автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Обоснование конструктивных решений системы пассивной безопасности пассажирских вагонов

На правах рукописи

ШОРОХОВ Сергей Геннадьевич

ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКТИВНЫХ РЕШЕНИЙ СИСТЕМЫ ПАССИВНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПАССАЖИРСКИХ ВАГОНОВ

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

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

6 НОЯ 2014

Брянск 2014

005554404

Работа выполнена на кафедре «Подвижной состав железных дорог» федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Брянский государственный технический университет» (ФГБОУ ВПО «БГТУ»)

Научный руководитель кандидат технических наук, доцент

Антипин Дмитрий Яковлевич

Официальные оппоненты: Филиппов Виктор Николаевич,

доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Вагоны и вагонное хозяйство» ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет путей сообщения» (ФГБОУ ВПО «МГУПС»)

Гуров Александр Михайлович,

кандидат технических наук, технический директор ООО «Научно-производственное предприятие Дипром» (ООО «НПП Дипром»)

Ведущая организация Закрытое акционерное общество научная органи-

зация «Тверской институт вагоностроения» (ЗАО НО «ТИВ»)

Защита состоится «16» декабря 2014 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.021.04 на базе ФГБОУ ВПО «Брянский государственный технический университет» по адресу: 241035, г. Брянск, ул. Харьковская, д. 10-Б, учебный корпус №4, ауд. Б101.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «БГТУ» и на сайте wwvv.tu-bryansk.ru.

Автореферат разослан «28» октября 2014 г.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью организации, просим направлять в адрес диссертационного совета: 241035, г. Брянск, бул. 50 лет Октября, д. 7.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент

9

.Л. Эманов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Современный этап развития железнодорожного транспорта России характеризуется увеличением скоростей движения пассажирских поездов при неизменном состоянии инфраструктуры железных дорог, что приводит к повышению рисков для жизни и здоровья пассажиров при возникновении аварийных ситуаций. Наиболее опасными авариями являются продольные столкновения пассажирских поездов с препятствиями на пути, которые отражают 99,2% зарегистрированных случаев аварийных столкновений на железных дорогах России.

Принятие Стратегии развития железнодорожного транспорта до 2030 г., предусматривающей производство и ввод в эксплуатацию скоростного и высокоскоростного подвижного состава, делает проблему обеспечения безопасности железнодорожных пассажирских перевозок все более актуальной. В связи с этим задача повышения безопасности пассажирских вагонов при продольных соударениях является приоритетным направлением развития железнодорожного подвижного состава нового поколения.

Наиболее эффективным способом повышения безопасности железнодорожных перевозок является разработка и внедрение систем пассивной безопасности пассажирских вагонов, основанных на применении специальных разрушаемых элементов, поглощающих энергию соударения поезда с препятствием. Таким образом, задачи разработки методики выбора параметров систем пассивной безопасности пассажирских вагонов и их обоснование являются актуальными.

Целью работы является разработка конструктивных решений повышения пассивной безопасности кузовов пассажирских вагонов при столкновениях поездов с препятствиями.

Для достижения указанной цели поставлены и решены следующие задачи.

1. Разработана методика определения параметров устройств пассивной безопасности пассажирских вагонов.

2. Предложена схема размещения устройств пассивной безопасности на кузове отечественного пассажирского вагона.

3. Разработана и верифицирована конечно-элементная расчетная схема несущей конструкции кузова пассажирского вагона.

4. Разработаны и верифицированы компьютерные модели соударения пассажирских поездов с препятствиями.

5. Проведена оценка динамической нагруженности кузова пассажирского вагона при продольном соударении поезда с препятствием.

6. Проведен выбор параметров и разработана конструкция устройства пассивной безопасности пассажирского вагона.

7. Разработана и верифицирована компьютерная модель антропометрического манекена.

8. Проведена оценка травмирования пассажиров вагонов при столкновении поезда с препятствием.

9. Оценена эффективность предлагаемых конструктивных решений повышения пассивной безопасности кузовов отечественных пассажирских вагонов.

Объектом исследования принят пассажирский вагон нового поколения модели 61-4440 производства ОАО «Тверской вагоностроительный завод» с кузовом из нержавеющих сталей и двухслойной обшивкой боковых стен.

Методология и методы исследования. В теоретических исследованиях по определению динамической нагруженности конструкций вагонов при соударении использованы методы твердотельного компьютерного моделирования. Для анализа прочности несущей конструкции кузова пассажирского вагона при действии статических и динамических аварийных нагрузок использован программный комплекс, реализующий метод конечных элементов.

Научная новизна исследований заключается в следующем:

1. Разработана методика определения параметров устройств пассивной безопасности пассажирских вагонов.

2. Разработана конечно-элементная схема несущей конструкции кузова пассажирского вагона.

3. Предложена оригинальная схема установки автосцепного оборудования в раме пассажирского вагона.

4. Сформированы компьютерные модели соударения пассажирских поездов с препятствиями.

5. Спроектирована конструкция устройства поглощения энергии удара.

