дает основания отказаться от их использования в пользу возможности свободного перемещения стакана буфера внутрь рамы после полного его закрытия.

12. Выполнен анализ влияния аварийных скоростей соударения вагонов, предписанных руководящими документами на испытания (20 и 25 км/ч). Результаты сопоставления показали, что скорость узлов модели набегающего вагона в одном и другом случаях снижается от максимального значения до нуля приблизительно за t = 0,22 с, что указывает на более интенсивный процесс пластической деформации металлоконструкции кузова при большей скорости. С повышением скорости соударения на 5 км/ч ускорения элементов тяжелого оборудования увеличиваются в среднем на 30%.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Расин, Д.Ю. Анализ нормативных требований к концевой части кузова пассажирского вагона при аварийных соударениях/ Д.Ю. Расин // Труды IV научно-практ. конф. «Безопасность движения поездов». - М.:МИИТ, 2003. - C.IV-76.

2. Антипин, Д.Я. Варианты оценки прочностных и динамических характеристик кузовов пассажирских вагонов при продольном соударении/Д.Я. Антипин, М.А. Булычев, Д.Ю. Расин // Материалы всероссийской научно-техн. конф. «Проблемы железнодорожного транспорта». - Екатеринбург,

2003.-т. I.-C. 106-112.

3. Азарченков, A.A. Моделирование процесса продольного соударения/ A.A. Азарченков, Д.Ю. Расин// Тез. докл. I Всероссийской научно-техн. конф. студ. и асп. «ИДЕИ МОЛОДЫХ НОВОЙ РОССИИ». - Тула, 2004. - С.85-86.

4. Расин, Д.Ю. Оценка напряженного состояния кузова пассажирского вагона при действии статических и динамических нагрузок по осям автосцепок/ Д.Ю. Расин, A.A. Азарченков // Материалы научно-практ. конф. «Проблемы и перспективы развития вагоностроения». - Брянск: Изд-во БГТУ,

2004. - С.32-33.

5. Кобшцанов, B.B. Методика расчета продольных соударений пассажирских вагонов/ В.В. Кобшцанов, A.A. Азарченков, Д.Ю. Расин // Вест. Восточно-укр. нац. ун-та. им. В. Даля. - Луганск, 2004. -№7. - С. 95-99.

6. Азарченков, A.A. Моделирование нагруженности пассажирских вагонов при продольных соударениях и оценка их безопасности/ A.A. Азарченков, В.В. Кобшцанов, Д.Ю. Расин // Тез. докл. XVI Международной Интернет конференции молодых ученых и студентов по проблемам машиноведения (МИКМУС-2004), - М.: Изд-во ИМАШ РАН, 2004. - С.8.

7. Расин, Д.Ю. Учет влияния внутреннего и навесного оборудования пассажирского вагона на нагруженность кузова при моделировании продольных соударений /Д.Ю. Расин // Материалы II научно-практ. конф. «Проблемы и перспективы развития вагоностроения». - Брянск: Изд-во БГТУ, 2005. - С.65-67.

8. Азарченков, A.A. Нагруженность пассажирских вагонов при аварийных соударениях/ A.A. Азарченков, Д.Ю. Расин// Труды VI научно - практ. конф. «Безопасность движения поездов». - М.:МИИТ, 2005. - C.VII-15.

9. Азарченков, A.A. Динамическая нагруженность пассажирских вагонов/ A.A. Азарченков, В.В. Кобшцанов В.В., Д.Я. Антипин Д.Я., Д.Ю.Расин// Науч. труды, тез. докл. I Международной научно-практ. конф. «Наука в транспортном измерении». - Киев, 2005. - С.85.

10. Расин, Д.Ю. Учет влияния внутреннего и навесного оборудования пассажирского вагона на нагруженность кузова при продольных соударениях/ Д.Ю. Расин // Тез. докл. XVII Международной Интернет конференции молодых ученых и студентов по проблемам машиноведения (МИКМУС-

2005), - М.: Изд-во ИМАШ РАН, 2005. - С.131.

11. Расин, Д.Ю. Особенности конечно-элементного моделирования несущей конструкции кузова пассажирского вагона с двухслойной обшивкой/ Д.Ю. Расин// Тез. докл. XVIII Международной Интернет конференции молодых ученых и студентов по проблемам машиноведения (МИКМУС-

2006), - М.: Изд-во ИМАШ РАН, 2006. - С.22.

12. Расин, Д.Ю. Анализ нормативных требований к концевой части кузова пассажирского вагона при аварийных соударениях/ Д.Ю. Расин, A.A. Азарченков// Труды VII научно - практ. конф. «Безопасность движения поездов». - М.:МИИТ, 2006. - C.VI-20.

13. Расин, Д.Ю. Влияния внутреннего и навесного оборудования пассажирского вагона на местное напряженное состояние кузова при продольных соударениях /Д.Ю. Расин // Материалы III научно-практ. конф. «Проблемы и перспективы развития вагоностроения». - Брянск: Изд-во БГТУ, 2006. - С.77-79.

14. Rasin, D.U. Longitudinal collision modeling of cars in a train set/ D.U. Rasin, A.A. Azarchenkov, V.V. Kobishanov // Proceedings of 7-th European conference of young research and science workers. - Zilina (Slovak republic). - P. 17-20.

15. Расин, Д.Ю. Прогнозирование нагруженности кузова пассажирского вагона при продольных аварийных соударениях/ Д.Ю. Расин, В.В. Кобшцанов,

A.A. Азарченков// Материалы IV международной научно-практ. конф. «Проблемы безопасности на транспорте». - Гомель:БелГУТ. - 2007. - С. 68-70.

