автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Обоснование технических решений обеспечения механической безопасности пассажирских вагонов при аварийных соударениях

На правах рукописи

ШОРОХОВ СЕРГЕЙ ГЕННАДЬЕВИЧ

ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ОБЕСПЕЧЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПАССАЖИРСКИХ ВАГОНОВ ПРИ АВАРИЙНЫХ СОУДАРЕНИЯХ

05.22.07 — Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация

1 8 MAP 2015

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2015

005560548

005560548

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Брянский государственный технический университет» на кафедре «Подвижной состав железных дорог»

Научный руководитель - кандидат технических наук, доцент

Антипин Дмитрий Яковлевич

Официальные оппоненты: Беспалько Сергей Валерьевич,

доктор технических наук, профессор, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный университет путей сообщения», кафедра «Вагоны и вагонное хозяйство», профессор

Коршунов Сергей Дмитриевич,

кандидат технических наук, закрытое акционерное общество научная организация «Тверской институт вагоностроения», лаборатория «Динамико-прочностные испытания вагонов», заведующий лабораторией

Ведущая организация - Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Уральский государственный университет путей сообщения»

Защита состоится «13» мая 2015 г. в 13.00 часов на заседании диссертационного совета Д 218.005.01 на базе федерального государственного бюджетного образовательного учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет путей сообщения» по адресу: 127994, г. Москва, ул. Образцова, д. 9, стр. 9, ауд. 2505.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте МГУПС (МИИТ), www.miit.ru.

Автореферат разослан «_//» марта 2015 г.

/

Ученый секретарь ^^^

диссертационного совета/С-'У/ " х

Воронин Николай Николаевич

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 механической безопасности пассажирских вагонов, основанных на применении специальных разрушаемых элементов, поглощающих энергию соударения поезда с препятствием. Таким образом, задачи разработки методики определения параметров систем безопасности пассажирских вагонов и их обоснование являются актуальными.

Целью работы является разработка и научное обоснование технических решений обеспечения механической безопасности кузовов пассажирских вагонов при продольных соударениях поездов с препятствиями.

Для достижения указанной цели поставлены и решены следующие задачи.

1. Разработана методика определения параметров устройств безопасности пассажирских вагонов при аварийных соударениях.

2. Предложена схема размещения устройств 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 соударешм пассажирских поездов с препятствиями.

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

6. Проведен выбор параметров и разработана конструкция энергопоглощаю-щего устройства пассажирского вагона.

7. Разработана и верифицирована компьютерная модель антропометрического манекена.

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

9. Оценена эффективность предлагаемых технических решений обеспечения механической безопасности кузовов отечественных пассажирских вагонов.

Объектом исследования принята система механической безопасности отечественного пассажирского вагона нового поколения модели 61-4440 производства ОАО «Тверской вагоностроительный завод».

Принятые допущения и ограничения.

1. Рассматриваются только продольные аварийные соударения пассажирских поездов с препятствиями со скоростями, соответствующими расчетным сценариям столкновения.

2. Соударение пассажирского поезда с препятствием рассматривается на прямом горизонтальном участке пути.

3. Компьютерные модели пассажирского поезда, препятствия и антропометрического манекена представляются совокупностью абсолютно твердых тел.

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 безопасности пассажирских вагонов при аварийных соударениях.

2. Сформированы компьютерные модели соударения пассажирских поездов с препятствиями.

3. Создана компьютерная модель соударения пассажирского состава с препятствием, позволяющая оценшъ степень возможного травмирования пассажиров.

4. Оценено влияние положения тела человека в момент столкновения на степень его возможного травмировашш.

5. Обоснована эффективность предложенных технических решений обеспечения механической безопасности кузовов пассажирских вагонов при аварийных соударениях.

Теоретическая и практическая значимость работы.

1. Методика определения параметров устройств безопасности пассажирских вагонов может быть применена для разработки конструкторских решений, повышающих механическую безопасность транспортных средств при продольных соударешшх с препятствиями.

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

3. Разработанное устройство безопасности может быть использовано в конструкциях кузовов отечественных пассажирских вагонов нового поколения.

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

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Методика определения параметров устройств безопасности пассажирских вагонов нри аварийных соударениях.

4

2. Результаты оценки динамической нагруженности кузовов пассажирских вагонов при столкновешш поездов с препятствиями.

3. Технические решения по обеспечению механической безопасности кузовов пассажирских вагонов при аварийных соударениях.

4. Анализ уровней возможного травмирования пассажиров при столкновении поездов с препятствиями в рамках рассматриваемых сценариев.

5. Результаты теоретических исследований по обоснованию технических решений системы механической безопасности отечественных пассажирских вагонов.