6. Создана компьютерная модель соударения пассажирского состава с препятствием, позволяющая оценивать степень травмирования пассажиров.

7. Оценено влияние положения тела пассажира в момент столкновения на степень его травмирования.

Теоретическая и практическая значимость работы.

1. Методика определения параметров устройств безопасности пассажирских вагонов может быть применена для разработки конструкторских решений, повышающих пассивную безопасность транспортных средств при продольных соударениях.

2. Предложенная схема установки автосцепного оборудования пассажирского вагона позволяет повысить эффективность работы устройств поглощения энергии удара, расположенных на кузове вагона.

3. Разработанная конструкция устройства поглощения энергии может быть использована в конструкции кузовов отечественных пассажирских вагонов нового поколения.

4. Созданная компьютерная модель соударения пассажирского поезда с препятствием позволяет оценить степень травмирования пассажиров, в том числе с учетом влияния положения тела в момент соударения.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Методика определения параметров устройств пассивной безопасности пассажирских вагонов.

2. Методика оценки уровней травмирования пассажиров при продольных столкновениях пассажирских поездов с препятствиями.

3. Результаты теоретических исследований по обоснованию конструктивных решений системы пассивной безопасности отечественного пассажирского вагона.

Обоснованность и достоверность результатов работы подтверждается удовлетворительной сходимостью результатов расчетов с данными натурных статических, динамических и поездных испытаний, проведенных ЗАО НО «Тверской институт вагоностроения», а также динамических испытаний антропометрических манекенов, выполненных Федеральной администрацией железных дорог США.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на 16 научно-технических и научно-практических конференциях: «Научному прогрессу - творчество молодых» (МарГТУ, 2011, 2012 гг.), «Обеспечение безопасности жизнедеятельности: проблемы и перспективы» (КИИ МЧС Республики Беларусь, 2011 г.), «Энергетика, информатика, иннова-ции-2011» (МЭИ, 2011 г.), «Будущее машиностроения России» (МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011, 2013, 2014 гг.), «Безопасность движения поездов» (МГУПС, 2012 г.), «Новые материалы, оборудование и технологии в промышленности» (БРУ, 2011 г.), «Достижения молодых ученых в развитии инновационных процессов в экономике, науке, образовании» (БГТУ, 2012, 2013 гг.), 55-й научной конференции МФТИ (2012 г.), «Инновационные технологии на железнодорожном транспорте» (УкрГАЖТ, 2013 г.), «Вагоны нового поколения: из XX в XXI век» (УкрГАЖТ, 2013 г.), «Проблемы техносферной безопас-ности-2014» (АГПС МЧС России, 2014 г.), «TRANS-MECH-ART-CHEM» (МГУПС, 2014 г.). Также положения диссертации рассмотрены на научно-технических советах ЗАО «Циркон-Сервис» и ОАО «ВНИИЖГ».

Публикации. Основные положения диссертационной работы и научные результаты опубликованы в 42 печатных работах. Три статьи опубликованы в журналах, входящих в Перечень изданий, рекомендованный ВАК России для публикации научных результатов диссертаций, две из которых в журнале, входящем в международную базу цитирования Scopus.

Личный вклад соискателя. Разработана методика определения параметров устройств безопасности пассажирских вагонов. Выбрана схема размещения энергопоглощающих элементов на кузове отечественного пассажирского вагона. Разработана динамическая конечно-элементная модель несущей конструкции кузова пассажирского вагона. Разработаны компьютерные модели соударения пассажирских поездов с препятствиями. Оценена динамическая нагружен-ность кузова пассажирского вагона при соударении. Выбраны характеристики и разработана конструкция устройства поглощения энергии удара. Разработана компьютерная модель антропометрического манекена. Проведена оценка травмирования пассажиров при продольном столкновении поезда с препятствием с учетом влияния положения тела пассажира в момент столкновения. Оценена эффективность предлагаемых конструкторских решений по повышению пассивной безопасности отечественных пассажирских вагонов.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов, списка литературы, состоящего из 155 наименований. Общий объем диссертации составляет 147 страниц машинописного текста, содержит 104 рисунка и 11 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приводятся обоснование актуальности темы диссертации, цель и задачи исследования, указаны научная новизна, теоретическая и практическая значимость работы, положения, выносимые на защиту, обоснованность и достоверность полученных результатов, апробация работы и личный вклад соискателя.

В первой главе диссертации проведен обзор основных технических решений по обеспечению пассивной безопасности кузовов пассажирских вагонов отечественного и зарубежного производства при столкновениях поездов. Отмечается, что помимо штатных поглощающих аппаратов, амортизирующих ударные нагрузки при малых скоростях соударения, для обеспечения пассивной защиты кузовов пассажирских вагонов широкое применение получили крэш-элементы и крэш-зоны. Наибольшее распространение среди крэш-элементов получили сотовые и трубчатые конструкции.