6. Расин, Д.Ю. Профилактика аварийных соударений/ Д.Ю. Расин //Мир транспорта. - М, 2008. - С. 64-67 (Входит в перечень изданий, рекомендованных ВАК).

7. Расин, Д.Ю. Влияние схемы соединения пассажирских вагонов на процесс продольных аварийных соударений/ Д.Ю. Расин, A.A. Азарченков// Материалы IV научно-практ. конф. «Проблемы и перспективы развития вагоностроения». - Брянск: Изд-во БГТУ, 2008. - С.89-92.

8. Расин, Д.Ю. Оценка влияния противоподъемного устройства на безопасность пассажирских вагонов в процессе продольного аварийного соударения пассажирских вагонов/ Д.Ю. Расин // Труды IX научно - практ. конф. «Безопасность движения поездов». - М.:МИИТ, 2008. - C.VII-47.

9. Расин, Д.Ю. Анализ влияния противоподъемного устройства на процесс продольного аварийного соударения пассажирских вагонов / Д.Ю. Расин // Тез. докл. XX Международной Интернет конференции молодых ученых и студентов по проблемам машиноведения (МИКМУС-2008), - М.: Изд-во ИМАШ РАН, 2008.-С.79.

0. Расин, Д.Ю. Анализ безопасности пассажирских вагонов, оборудованных про-тивоподьемными устройствами, при продольных соударениях/ Д.Ю.Расин // Сборник трудов II всероссийской конференции молодых ученых и специалистов «Будущее машиностроения России». - М:МВТУ, 2009. - С. 176.

1. Расин, Д.Ю. Разработка методики теоретического анализа напряженно-деформированного состояния несущих конструкций кузовов пассажирских вагонов с двухслойной обшивкой/ Д.Ю. Расин, A.M. Высоцкий, А.Я. Антипин// Материалы V научно-практ. конф. «Проблемы и перспективы развития вагоностроения». - Брянск: Изд-во БГТУ, 2010. - С.25-28.

2. Расин, Д.Ю. Влияние скоростей соударения пассажирских вагонов на деформирование их кузовов/ Д.Ю. Расин // Материалы V научно-практ. конф. «Проблемы и перспективы развития вагоностроения». - Брянск: Изд-во БГТУ, 2010. -С.94-96.

Расин Дмитрий Юрьевич БЕЗОПАСНОСТЬ ЭКСПЛУАТАЦИИ КУЗОВОВ ПАССАЖИРСКИХ ВАГОНОВ ПРИ НОРМАТИВНЫХ ПРОДОЛЬНЫХ СОУДАРЕНИЯХ

05.22.07 - Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация.

Подписано в печать 25.11 2010 г. Формат 60x84 1/16 Бумага офсетная.

Офсетная печать. Печ. л. 1,1. Уч.-изд .л. 1,1. Тираж 100 экз. Заказ 341. Бесплатно

Издательство Брянского государственного технического университета. 241035, г. Брянск; БГТУ, бульвар 50-летия Октября, 7. Тел. 55-90-49.

СОДЕРЖАНИЕ.

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ АВАРИЙНЫХ СИТУАЦИЙ ПАССАЖИРСКОГО ПОДВИЖНОГО СОСТАВА. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

2. ПОСТРОЕНИЕ КОНЕЧНОЭЛЕМЕНТНЫХ МОДЕЛЕЙ КУЗОВА СКОРОСТНОГО ПАССАЖИРСКОГО ВАГОНА С ДВУХСЛОЙНОЙ ОБШИВКОЙ БОКОВЫХ СТЕН.

2.1. Обоснование конечноэлементной модели двухслойной обшивки.

2.2. Построение уточненной конечноэлелгентной модели кузова.

2.3. Особенности приближенной конечноэлементной модели кузова вагона.

2.4. Верификация расчетных схем МКЭ кузова.

3. АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ВНУТРЕННЕГО И НАВЕСНОГО ОБОРУДОВАНИЯ НА ДИНАМИЧЕСКУЮ НАГРУЖЕННОСТЬ КУЗОВА ПАССАЖИРСКОГО ВАГОНА ПРИ ПРОДОЛЬНЫХ СОУДАРЕНИЯХ.

3.1. Динамическая конечноэлементная модель кузова с внутренним и навесным оборудованием.

3.2. Оценка нагруженности кузова и зон крепления оборудования при продольных соударениях.

4.УЧЕТ ПЛАСТИЧЕСКИХ ДЕФОРМАЦИЙ КОНЦЕВОЙ ЧАСТИ КУЗОВА ПАССАЖИРСКОГО ВАГОНА ПРИ ПРОДОЛЬНЫХ АВАРИЙНЫХ СОУДАРЕНИЯХ.

4. ¡.Методика учета пластических деформаций несущих элементов концевой части кузова пассажирского вагона при аварийных продольных соударениях.

4.2. Вариант возможного снижения негативных последствий аварийных продольных соударений вагонов отечественного подвижного состава.

4.3. Анализ влияния аварийных скоростей соударения при испытаниях пассажирских вагонов на деформации кузовов.

Обеспечение безопасности железнодорожных перевозок является одним из наиболее важных направлений в концепции развития железнодорожного транспорта. Особое внимание уделяется обеспечению безопасности пассажирских перевозок, поскольку с повышение скоростей движения и увеличением пассажирооборота возникают повышенные риски для жизни и здоровья пассажиров в случае возникновения аварийных ситуаций.