Обоснованность и достоверность результатов работы подтверждается удовлетворительной сходимостью результатов расчетов с датами 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» (УкрГАЖГ, 2013 г.), «Вагоны нового поколения: из XX в XXI век» (УкрГАЖТ, 2013 г.), «Проблемы техносферной безопас-пости-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 энергопоглогцающих 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 пагружен-ность кузова пассажирского вагона при соударении. Выбраны характеристики и разработана конструкция устройства поглощения энергии удара. Разработана компьютерная модель антропометрического манекена. Проведена оценка возможного травмирования пассажиров при продольном соударении поезда с препятствием с учетом влияния положения тела человека в момент столкновения.

5

Оценена эффективность предлагаемых технических решений по обеспечению механической безопасности отечественных пассажирских вагонов при аварийных соударениях.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов, списка литературы, состоящего из 161 наименования. Общий объем диссертации составляет 147 страниц машинописного текста, содержит 105 рисунков 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 механической безопасности пассажирских вагонов отечественного и зарубежного производства при столкновениях поездов. Отмечается, что помимо штатных поглощающих аппаратов для обеспечения защиты кузовов вагонов широкое применение получили крэш-элеменгы и крэш-зоны, наибольшее распространение среди которых 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 использовашш 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 B.II, Филиппов В.Н., Овечников М.Н. и др., в ПГУНСе - Бороненко Ю.П., Третьяков A.B., Бнтюцкий 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. Проблемами динамической нагружешюсти занимались Антипин Д.Я. - БГТУ, Бирюков И.В., Кузович В.М. - МИИТ.

Исследования динамической нагруженности кузовов пассажирских вагонов при продольных соударениях проводились во ВНИИЖТе Вертинским 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 напряжешю-деформированное состояние несущих конструкций же-

лезнодорожных 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., Пузанковым АД., Хусидовым В.Д., Котураповым 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 JI.A., Стамблером E.JI., 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., Ступин Д.Л., Кочнов А.Д., Койчев Ю.Н. - ВНИИЖТ, Юхнев-ский A.A., Полестеров A.A., Мейстер А.О. - ТИВ.

Исследованиям в области безопасности пассажирских вагонов при соударении 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 U.E., Хижа И.Ю. - ИТМ НАНУ и НКАУ, Рыбников Е.К., Алфёров А.И., Журавлев Н.М. - МИИТ.

Обеспечению пассивной безопасности высокоскоростного железнодорожного подвижного состава посвящены работы M. Priante, D. Tyrell, В. Perlman, Р. Llana, К. Jacobsen, M. Carolan - США, J. Tanaskovic, D. Milkovic, S. Golubovic, V. Lucanin - Сербия, A. Stenti, D. Moens, W. Desmet - Бельгия, Zobory I. - Венгрия, P. Gripkevimus, A. lOiliukas - Литва и других зарубежных ученых.

IIa 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.

7

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 нагружен-ности 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 соответствующих 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

/А Еч Ют 1 1 г

б У-36 км/ч исследуемый вагон

80т ■! р3 ^ пп ' ТТЛ III-)1 НИИ

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 со-

бой 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 исследуемого вагона представлен упругой конечно-элементной моделью, связанной силовыми элементами и шарнирами с твердотельными моделями тележек и автосцегшых 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.

При численных экспериментах с использованием разработанных моделей соударения получены графики распределения максимальных сжимающих усилий и ускорений по длине поезда. В качестве примера на рисунке 2 показаны результаты моделирования столкновения пассажирского поезда 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 5g. 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 параметров УПЭ на основе комплекса расчетов и численных экспериментов и разработка конструкции УПЭ.

9

—— у[фОщенная твердотельная модель - - — уточненная твердотельная модель — ■ - гибридная модель_-»предельное значение силы_

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

Оценка возможности расположения УПЭ на торцевых стенах вагонов проведена путем анализа сближения вагонов при соударении на прямом участке пути и в минимально допустимой кривой радиусом 120 м. Полученные результаты свидетельствуют о нецелесообразности расположения УПЭ на торцевых стенах вагонов ввиду их малого эффективного хода.

Для обеспечения свободного перемещения кузовов вагонов навстречу друг другу при столкновении, что позволит задействовать механизм поглощения энергии устройствами 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 (рисунок 3). Смещение блока автосцепного оборудования обеспечивается за счет среза болтов при воздействии сверхнормативных нагрузок. Беспрепятственное перемещение блока внутрь рамы осуществляется ушире-

нием хребтовой балки в концевой части по размеру ударной розетки. В связи с ослаблением зоны передачи продольных усилий в конструкцию консоли рамы введены соответствующие усиления.

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. Расчет конечно-элементной модели кузова вагона в динамической постановке позволил определить величину максимальных ударных усилий, не приводящие к пластическому деформированию кузова в зоне установки УПЭ, которая составляет 2,9 МН.