Обзор исследований в области безопасности пассажирских вагонов при столкновениях выявил основные направления теоретических исследований:

1. Моделирование сценариев аварийных ситуаций с применением твердотельных компьютерных моделей соударения. Исследованиям данной проблемы посвящены работы Погорелова Д.Ю., Антипина Д.Я. - БГТУ, Петрова Г.И., Хусидова В.В., Хохлова A.A. - МИИТ, Орловой A.M., Бороненко Ю.П. -ПГУПС, Павлюкова А.Э., Бачурина Н.С - УРГУПС, Мямлина C.B. - ДИИТ.

2. Оценка динамической нагруженности вагонов в аварийной ситуации методом конечных элементов, позволяющим учесть особенности несущей конструкции вагона с учетом нелинейных свойств материала и возможности его пластического деформирования. Основы использования МКЭ в решении задач оценки прочности несущей конструкции вагонов заложены E.H. Никольским и развиты учениками его школы: Кобищановым В.В., Антипиным Д.Я., Серпиком И.Н., Лозбиневым В.П., Лозбиневым Ф.Ю. Исследованиями в области оценки прочности с использованием МКЭ занимались в МИИТе - Котуранов В.Н., Филиппов В.Н., Овечников М.Н. и др., в ПГУПСе - Бороненко Ю.П., Третьяков A.B., Битюцкий А. А. и др., в УрГУПСе - Лапшин В.Ф., Смольяни-нов A.B., Ивашова Т.В. и др., в ДИИТе - Бубнов В.М., Мямлин C.B. и др., за рубежом - Zobory I. (Венгрия) и пр. Проблемами динамической нагруженности занимались Антипин Д.Я. -БГТУ, Бирюков И.В., Кузович В.М. - МИИТ.

Исследования динамической нагруженности кузовов пассажирских вагонов при продольных соударениях проводились во ВНИИЖТе Вершинским C.B., Солодковым С. П. и др., во ВНИИВе - Ивановым A.B., в БГТУ - Кобищановым В.В., Азарченковым A.A., Расиным Д.Ю. Влияние различных типов поглощающих аппаратов на напряженно-деформированное состояние несущих конструкций железнодорожных экипажей изучалось в БИТМе Никольским Л.Н., Кеглиным Б.Г., Костенко H.A., Селиновым В.И и др. Выполнялись теоретические исследования и эксперименты на моделях в МИИТе и СПГУПС Панькиным H.A., Исаевым И.П., Пузанковьм А.Д., Хусидовым В.Д., Котурановым В.Н., Устичем П.А., Савоськи-ным А.Н., Беспалько C.B., Битюцким A.A. и др., в ДИИТе - Лазаряном В.А., Бло-хиным Е.П., Манашкиным Л.А., Стамблером Е.Л., во ВНИКТИ - Оганьяном Э.С.

3. Моделирование поведения человека при столкновении поезда с препятствием. Для этого разрабатываются детализированные компьютерные модели тела человека с учетом его антропометрических особенностей. Проблемами обеспечения безопасности пассажиров в аварийных ситуациях на железнодорожном транспорте занимались Булычев М.А., Бобров М.В. - БГТУ, Беляев В.И., Черкашин Ю.М., Ступил Д.Л., Кочнов А.Д., Койчев Ю.Н. - ВНИИЖТ, Юхнев-ский A.A., Полестеров A.A., Мейстер А.О. - ТИВ.

Исследованиям в области пассивной безопасности пассажирских вагонов посвящены работы Богомаз Г.И., Науменко Н.Е., Горобец Д.В., Клык Ю.А., Соболевской М.Б., Хрущ И.К., Кельриха М.Б. и др. - ИТМ НАНУ и НКАУ. Разработкой систем пассивной безопасности электровозов и электропоездов занимались Ушкалов В.Ф., Теличко И.Б., Соболевская М.Б., Сирота С.А., Науменко Н.Е., Хижа И.Ю. -ИТМ НАНУ и НКАУ, Рыбников Е.К., Алфёров А.И., Журавлев Н.М. - МИИТ.

На основе анализа состояния вопроса и проводимых исследований сформулированы цель и задачи исследования, допущения, принятые в работе.

Вторая глава посвящена разработке методики определения параметров устройств поглощения энергии удара пассажирских вагонов и разработке компьютерных моделей соударения пассажирских поездов с препятствиями.

Разработанная методика определения параметров устройств поглощения энергии (УПЭ) пассажирских вагонов предусматривает пять этапов.

На первом этапе проводится оценка динамической нагруженности кузова вагона при столкновении поезда с препятствием в твердотельной постановке. Для этого разрабатываются компьютерные модели соударения поездов с препятствиями. По результатам моделирования определяются максимальные сжимающие силы и ускорения, действующие на вагон при столкновении.

На втором этапе проводится выбор схемы расположения УПЭ на кузове вагона, для чего рассматривается движение сцепа вагонов в условиях эксплуатации.

Третий этап методики предусматривает расчет требуемой суммарной энергоемкости всех УПЭ, расположенных на вагоне, обеспечивающей безопасность пассажиров при регламентируемых сценариях аварийной ситуации.