Средства для предотвращения аварий на железной дороге условно подразделяются на активные и пассивные: активные - комплекс мер, направленных на предотвращение возникновения аварийных ситуаций; пассивные — технические решения, имеющие целью уменьшение возможных негативных последствий в случае аварии. Постоянное совершенствование предупредительных мер не снимает проблемы окончательно. Аварийная ситуация на железной дороге может стать следствием многих причин, включающих человеческий фактор, устранить которые в полном объеме нет возможности. Поэтому развитие пассивных средств безопасности является существенной частью политики по обеспечению безопасности движения. Основные работы по внедрению подобных решений производятся на стадии проектирования единиц подвижного состава.

Оценка эффективности от внесения в конструкцию изменений, призванных обеспечить требуемый уровень безопасности, осуществляется посредством предварительных расчетов и результатами натурных испытаний готовых образцов.

Проведение экспериментальных исследований кузовов пассажирских вагонов на действие аварийных нагрузок требует значительных капитальных затрат, что значительно ограничивает возможность их применения. Однако существует необходимость оценки поведения конструкции при различных сценариях развития аварийной ситуации. В связи с этим разработка методик математического моделирования продольных аварийных соударений поезда и отдельных единиц подвижного состава является актуальной. Их применение позволит частично заменить дорогостоящие натурные испытания, а так же дополнить комплекс исследований анализом поведения вагонов в нестандартных ситуациях, что послужит поводом для принятия конструктивных решений с целью дополнительно обезопасить здоровье и жизнь пассажиров. Анализ последствий аварий последнего времени показал необходимость таких исследований.

Современные расчетные комплексы позволяют со значительной долей достоверности моделировать динамическую нагруженность кузова вагона, а так же оценить его напряженно-деформированное состояние. Посредством численного моделирования можно так же проследить поведение тела человека в процессе развития аварии и оценить опасность для жизни и здоровья пассажира без проведения соответствующих испытаний с применением дорогостоящих антропометрических манекенов.

Исходя из изложенного, диссертационная работа посвящена разработке методики математического моделирования аварийных продольных соударений пассажирских вагонов.

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач.

- Моделирование продольного соударения вагонов в составе поезда.

- Оценка влияния тяжелого оборудования на напряженно-деформированное состояние кузова при продольном соударении.

- Сравнительный анализ различных сценариев соударения на основе нелинейных динамических конечно-элементных моделей.

- Оценка возможности применения жертвенных элементов в конструкции кузова пассажирского вагона отечественного производства.

В качестве объекта исследования принят скоростной пассажирский вагон модели 61-4170, имеющий максимальную конструктивную скорость движения 200 км/ч, производства ОАО «Тверской вагоностроительный завод».

В первой главе рассмотрены основные направления деятельности с целью обеспечения и повышения безопасности пассажирского железнодорожного транспорта в России и Мире, существующие работы в области исследования динамики поезда, напряженно-деформированного состояния конструкций кузовов. Приведен обзор существующих расчетных программных комплексов по группам решаемых ими задач. Рассмотрены исследования в области продольного соударения единиц подвижного состава. Сформулированы цели и задачи исследования, перечислены принятые ограничения.

Во второй главе приведено описание существующей конечноэлементной модели кузова исследуемого вагона, рассмотрены варианты упрощения моделирования конструктивных элементов с целью уменьшения степеней свободы расчетной схемы. Разработана упрощенная пластинчатая конечноэле-ментная модель кузова пассажирского вагона. Выполнена верификация модели посредством сопоставления результатов расчетов упрощенной и уточненной расчетных схем между собой, а так же с результатами натурных статических испытаний, проведенных на предприятии-производителе.

В третьей главе произведена оценка влияния внутреннего и навесного оборудования на напряженно-деформированное состояние кузова пассажирского вагона — первого в составе поезда, при продольном ударе в неподвижный упор.

В четвертой главе описаны динамические конечноэлементные модели соударений при неблагоприятном сценарии развития аварийной ситуации при обыкновенном столкновении. Приведены результаты анализа. Произведено сопоставление полученных результатов расчета по двум сценариям соударения, сделаны выводы. Рассмотрен вариант возможного снижения негативных последствий аварийных продольных соударений вагонов, посредством введения в конструкцию кузова существующего вагона жертвенных элементов. Проведена оценка влияния скорости соударения кузовов пассажирских вагонов на процесс их деформирования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Разработана методика моделирования продольных аварийных соударений кузовов пассажирских вагонов с учетом их динамической нагруженности и использованием пластинчатых конечноэлемент-ных моделей.

2. Предложены варианты упрощения моделирования двухслойной и гофрированной обшивок с целью уменьшения объема вычислений и сокращения расчетного времени. Разработана подробная пластинчатая конечноэлементная модель кузова вагона, в которой двухслойная обшивка боковой стены моделируется пластинчатыми элементами соответствующих толщин, а зоны прилегания обшивок элементами, имеют суммарную толщину.

3. Проведено сопоставление результатов расчетов кузова пассажирского вагона с помощью подробной и приближенной (двухслойная обшивка моделируется ортотропными пластинами) конечноэле-ментных моделей с результатами натурных статических испытаний, выполненных ЗАО НО «Тверской институт вагоностроения». Сравнительный анализ нормальных напряжений в сечениях кузова в шкворневой зоне и посередине качественно и количественно близки, что свидетельствует о достоверности результатов, получаемых при использовании предлагаемых конечноэлементных моделей. Сопоставление результатов расчета кузова от динамических усилий, определенных из твердотельной динамической модели соударения, на основе предлагаемых схем МКЭ показало близкие результаты, что указывает на возможность их использования при динамических расчетах.

4. Разработанные конечноэлементные модели дополнены элементами, имитирующими тяжелое внутреннее и навесное оборудование кузова и элементами их крепления.

5. Анализ влияния тяжелого оборудования на напряженно-деформированное состояние кузова первого вагона в составе, включающем локомотив и пять вагонов, при его продольном ударе в неподвижный упор на скорости 20 км/ч показал, что разница в соответствующих сечениях достигает 16 %. Это указывает на целесообразность учета внутреннего и навесного оборудования при оценке динамической нагруженности несущей конструкции кузова пассажирского вагона.

6. Разработана методика учета пластических деформаций несущих элементов концевой части кузова пассажирского вагона при аварийных продольных соударениях.

7. Создана динамическая модель соударения вагонов при неблагоприятном взаиморасположении кузовов взаимодействующих вагонов: концевая часть кузова вагона, вступающая в контакт, приподнята на 0,5 м, по отношению к другому кузову. Вагон-боек накатывается на вагон-упор со скоростью 20 км/ч. В пластинчатой конечноэлемент-ной модели кузова применена нелинейная модель материала, определены зоны контактного взаимодействия. Расчетная схема дополнена моделями буферных устройств с упругими элементами, имеющими линейную силовую характеристику.

8. Разработана динамическая модель соударения кузовов вагонов, оборудованных противоподъемными устройствами; концевые части кузовов расположены горизонтально. Расчетная схема дополнена моделями автосцепного оборудования, работа поглощающего аппарата Р-5П моделируется одномерным упругим элементом, имеющим силовую характеристику, полученную в результате линейной аппроксимации экспериментальных кривых.

9. Проведен сравнительный анализ результатов расчетов моделей соударений вагонов с «подскоком» и его отсутствием. Применение противоподъемных устройств повышает уровень максимальных ускорений на оборудовании; уровень пластических деформаций концевой части со стороны удара уменьшается; время полного поглощения кинетической энергии сокращается приблизительно в два раза; наблюдаются пластические деформации несущих элементов подкрепляющего набора рамы и потеря устойчивости тонкостенной обшивки боковой стены кузова.

10. Рассмотрена возможность снижения негативных последствий аварийных продольных соударений путем оборудования кузовов пассажирских вагонов отечественного производства жертвенными сминаемыми элементами. Разработана конечноэлементная модель пластического деформирования трубчатого жертвенного элемента, получена его силовая характеристика.

Предусмотрена возможность входа корпуса буфера внутрь лобовой балки. В модели автосцепных устройств добавлена возможность среза задних упоров. Обеспечена возможность захода головы автосцепки внутрь хребтовой балки, что позволяет увеличить рабочий ход деформации жертвенных элементов.

11. Анализ соударения кузовов с предложенными изменениями в целом показал эффективность предлагаемых решений. Зоны максимальных напряжений, а следовательно, и пластических деформаций оказываются локализованы в концевой части кузова вагона, время взаимодействия вагонов до полного поглощения энергии соударения возрастает приблизительно в два раза, что свидетельствует об уменьшении ускорений элементов кузова. При этом влияние сминаемых элементов не значительно, что дает основания отказаться от их использования в пользу возможности свободного перемещения стакана буфера внутрь рамы после полного его закрытия.

12. Выполнен анализ влияния аварийных скоростей соударения вагонов, предписанных руководящими документами на испытания (20 и 25 км/ч). Результаты сопоставления показали, что скорость узлов модели набегающего вагона в одном и другом случаях снижается от максимального значения до нуля приблизительно за I = 0,22 с, что указывает на более интенсивный процесс пластической деформации металлоконструкции кузова при большей скорости. С повышением скорости соударения на 5 км/ч ускорения элементов тяжелого оборудования увеличиваются в среднем на 30%.

1. Руководство ИСО/МЭК 2:2004 (E/F/R). Стандартизация и смежные виды деятельности. Общий словарь. — ИСО, 2004. — 60 с.

2. Технический регламент «О безопасности железнодорожного подвижного состава». Утвержден постановлением Правительства РФ от 15.07.2010 г. N 524. (вступает в силу с 2.08. 2013 г.)

3. Взорван "Невский экспресс": Электронный ресурс. // РосБизнесКансалтинг (RBC): новостной инернет-портал. 2009. 28 ноября. - URL:http://top.rbc.ru/ incidents/28/ll/2009/349497.shtml.

4. Авария поезда Москва Петербург Электронный ресурс. // РосБизнесКансалтинг (RBC): новостной интернет-портал. 2007. — 13 августа. — URL:http://top.rbc.ru/incidents/13/08/2007/l 13063.shtml.

5. Крупные аварии пассажирских поездов на железных дорогах РФ Электронный ресурс. // Дейта.ру: информационное агентство. 2007. — 29 ноября. — URL :http ://deita.ru/news/

6. Крупнейшие катастрофы на железнодорожном транспорте //Коммерсантъ. № 80. 2004. - 6 мая. - С. 11.

7. Нормы для расчета и проектирования вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм. (несамоходных). М.:ГосНИИВ - ВНИИЖТ, 1996.-319 с.