Четвертый этап методики - разработка конструкции УПЭ исходя из величин действующих ударных нагрузок, рабочего хода, требуемой энергоемкости и недопущения пластических деформаций кузова вагона при столкновении.

На пятом этапе выполняется анализ эффективности предложенной конструкции УПЭ путем моделирования аварийной ситуации. Компьютерные модели вагонов дополняются элементами, моделирующими работу УПЭ. Эффективность системы безопасности определяется по снижению уровней динамической нагруженности кузова вагона и возможного травмирования пассажиров при столкновении.

Для оценки напряженно-деформированного состояния кузова вагона разработана его детализированная пластинчатая конечно-элементная модель, в которой элементы несущей системы представлены пластинчатыми конечными элементами с изотропной и ортотропной моделями материала. Верификация конечно-элементной расчетной схемы выполнена путем сопоставления результатов натурных стендовых испытаний с результатами, полученными расчетным путем. По результатам сопоставления получено, что напряжения в соответ-

ствующих точках сечения кузова качественно и количественно близки, что свидетельствует об адекватности разработанной модели.

Предварительная оценка параметров УПЭ проводится в соответствии со сценариями столкновений, регламентируемыми ГОСТ 32410-2013. Выделяют два сценария: сценарий 1 - столкновение на железнодорожном переезде с автомобилем; сценарий 2 - столкновение с грузовым вагоном (рисунок 1). а У=72 км/ч исследуемый вагон

Ют

ТтгТ

ТТГ-> ТтгТ

пп пгт

У=3б км/ч

80 т

ИТТ

а

^исследуемыи вагон

ж:

41) 1П1 \п<

Рисунок 1 - Схемы столкновения пассажирского поезда с препятствием в виде: а - автомобиля; б - грузового вагона

Для предварительной оценки параметров УПЭ разработаны три варианта компьютерной модели соударения пассажирского поезда с препятствием:

- 1 вариант - упрощенная твердотельная компьютерная модель;

- 2 вариант - уточненная твердотельная компьютерная модель;

- 3 вариант - гибридная компьютерная модель.

В упрощенной твердотельной модели пассажирский поезд представляется совокупностью систем связанных твердых тел, соединенных посредством силовых контактных элементов и шарниров. Компьютерная модель вагона состоит из модели кузова, соединенного с двумя моделями тележек. Моделирование взаимодействия вагонов поезда между собой осуществляется включением в расчетную схему вагона компьютерной модели автосцепного устройства, представляющего собой систему твердых тел, взаимодействующих с помощью вращательных шарниров и контактных элементов. Компьютерная модель локомотива аналогична модели вагона. Отличительной особенностью является создание тягового усилия за счет введения на каждую колесную пару вращающего момента.

Второй вариант компьютерной модели соударения характеризуется детальной проработкой моделей тележек пассажирских вагонов, учитывающих силы взаимодействия кузова вагона с тележками, элементов тележек между собой и рельсовым путем. В компьютерную модель поезда включена модель магистрального пассажирского электровоза ЧС-7.

Третий вариант расчетной схемы соударения представляет собой гибридную компьютерную модель, в которой кузов первого пассажирского вагона представлен упругой конечно-элементной моделью, связанной силовыми элементами и шарнирами с твердотельными моделями тележек и автосцепных устройств.

В упрощенной твердотельной модели соударения компьютерные расчетные схемы препятствий представляют собой абсолютно твердые тела, обладающие одной поступательной степенью свободы в направлении оси движения поезда. В уточненной твердотельной и гибридной компьютерных моделях соударения в качестве препятствий использованы твердотельные модели грузового автомобиля массой Юти грузового вагона массой 80 т.

Верификация разработанных компьютерных моделей пассажирских вагонов выполнена путем сопоставления данных натурных ходовых испытаний и испытаний на соударение с результатами расчетов. Анализ результатов показал, что удовлетворительное соответствие данных моделирования результатам экспериментов показывают уточненная твердотельная и гибридная модели вагона.

Обоснование выбора компьютерной модели соударения для проведения многовариантных расчетов выполнено путем анализа результатов моделирования расчетных сценариев столкновения. При численных экспериментах с использованием разработанных моделей соударения получены графики распределения максимальных сжимающих усилий и ускорений по длине поезда в рамках рассматриваемых сценариев. В качестве примера на рисунках 2 и 3 показаны результаты моделирования столкновения пассажирского поезда с грузовым вагоном.

—упрощенная твердотельная м - уточненная твердотельная модель — • - гибридная модель

^предельное значение силы

-упрощенная твердотельная модель

--уточненная твердотельная модель

— ■ - гибридная модель_

Рисунок 2 - Распределение максимальных сжимающих усилий по длине поезда при столкновении с грузовым вагоном

Рисунок 3 — Распределение ускорений по длине поезда при столкновении с грузовым вагоном

При столкновении поезда с автомобилем в элементах несущей конструкции локомотива могут возникать пластические деформации. При этом на вагоны воздействуют усилия, не приводящие к их пластическому деформированию. При столкновении поезда с грузовым вагоном пластические деформации могут наблюдаться в несущих конструкциях локомотива и первых трех вагонов.

При столкновении пассажирского поезда с автомобилем наибольшие ускорения воздействуют на локомотив, но не превышают допустимый уровень При столкновении с грузовым вагоном величина ускорений, действующих на первые два вагона, превышает критическое значение, при которых увеличивается риск травмирования пассажиров внутри поезда.

В результате оценки результатов моделирования для дальнейших исследований выбрана уточненная твердотельная компьютерная модель соударения.

В третьей главе проводится выбор характеристик УПЭ на основе комплекса расчетов и численных экспериментов и разработка конструкции УПЭ.

Оценка возможности расположения УПЭ на торцевых стенах вагонов проведена путем анализа сближения вагонов при соударении на прямом участке пути. Результаты показывают, что эффективный ход УПЭ не превышает 65 мм. Для определения рациональных мест установки УПЭ на торцевых стенах рассматривалось движение сцепа из двух вагонов исследуемой модели по минимально допустимой кривой радиусом 120 м. При этом оценивалось два варианта расположения УПЭ: над переходной площадкой и по сторонам от нее. При расположе-

нии УПЭ по сторонам от переходной площадки максимальный ход элементов не превышает 40 мм, а их расположение над переходной площадкой позволяет получить ход более 200 мм. Однако применение энергопоглощающих элементов на торцевых стенах вагонов требует усиления их несущей конструкции.

Для обеспечения свободного перемещения кузовов вагонов навстречу друг другу при столкновении, что позволит задействовать механизм поглощения энергии устройствами пассивной безопасности, разработана оригинальная конструктивная схема установки автосцепного оборудования. Ее особенность заключается в возможности перемещения автосцепки внутрь рамы вагона. Автосцепное устройство выполняется в едином блоке, который крепится к раме вагона посредством болтового соединения. Смещение блока автосцепного оборудования обеспечивается за счет среза болтов при воздействии сверхнормативных нагрузок. Беспрепятственное перемещение блока внутрь рамы осуществляется уширением хребтовой балки в концевой части по размеру ударной розетки. В связи с ослаблением зоны передачи продольных усилий концевая балка рамы выполняется усиленной.

Для поглощения энергии соударения предлагается включить в конструкцию рамы вагона УПЭ, расположенный за блоком автосцепного устройства.

Расчет требуемой энергоемкости УПЭ, установленных на вагоне, показал, что суммарная энергоемкость системы безопасности должна составлять не менее 268 кДж при суммарной энергоемкости разрушаемых УПЭ не менее 188 кДж.

На основе расчета конечно-элементной модели кузова вагона в динамической постановке определено значение максимальных ударных усилий, не приводящие к пластическому деформированию кузова в зоне установки УПЭ, которое составляет 2,9 МН.

При разработке УПЭ рассмотрены трубчатое и сотовое исполнения конструкции. На основе разработанных твердотельных моделей сформированы детализированные пластинчатые конечно-элементные расчетные схемы, учитывающие пластические свойства материала при деформации. Помимо учета физической нелинейности при моделировании деформирования элементов в результате ударного воздействия учтена геометрическая нелинейность.

Для оценки эффективности энергопоглощения вариантов УПЭ проведено конечно-элементное моделирование напряженно-деформированного состояния разработанных конструкций при ударе телом массой 80 т со скоростью 36 км/ч. В качестве примера результатов моделирования на рисунке 4 представлены диаграммы энергоемкости. Результаты показали, что наиболее рациональной является трубчатая конструкция УПЭ, при пластическом деформировании которой может быть поглощена кинетическая энергия порядка 175 кДж.

Для выбора конструкции разрабатываемого УПЭ и определения его рациональных параметров проведено численное моделирование деформирования УПЭ трубчатой конструкции с толщиной трубок в диапазоне от нуля до 1,5 мм. В результате численных экспериментов получены графики зависимости усилия и деформации от толщины трубок УПЭ. Комплекс проведенных расчетов позволил определить рациональные параметры УПЭ: фактическая энергоемкость -

100 кДж, толщина трубок • принята сталь 08.

0,8 мм, масса - 87,3 кг. В качестве материала УПЭ

В результате проведенных исследований разработана трехступенчатая система пассивной безопасности отечественных пассажирских вагонов: первая ступень системы включает упругие элементы поглощающего аппарата автосцепного устройства; вторая ступень - разрушаемые крепления блока автосцепного оборудования к раме вагона; третья ступень - разрушаемые УПЭ, расположенные в раме вагона за блоком автосцепного устройства. Оснащение пассажирского вагона предложенными УПЭ позволит обеспечить суммарную энергоемкость системы пассивной безопасности 280 кДж, что превышает потребную величину.

Оценка влияния разработанных УПЭ на динамическую нагруженность кузова пассажирского вагона при столкновении поезда с препятствием проведена путем математического моделирования аварийной ситуации. Для этого в разработанную компьютерную модель соударения внесены изменения, учитывающие работу УПЭ. Результаты моделирования представлены в таблице.