8. Mayville, R. Crashworthiness Design Modifications for Locomotive and CaCar Anticlimbing Systems / R. Mayville, R. Stringfellow, K. Johnson, S. Landrum // US Department of Transportation, DOT/FRA/ORD-03/05. 2003. XIV, 86 c.

9. Прочность подвижного состава при соударении// Железные дороги мира, 2000. №4. - С.32-36.

10. Комбинированный буфер с деформируемым элементом// Железные дороги мира, 2002. №9. - С.50-54.

11. Подвижной состав повышенной безопасности при столкновениях// Железные дороги мира, 2006. — №4. — С.49-55.

12. Азарченков, А.А. Разработка методики оценки аварийной нагруженности пассажирских вагонов при продольных соударениях: автореф. дис. . канд. техн. наук /А.А. Азарченков. Брянск: БГТУ, 2005. - 20 с.

13. Гольдин, C.JI. Зарубежный опыт стандартизации для обеспечения безопасности пассажиров при авариях поездов/ C.JI. Гольдин // Железные дороги мира, 2010. №2. - С.62-69.

14. Погорелов, Д.Ю. Совершенствование динамических качеств подвижного состава железных дорог средствами компьютерного моделирования/ Д.Ю. Погорелов, Г.С. Михальченко, В.А. Симонов// Тяжелое машиностроение, 2003.-№12.-С. 2-6.

15. Matej, J. Tracked mechanism simulation of mobile machine in MSC.ADAMS/View / J. Matej // Research in Agricultural Engineering, 2010. -Vol 56, P. 1-7.

16. Van Lopik, D. W., Development of a multi-body computational model of human head and neck / D. W. Van Lopik, M. Acar // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part K: Journal of Multi-body Dynamic. № 2. -Vol. 221. 2007.-P. 175-197.

17. Chang K.-H. Motion Simulation and Mechanism Design with SolidWorks Motion 2009/ K.-H. Chang. 2010. - 134 p.

18. Кузович, B.M. Динамическая нагруженность специализированных вагонов в криволинейных участках пути: автореф. дис. канд. техн. наук/ В.М. Кузович. М., 2010. - 24 с.

19. Eichberger А., TMPT: multi-body package SIMPACK /А. Eichberger, G. Hofmann // Vehicle System Dynamics: International Journal of Vehicle Mechanics and Mobility, 2007. Vol. 45. - P. 207-216.

20. Gilbert B. VAMPIRE® Opportunities for fast, optimised, railway simulations /В. Gilbert^/ AEA Technology Rail. UK, 2001. -P.l-12.

21. Орлова, A.M. Влияние конструктивных схем и параметров тележек на устойчивость, ходовые качества и нагруженность грузовых вагонов: автореф. дис. д-ра. техн. наук/ A.M. Орлова: СПб., 2009. - 32 с.

22. LS-DYNA, LS-OPT, LS-PrePost Applications & Capabilities сайт разработчика ПО. URL:http://www.ls-dyna.com/default.htm.

23. Азарченков, A.A. Прогнозирование динамической нагруженности пассажирских вагонов при продольных соударениях / A.A. Азарченков, В.В. Коби-щанов, A.A. Юхневский// Тяжелое машиностроение, 2005. №12. - С.25-27.

24. Антипин, Д.Я. Выбор рациональных конструктивных решений и параметров рессорного подвешивания тележек пассажирских вагонов/ Д.Я. Антипин, В.В. Кобищанов// Справочник: инженерный журнал, 2009. -№10.

25. Хусидов, В.В. Динамика пассажирского вагона и пути модернизации тележки КВЗ-ЦНИИ / В.В. Хусидов, A.A. Хохлов, Г.И.Петров, В.Д. Хусидов / Под ред. A.A. Хохлова. М.:МИИТ, 2001.-160 с.

26. Бороненко, Ю.П. Разработка тележек грузовых вагонов с осевой нагрузкой 30 т/ Ю.П. Бороненко, A.M. Орлова // Сб. науч. статей Подвижной состав 21 века: идеи, требования, проекты. СПб.: ПГУПС, 2007. - С. 5-12.

27. Павлюков, А.Э. Прогнозирование нагруженности ходовых частей грузовых вагонов повышенной грузоподъемности методами имитационного моделирования: автореф. дис. д-ра техн. наук / А.Э. Павлюков. — Екатеринбург: УрГУПС, 2002. 48 с.

28. Мямлин, C.B. Улучшение динамических качеств рельсовых экипажей путем усовершенствования характеристик рессорного подвешивания: автореф. дис. д-ра техн. наук / C.B. Мямлин. — Луганск, 2004. 37 с.

29. Зенкевич, О. Метод Конечных элементов в технике/ О. Зенкевич // Пер. с англ. под ред. Б.Е. Победри. М.: Мир, 1975 — 541с.

30. Секулович, М. Метод конечных элементов/ М. Секулович // Пер. с серб. Ю. Н. Зуева; Под ред. В. Ш. Барбакадзе. — М.: Стройиздат, 1993. 664 с.

31. MSC.Software сайт разработчика ПО.

32. URL: http://www.mscsoftware.com/Contents/Products/CAE-Tools/Dytran.aspx.

33. Рыбников, Е.К. Устройства безопасности головных вагонов/ Е.К. Рыбников, А.И. Алферов Электронный ресурс. // Материалы Российской конференции пользователей систем MSC, 2001. — URL: http://www.mscsoftware.ru/docimient/co .pdf.

34. Никольский, E.H. Расчет несущих конструкций по методу конечных элементов/ E.H. Никольский. Брянск: БИТМ, 1982. - 99с.