Рисунок 4 - Диаграммы энергоемкости УПЭ

Сценарий Параметр Порядковый номер экипажа с головы поезда

1 2 3 4 5

Столкновение с автомобилем Максимальные сжимающие усилия, МН 4,43 1,03 0,74 0,43 0,27

Ускорения, g 2,89 1,21 0,69 0,41 0,25

Столкновение с грузовым вагоном Максимальные сжимающие усилия, МН 5,12 2,36 2,09 1,82 1.37

Ускорения, ¡> 3,47 3,07 2,42 1,96 1,73

Применение УПЭ в конструкции кузовов пассажирских вагонов приводит к снижению максимальных сжимающих усилий, действующих на несущие конструкции вагонов, до значений, не приводящих к пластическому деформированию кузовов. При этом снижение ускорений уменьшает риск травмирования пассажиров элементами интерьера пассажирского салона.

Четвертая глава посвящена оценке эффективности конструктивных решений по повышению пассивной безопасности пассажирских вагонов.

Для оценки травмирования пассажиров в исследуемых аварийных ситуациях сформирована твердотельная компьютерная модель антропометрического манекена. При моделировании манекен разделялся на элементы (голова, шея, плечо, бедро и т.д.), которые соединялись в единую модель посредством шарниров. Все элементы манекена представлены абсолютно твердыми телами с реальными весовыми и геометрическими характеристиками. Моделирование соединений, имитирующих суставы человека, осуществлялось с использованием шарниров с заданными упруго-диссипативными характеристиками.

Методика оценки уровня травмирования пассажиров основана на расчете критериев: черепно-мозговой травмы, травмирования шеи, грудной клетки и бедра. Для каждого критерия на основе анализа последствий аварий установлены нормированные значения.

Верификация разработанной модели антропометрического манекена выполнена путем сопоставления результатов натурных испытаний с результатами расчетов. Для этого проводилось моделирование условий испытаний, в результате которого рассчитаны критерии травмирования. Сопоставление полученных результатов подтвердило адекватность модели.

Для оценки уровней возможного травмирования пассажиров в рамках принятых сценариев столкновения компьютерная модель исследуемого вагона дополнена моделями пассажирских купе. В сформированную модель вагона включена модель антропометрического манекена. Положение манекена - сидячее на диване по ходу движения поезда. При моделировании столкновения получены графики динамических усилий, воздействующих на элементы манекена. В качестве примера на рисунке 5 показан график ускорений головы манекена во времени при столкновении поезда с грузовым вагоном. Значения рассчитанных критериев травмирования показывают, что в условиях расчетных сценариев столкновения пассажир, находящийся в рассматриваемом положении, не получает травм, угрожающих жизни и здоровью.

Определение наиболее опасного положения тела человека в момент соударения выполнено путем моделирования аварийной ситуации. При этом рассмотрено 12 наиболее вероятных положений пассажира в купе. Результаты представлены в виде графиков зависимости степени тяжести возможного травмирования пассажиров от положения тела в купе. В качестве примера на рисунке 6 представлена гистограмма зависимости критерия травмирования шеи от положения пассажира в купе при столкновении поезда с грузовым вагоном.

Результаты численных экспериментов показывают, что при столкновении пассажирского поезда с автомобилем пассажиры первого вагона могут получить травмы легкой степени тяжести. Наиболее вероятны черепно-мозговые травмы. Травмы шейного отдела позвоночника и ног маловероятны. При столкновении поезда с грузовым вагоном пассажир может получить сотрясение мозга и перелом костей черепа, а также травмы шейного отдела позвоночника. Наиболее опасным является положение, когда пассажир сидит на диване у двери по ходу движения поезда.

Эффективность разработанной системы пассивной безопасности оценивалась по тяжести возможного травмирования пассажиров при столкновении с использованием модернизированной расчетной схемы соударения, учитываю-

Рисунок 5 - График ускорений головы манекена во времени

щей работу УПЭ. Проведено сопоставление критериев травмирования до и после внедрения предлагаемых конструктивных решений.

В качестве примера результатов моделирования на рисунке 7 представлена гистограмма зависимости критерия черепно-мозговой травмы от положения пассажира в купе для вариантов модели соударения с УПЭ и без них.

Результаты показывают, что применение УПЭ совместно с предлагаемой установкой автосцепного оборудования позволяет снизить уровни возможного травмирования пассажиров поезда при соударении. При столкновении поезда с автомобилем наблюдается снижение уровня черепно-мозговой травмы на 12-64%, травм шейного отдела позвоночника - на 33-75%, травм ног - на 39-65%. При столкновении поезда с грузовым вагоном фиксируется снижение уровня черепно-мозговой травмы на 23-46%, травм шейного отдела позвоночника — на , 24-64%, травм ног - на 23-72%.

Полученные расчетные значения критериев травмирования в случае применения устройств безопасности не превышают нормированных значений, что свидетельствует о требуемом уровне безопасности пассажиров при столкновениях поездов с препятствиями с нормативными скоростями.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработана методика выбора параметров УПЭ пассажирских вагонов, учитывающая геометрические и эксплуатационные ограничения, связанные с характером движения пассажирских вагонов по прямым участкам пути и в кривых малого радиуса.

2. Рекомендовано на основе анализа существующих конструкций энерго-поглощающих устройств транспортных средств использовать в конструкции пассажирского вагона УПЭ трубчатой конструкции.

3. Предложена оригинальная конструктивная схема установки автосцепного оборудования, обеспечивающая восприятие продольных ударных нагрузок устройствами поглощения энергии и позволяющая повысить их рабочий ход.

4. Создана и верифицирована детализированная пластинчатая конечно-элементная расчетная схема несущей конструкции кузова пассажирского вагона.

N11

1

- - ■ 11 11

. -1 11 11

ллл 11||1II1

Рисунок 6 — Гистограмма зависимости критерия травмирования шеи от положения пассажира в купе при столкновении поезда с грузовым вагоном

Рисунок 7 - Гистограмма зависимости критерия черепно-мозговой травмы для различных вариантов компьютерной модели соударения

5. Сформировано три варианта компьютерной модели соударения пассажирского поезда с препятствием. На основе численных экспериментов обосновано применение уточненной твердотельной модели соударения.

6. Проведена оценка динамической нагруженности кузова пассажирского вагона при столкновении поезда с препятствием в рамках расчетных сценариев столкновения. Установлено, что при столкновении поезда с грузовым вагоном в несущей конструкции кузова пассажирского вагона могут наблюдаться пластические деформации.

7. Осуществлен выбор характеристик УПЭ на основе комплекса расчетов и численных экспериментов. Установлено, что для защиты пассажирских вагонов нового поколения при соударении энергоемкость всех установленных УПЭ должна составлять не менее 0,27 МДж.

8. Спроектирована конструкция УПЭ, отвечающая требованиям по геометрическим и эксплуатационным параметрам, в том числе по величине потребной энергоемкости.

9. Усовершенствована конечно-элементная расчетная схема концевой части кузова пассажирского вагона, учитывающая возможность установки ударно-тягового оборудования по предложенной схеме.

10. Разработана и верифицирована компьютерная модель антропометрического манекена, позволяющая оценить уровни возможного травмирования пассажиров поезда при продольном столкновении поезда с препятствием.

11. Проведена оценка уровней травмирования пассажиров в рамках расчетных сценариев столкновения. Установлено, что при столкновении пассажирского поезда с загруженным грузовым вагоном пассажиры поезда могут получить тяжкие телесные повреждения и травмы, не совместимые с жизнью.

12. Оценено влияние положения тела пассажира в момент столкновения поезда с препятствием на степень его травмирования. При проведении численных экспериментов установлено, что наиболее тяжелые травмы получают пассажиры, находящиеся в купе лицом по направлению движения поезда.

13. Выполнена оценка эффективности предложенных конструктивных решений по повышению пассивной безопасности кузова пассажирского вагона на основе компьютерного моделирования аварийных столкновений с использованием разработанных расчетных схем поезда, препятствия и антропометрического манекена. Установлено, что использование УПЭ приводит к снижению динамической нагруженности и уровней травмирования пассажиров, не превышающих нормированные значения.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

публикации в печатных изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Kobishanov, V.V. Passenger Car Safety Prédiction/ V.V. Kobishanov, V.P. Lozbinev, V.I. Sakalo, D.Y. Antipin, S.G. Shorohov, A.M. Vysocky// World Applied Sci-ences Journal 24 (Information Technologies in Modem Industry, Education & Society), 2013. - P. 208-212.

2. Kobishanov, V.V. Assesment of Passengers Safety in Emergency Situations, Based on Simulation/ V.V. Kobishanov, G.S. Mihal'chenko, V.P. Tihomirov, G.A. Fedyae-va, D.Y. Antipin, S.G. Shorohov// World Applied Sciences Journal 24 (Information Tech-nologies in Modern Industry, Education & Society), 2013. - P. 86-90.

3. Кобищанов, B.B. Разработка конструктивных мер повышения пассивной безопасности отечественных пассажирских вагонов/ В.В. Кобищанов, Д.Я. Антипин, Д.Ю. Расин, С.Г. Шорохов// Вестник Брянского государственного технического университета, 2013. - №4. - С. 27-33.

публикации в прочих изданиях

4. Шорохов, С.Г. Пути повышения безопасности отечественных пассажирских вагонов/ С.Г. Шорохов// Международная молодежная научная конференция по естественнонаучным и техническим дисциплинам «Научному прогрессу — творчество молодых», 15-16 апр. 2011 г.: [материалы и доклады]: в 3 ч. - Йошкар-Ола: Марийский государственный технический университет, 2011. - С. 68-69.