35. Антипин, Д.Я. Методика оценки усталостной долговечности сварных несущих конструкций вагонов/ Д.Я. Антипин, В.В. Кобищанов// Справочник: инженерный журнал, 2004. №11. — С. 13-18

36. Серпик, И.Н. Оптимизация несущих систем кузовов грузовых вагонов с использованием комплекса математических моделей/ И.Н. Серпик,

37. A.И. Тютюнников// Тяжелое машиностроение, 2007. №8. - С.25-28 .

38. Лозбинев, В.П. О нормах проектирования кузовов грузовых вагонов/

39. B.П. Лозбинев, Д.Г. Бейн, О.Н. Козлова// Железнодорожный транспорт, 2010. -№5. -С.60-61.

40. Лозбинев, Ф.Ю. Оптимальное проектирование несущих конструкций кузовов вагонов/ Ф.Ю. Лозбинев// Тяжелое машиностроение, 2006. -№11. С. 18-22.

41. Котуранов, В.Н. Нагруженность элементов конструкции вагонов/ В.Н. Коту-ранов, В.Д. Хусидов// Учебник для вузов. М.:Транспорт, 1991. - 238 с.

42. Филиппов, В.Н. Результаты работ по повышению надежности цистерн для сжиженных углеводородных газов/ В.Н. Филиппов, А.Е. Скуратов// Транспорт Урала: научно-технический журнал, 2009. №2 (21). - С.42-47.

43. Бороненко, Ю.П. Расчёт узлов вагонов на прочность МКЭ/ Ю.П. Бороненко, A.B. Третьяков, Г.Е. Сорокин// Учебное пособие и руководство к использованию учебным пакетом программ. JL: ЛИИЖТ, 1991. - 39 с.

44. Битюцкий, А. А. Разработка комплексного метода проектирования, расчета и испытания грузовых вагонов: автореф. дис. д-ра техн. наук/ A.A. Битюцкий. СПб.: ПГУПС, 1995. - 40 с.

45. Лапшин, В.Ф. Прогнозирование прочности и долговечности вагонов для перевозки коррозионно-активных грузов: дис. докт. техн. наук /В.Ф. Лапшин. Екатеринбург: УрГУПС, 2003. - 413 с.

46. Смольянинов, A.B. Нагруженность и методы расчета защиты при аварийных ситуациях котлов цистерны для опасных грузов: автореф. дис. д-ра техн. наук / А. В. Смольянинов. М., 1991. — 42 с.

47. Ивашова, Т.В. Напряженно-деформированное состояние котлов цистерн с учетом воздействия коррозионно-активных грузов: автор, дис. канд. техн. наук/ Т.В. Ивашова. Екатеринбург: УрГУПС, 2003. - 22 с.

48. Bubnov, V.M. Construction design and decision analysis of tank car/ V.M. Bubnov, S.V. Myamlin,A.A. Nikitchenko, D.T. Lavrenko// Proceedings of the 11th mini conf. on vehicle system dynamics, identification and anomalies. -Budapest, 2008. p. 301-308.

49. Zobory, I. Longitudinal dynamics of train collision crash analysis / H.G. Reimerdes, E. Békefi, J. Marsolek, I. Németh// Proceedings of 7th Mini Conf. on Vehicle System Dynamics, Identification and Anomalies. - Budapest, 2000.-P. 89-110.

50. Рабинович, Б.А. Безопасность человека при ускорениях. Биомеханический анализ/ Б.А. Рабинович. М., 2007. - 208 с.

51. Булычев, М.А. Моделирование системы пассажир-вагон в критических ситуациях / М.А. Булычев // Матер. "Ежегодной XVIII Международной Интернет-конференции молодых ученых и студентов по современным проблемам машиноведения" (МИКМУС), 2006. С.11.

52. Kirkpatrick, S.W. Evaluation of Passenger Rail Vehicle Crashworthiness/ S.W. Kirkpatrick, M. Schroeder, J. W. Simons // International Journal of Crash-worthiness, 2001.-Vol. 6. №. l.-P. 95-106.

53. ГОСТ P 53076-2008 (EH 12663:2000) Рельсовый транспорт. Требования к прочности кузовов железнодорожного подвижного состава Текст. Введ. 2009 - 07 - 01. - М.: Стандартинформ, 2009. - IV,8 с.

54. РД 24.050.37-95 Вагоны грузовые и пассажирские. Методы испытаний на прочность и ходовые качества. М.: ГосНИИВ, 1995. - 102 с.

55. Вершинский, С.В. Продольная динамика вагонов в грузовых поездах/ С.В. Вершинский// Труды ВНИИЖТ. Вып. 143. — М.: Трансжелдориздат, 1957.-262 с.

56. Вершинский, С.В. Динамика вагона/ С.В. Вершинский, В.Н.Данилов, В.Д. Хусидов// Учебник для вызов ж.-д. тр-та./Под ред. С.В. Вершинского. -3-е изд. перераб. и доп. М.: Транспорт, 1991. — 360 с.

57. Вершинский, С.В. Усилия и ускорения, возникающие при соударениях вагонов /С.В. Вершинский, А.В. Федосеев // Научн. тр. ЦНИИ МПС. — Вып. 105,1955.-С. 93-99.

58. Расчет вагонов на прочность / Вершинский С.В. и др. изд. 2-е. под ред. JI.A. Шадура. М.: Машиностроение, 1971. - 432 с.

59. Костина, Н.А. Уточнение характеристик нагруженности вагона продольными силами через автосцепку/ Н.А. Костина// Вестник ВНИИЖТ. №4, 1981. — С.36-39.

60. Солодков, С.П. Динамико-прочностные испытания алюминиевого кузова моторного вагона скоростного электропоезда ЭР-200/ С.П. Солодков // Вестник ВНИИЖТ, 1978. №6. - С. 36-39.

61. Солодков, С.П. Защита кабины машиниста и оборудование локомотива от разрушений при соударениях/ С.П. Солодков // Бюллетень технико-экономической информации. ЦНИИТЭИ МПС, 1970. - № 6. - С. 32-34.

62. Солодков, С.П. Определение сил действующих на шкворневые узлы локомотивов при соударениях / С.П. Солодков. НИИИНФОРМТЯЖМАШ, ТМ, 5-71-4. - М., 1971. - С. 28-30.

63. Солодков, С.П. Прочность буферных брусьев, шкворневых балок и боковин главной рамы кузова локомотива при продольном ударе/ С.П. Солодков// Тез. докл. первой респуб. конфер. молодых ученых железнодорожников. — Днепропетровск: ДИИТ, 1969. С.296-298.

64. Солодков, С.П. Расчет элементов рам кузовов локомотивов на ударную нагрузку/ С.П. Солодков. НИИИНФОРМТЯЖМАШ, ТМ, 5-74-10. - М., 1974. -С.10-13.

65. Солодков, С.П., Исследование при ударе в автосцепку нагруженности кузовов вагонов, изготовленных из стали и алюминиевых сплавов/ С.П. Солодков, В.М. Кондрашев // Воросы динамики и прочности тяг. подв. состава. -ВНИИЖТ.-М, 1996. -С.31-48.

66. Кобищанов, В.В. Методика расчета продольных соударений пассажирских вагонов/ В.В. Кобищанов, A.A. Азарченков, Д.Ю. Расин // Вест. Восточ-ноукр. нац. ун-та. им. В. Даля. Луганск, 2004. - №7. - С. 95-99.

67. Иванов, A.B. Исследование по выбору рациональных параметров конструкции вагонов электропоезда при восприятии аварийных ударных нагрузок / A.B. Иванов // Научн. тр. ВНИИВ. Вып. 11, 1970. - С.43-64.

68. Иванов, A.B. К вопросу защиты железнодорожных экипажей от разрушения при действии аварийных продольных нагрузок / A.B. Иванов // Межвуз. сб. научн. трудов. Вып. 195/24. - Днепропетровск, 1978. - С.21-24.

69. Иванов, A.B. Применение антиаварийных амортизирующих устройств в электропоездах/ A.B. Иванов, С.П. Солодков // Вестник ВНИИЖТ. М., 1976. -№1.-С.31-35.

70. Иванов, A.B. Совершенствование кузовов электровагонов/ A.B. Иванов, С.П. Солодков, Л.А. Манашкин. М.: НИИИНФОРтяжмаш,1978. ТМ, - сер. 5. -Вып. 19,1978.-С.20-23.

71. Rasin, D.U. Longitudinal collision modeling of cars in a train set/ D.U. Rasin, A.A. Azarchenkov, Y.V. Kobishanov // Proceedings of 7-th European conference of young research and science workers. Zilina (Slovak republic). - P. 17-20.

72. Кеглин, Б.Г. Основные направления совершенствования амортизаторов удара подвижного состава железных дорог/ Б.Г. Кеглин, А.П. Болдырев // Справочник: Инженерный журнал. М., 2004. - №11. - С.5-8.

73. Костенко, H.A. Прогнозирование надежности транспортных машин/ H.A. Костенко. М.: Машиностроение, 1989. - 240 с.

74. Костенко, H.A. О характере нагружения деталей вагонов продольными силами/ H.A. Костенко, Т.А. Миронова, C.JI Мишаков // Вестник ВНИИЖТ. М., 1986. - №7. - С.43-44.

75. Костенко, H.A. Статистические распределения продольных сил, действующих на подвижной состав через автосцепки и методы их определения/ H.A. Костенко, JI.H. Никольский // Труды БИТМ. Брянск, 1971. - Вып.24. - С.69-83.

76. Никольский, JI.H. Исследование напряженного состояния вагона при ударных нагрузках/ JT.H. Никольский// Техника железных дорог, 1946. -№8-9.-С.19-22.

77. Никольский, JI.H. О силах удара вагонов и поглощающих свойствах фрикционных аппаратов автосцепки/ JI.H. Никольский // Науч. труды БИТМ. -Вып. 11.- Брянск, 1949. С.54-64.

78. Никольский, JI.H. Об ударных нагрузках, воспринимаемых вагонами на сортировочных горках/ JI.H. Никольский, H.A. Костенко H.A. // Вестник ВНИИЖТ. М., 1967. - №1 - С.31-34.

79. Никольский, JI.H. Особенности изменения сил и напряжений в конструкции вагона при ударах в автосцепку /JI.H. Никольский, М.А. Озеров, В.Г. Ду-денков // Вестник ВНИИЖТ. №1. - М.,1962. - С.3-7.

80. Расин, Д.Ю. Профилактика аварийных соударений/ Д.Ю. Расин //Мир транспорта. М, 2008. - С. 64-67.

81. Селинов, В.И. Конструкция вагонов. Содержание, объем и оформление курсовой работы «Ударно-тяговые устройства»/ В.И. Селинов // Методические указания. Брянск: БГТУ, 1997. — 12с.