5. Шорохов, С.Г. Разработка конструктивных мер повышения эффективности работы системы пассивной безопасности пассажирских вагонов/ С.Г. Шорохов// XIX Туполевские чтения: Международная молодежная научная конференция, 24-26 мая 2011 года: Материалы конференции. Том 1. Казань: Изд-во Казан, гос. техн. ун-та, 2011. - С. 202-204.

6. Шорохов, С.Г. Повышение безопасности кузовов пассажирских вагонов при продольных аварийных соударениях/ С.Г. Шорохов// Обеспечение безопасности жизнедеятельности: проблемы и перспективы: сборник материалов V Междунар. науч.-практ. конференции курсантов, студентов и слушателей. — В 2-х ч. Ч. 1,-Минск: КИИ, 2011 г.-С. 190-192.

7. Антипин, Д.Я. Разработка системы повышения эффективности работы устройств поглощения энергии пассажирских вагонов/ Д.Я. Антипин, С.Г. Шорохов// Безопасность движения поездов // Труды Двенадцатой научно-практической конференции. - М.: МИИТ, 2011. - С. VII-1.

8. Антипин, Д.Я. Разработка методики определения параметров энергопо-глощающих устройств транспортных средств/Д.Я. Антипин, С.Г. Шорохов// Новые материалы, оборудование и технологии в промышленности: материалы междунар. науч.-техн. конф. молод, ученых. - Могилев: Белорус.-Рос. ун-т, 2011. - С. 52.

9. Шорохов, С.Г. Математическое моделирование систем обеспечения безопасности отечественных пассажирских вагонов/ С.Г. Шорохов, Д.Я. Антипин// Наука. Технологии. Инновации //Материалы всероссийской научной конференции молодых ученых в 6-ти частях. Часть 1. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2011.-С. 214-216.

10. Антипин, Д.Я. Обоснование параметров жертвенных элементов пассажирских вагонов отечественного производства/ Д.Я. Антипин, С.Г. Шорохов// Труды 55-й научной конференции МФТИ. - М.: МФТИ, 2012. - С. 112-113.

11. Шорохов, С.Г. Разработка конструктивных решений кузовов пассажирских вагонов повышенной безопасности при столкновениях/ С.Г. Шорохов, Д.Я.

(

Антипин// зб1рник наукових праць конф., 19-21 вересня 2013 р., Донецьк. - Лу-ганськ: Вид-во СНУ ¡м. В.Даля, 2013. - С. 119-122.

12. Шорохов, С.Г. Обоснование параметров многоступенчатой системы повышения пассивной безопасности отечественных пассажирских вагонов/ С.Г. Шорохов// Будущее машиностроения России: сб. тр. Шестой всерос. конф. молодых ученых и специалистов. - М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2013. - С. 279-280.

13. Кобищанов, В.В. Оценка безопасности пассажиров при столкновении поездов на основе моделирования/ В.В. Кобищанов, Д.Я. Антипин, С.Г. Шорохов// Вюник СхщноукраТнського нацюнального ушверситету ¡меш Володимира Даля, 2013.-№18.-С. 164-168.

14. Кобищанов, В.В. Исследование безопасности пассажирских вагонов методами математического моделирования/ В.В. Кобищанов, Д.Я. Антипин, С.Г. Шорохов// Зб|рник наукових праць УкраТнськоТ державноТ академп зал1зничного транспорту, 2013. —№139. - С. 62-69.

15. Антипин, Д.Я. Аспекты защиты пассажиров отечественных вагонов при продольных аварийных соударениях/ Д.Я. Антипин, С.Г. Шорохов// Материалы 3-й международной научно-практической конференции молодых ученых и специалистов «Проблемы техносферной безопасности-2014». - М.: Академия ГПС МЧС России, 2014. - С. 132-134.

16. Шорохов, С.Г. Выбор параметров энергопоглощающих устройств систем пассивной безопасности пассажирских вагонов на основе моделирования/ С.Г. Шорохов, Д.Я. Антипин// «Тгапэ-МесЬ-АЛ-СЬет»// Труды X Международной научно-практической конференции. — М.: МИИТ, 2014. — С. 1-113-1-115.

17. Шорохов, С.Г. Обоснование расчетных схем соударения пассажирских поездов с препятствиями/ С.Г. Шорохов// Будущее машиностроения России: сб. тр. Седьмой всерос. конф. молодых ученых и специалистов. - М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2014.-С. 361-363.

Шорохов Сергей Геннадьевич

ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКТИВНЫХ РЕШЕНИЙ СИСТЕМЫ

ПАССИВНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПАССАЖИРСКИХ ВАГОНОВ

05.22.07 - Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 14.10.2014 Формат60х84 1/16 Бумага офсетная.

Офсетная печать. Печ. л. 1. Уч.-изд. л. 1. Тираж 100 экз. Заказ 275. Бесплатно

Издательство Брянского государственного технического университета. 241035, г. Брянск, бульвар 50 лет Октября, 7. Телефон (4832) 58-82-49 Лаборатория оперативной полиграфии БГТУ, ул. Институтская, 16.