82. Беспалько, C.B. Метод оценки условий пробоя котла цистерны при аварийной ситуации/ C.B. беспалько, H.A. Корниенко, Г.Ф. Чугунов // Вестник ВНИИЖТ. -№2. -М., 2001. С.31-36.

83. Корниенко, H.A. К вопросу о моделировании маневрового соударения вагонов / H.A. Корниенко, Г.Ф. Чугунов, C.B. Беспалько // Вестник ВНИИЖТ. -№4.-М., 2000.-С.27-31.

84. Панькин, H.A. Распределение продольных сил и ускорений в поезде при нелинейных упрго-вязких связях/ П.Т. Гребенюк, В.Я. Паршин, А.И. Тимо-щук А.И. // Вестник ВНИИЖТ. М., 1975. - №2. - С.21-24.

85. Пузанков, А.Д. Исследование напряженного состояния рамы макета кузова при ударе: дис. канд. техн. наук/ А.Д. Пузанков-М.: МИИТ, 1971.

86. Пузанков, А.Д. Исследование характера распределения напряжений по элементам конструкции самоходных экипажей, вызванных ударом по автосцепке/ А.Д. Пузанков// Науч. тр. МИИТ. Вып. 329. - М., 1970. - С.66-87.

87. Самсонов, Г.П. Эффективность систем аварийной амортизации скоростных поездов / Г.П. Самсонов, Ю.П. Бороненко, A.M. Орлова // Тез. докл. на научно-техн. конф. «Подвижной состав 21 века (идеи, требования, проекты)».- Санкт-Петербург, 1999. С.74.

88. Устич, П.А. Надежность рельсового нетягового подвижного состава/ П.А. Устич, В.А. Карпычев, М,Н. Овечников.// Учебник для вузов. М.: ИГ «Вариант», 1999.-416 с.

89. Филиппов, В.Н. Исследование поведения вагонов при аварийном соударении / В.Н. Филиппов, Е.А. Радзиховский // Вестник. ВНИИЖТ. №3. -М., 1994.-С.9-12.

90. Блохин, Е.П. Динамика поезда / Е.П.Блохин, JI.A. Манашкин. М.: Транспорт, 1982.-222 с.

91. Блохин, Е.П. Метод оценки динамических напряжений в конструкции вагона, возникающих при ударах через автосцепки/ Е.П. Блохин, A.B. Юрченко, Н.П. Янгулов //Труды ДИИТ. Днепропетровск, 1980. - Вып. 210/27. - С.3-13.

92. Лазарян, В.А. Динамика транспортных средств. Избранные труды/ В.А. Лазарян. Киев: Наукова думка, 1985. - 528 с.

93. Лазарян, В.А. О динамических усилиях, возникающих в упряжных приборах при трогании с места растянутых грузовых поездов / В.А. Лазарян //Труды ДИИТа. -Вып. XXV, 1956. С. 124-151.

94. Оганьян, Э.С. Критерии несущей способности конструкций локомотивов в экстремальных условиях нагружения: дис. д-ра. техн. наук / Э.С. Оганьян.- М.: МИИТ, 2004. С.389.

95. Светлов, В.И. Технические решения по механике пассажирских вагонов. Методы обоснования/ В.И. Светлов. М.: Глобус, 2002. - 200 с.

96. Анализ НДС двухслойной обшивки кузова пассажирского вагона модели 61-4170 в зоне стыка гофров. Науч: рук. Кобищанов В.В.: Отчет о НИР (заключительный). Брянск: БГТУ, 1997. - 24 с.

97. Антипин, Д.Я. Прогнозирование усталостной долговечности и живучести сварных несущих конструкций пассажирских вагонов с учетом их нагруженно-сти при движении: дис. канд. техн. наук/ Д.Я. Антипин. Брянск. 2004. - 165 с.

98. Рычков, С.П. MSC.visualNastran для Windows/С.П. Рычков. М: НТ Пресс, 2004.-212 с.

99. Высоцкий, A.M. Несущая способность межоконного простенка кузова пассажирского вагона с двухслойной обшивкой/ А.М.Высоцкий, В.В. Кобищанов, А.А. Милакова, И.Н. Серпик, А.А. Юхневский// Механика вагонов. -Брянск: БГТУ, 1998. С.70-82.

100. Отчет о научно-исследовательской работе по теме 00.00.1.041/1. «Исследование прочности измененной конструкции кузова вагона модели 61-4170 при статическом приложении нагрузок». Тверь: ТИВ, 2000. - 102 с.

101. Tyrell, D. Train-to-Train Impact Test: Analysis of Structural Measurements/, D. Tyrell, K. Severson, A.B. Perlman, R. Rancatore // American Society of Mechanical Engineers, Paper No. IMECE2002-33247. November 2002. - P. 109-115.

102. Wolter, W. Impact of SAFETRAIN results on new European standard of crashworthiness of rail vehicles/ W. Wolter // Proceedings of the 3rd International Symposium on Passive safety of rail vehicles. Berlin. - 21-22 March 2002.

103. Sajdak, J. Modeling longitudinal damage in ship collisions / J. Sajdak,

104. A.J. Brown//Report SSC-437/SR-1426, Ship Structure Committee, 2004. P. 29-30.

105. Anti-climbing mechanism: 49CFR238.205 (Passenger equipment safety standards). USA.

106. Коломийченко, B.B. Автосцепное устройство подвижного состава/

107. B.В. Коломийченко, Н.А. Костина, В.Д. Прохоренков, В.И. Беляев. М.: Транспорт, 1991. - 232 с.