При разработке УПЭ рассмотрены трубчатое и сотовое исполнения конструкции. На основе разработаштых 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 деформирования 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 кон-

10

5S5X | \

1 !

Рисунок 3 - Схема крепления блока автосцепиого оборудования к раме пассажирского вагона: 1 - хребтовая балка рамы вагона; 2 - продольные балки блока автосцепного оборудования; 3 задний упор; 4 - болтовое крепление блока к раме

струкция 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 УПЭ: фактическая энергоемкость -

Рисунок 4 Диаграммы энергоемкости УПЭ

определить рациональные параметры 100 кДж, толщина трубок - 0,8 мм, масса - 87,3 кг.

В результате проведенных исследований разработана трехступенчатая система механической безопасности пассажирских вагонов: первая ступень системы вкшочает 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 безопасности 280 кДж, что превышает потребную величину.

Оценка влияния разработанных УПЭ на динамическую нагруженность кузова вагона при столкновении проведена путем моделирования аварийной ситуации. Для этого в разработанную модель соударения внесе1ш изменения, учитывающие работу УПЭ. Результаты моделирования представлены в таблице.

Сценарий Параметр Порядковый номер экипажа с головы поезда

] 2 3 4 5

Столкновение с автомобилем Максимальные сжимающие усилия, МН 4,43 1.03 0,74 0,43 0.27

Ускорения, % 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, g 3,47 3,07 2,42 1.96 1,73

Применение УПЭ в конструкции кузовов пассажирских вагонов приводит к снижению максимальных сжимающих усилий, действующих па 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 предлагаемых технических решений по обеспечению механической безопасности пассажирских вагонов при аварийном соударении.

Для оценки травмирования пассажиров сформирована твердотельная компьютерная модель антропометрического манекена. При моделировании манекен

разделялся на элементы (голова, шея и т.д.), которые соединялись в единую модель посредством шарниров. Все элементы манекена представлены абсолютно твердыми телами с реальными весовыми и геометрическими параметрами. Моделирование соединений, имитирующих суставы человека, осуществлялось с использованием шарниров с заданными упруго-диссииативными характеристиками.

Методика оценки уровня травмирования пассажиров основана на расчете критериев травмирования, для которых на основе анализа последствий аварий установлены нормированные значения.

Верификация разработанной модели антропометрического манекена выполнена путем сопоставления результатов натурных испытаний с результатами расчетов. Сопоставление значений рассчитанных критериев травмирования 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 при рассматриваемых расчетных сценариях столкновения пассажир 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 поезда с автомобилем пассажиры первого вагона могут получить гравмы легкой степени тяжести. Наиболее вероятны черепно-мозговые травмы. При столкновении поезда с грузовым вагоном пассажир может получить сотрясете 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.

Рисунок 5 - График ускорений головы манекена во времени

Эффективность разработанной системы безопасности оценивалась по тяжести возможного травмирования пассажиров при столкновении с использованием

модернизированной расчетной схемы

1.4

1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2

1 1 1 1 1 1

>К 1 1 1 1 я 11 1..1 II

10 11 12 п

соударения, учитывающей работу УПЭ. Проведено сопоставление критериев травмирования до и после внедрения предлагаемых технических решений.

В качестве примера результатов моделирования на рисунке 7 представлена гистограмма зависимости критерия черепно-мозговой травмы от поло-Рисунок 6 - Гистограмма зависимости критерия жения пассажира в купе для вариантов травмирования шеи от положения пассажира в модели соударения с УПЭ и без них. купе при столкновении поезда с грузовым Результаты показывают, что при-

вагоном менение УПЭ совместно с предлагае-

мой 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 че-регшо-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, I ч»»»»™ ..¡т.супэ ^

что свидетельствует о требуемом Рисунок7-Гистограмма зависимости критерия уровне безопасности пассажиров при черепно-мозговой травмы для различных столкновениях поездов с препятствия- вариантов компьютерной модели соударения ми с нормативными скоростями.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработана методика определения 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.

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 параметров 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 но 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 возможного 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 человека в момент столкновения поезда с препятствием на степень его возможного 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 технических решений по обеспечению механической безопасности кузовов пассажирских вагонов 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 вагонов и уровней возможного травмирования пассажиров, не превышающих нормированных значений.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

публикации в печатных изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Kobishanov, V.V. Passenger Саг Safety Prediction/ V.V. Kobishanov, V.P. Lozbinev, V.l. Sakalo, D.Y. Antipin, S.G. Shorohov, A.M. Vysocky// World

Applied Sci-ences Journal 24 (Information Technologies in Modern 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/ СГ. 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 I. 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 методики определения параметров энергопогло-щающих устройств транспортных средств/ ДЛ. Антипин, С.Г. Шорохов// Новые материалы, оборудование и технологии в промышленности: материалы межцунар. науч.-техн. конф. молод, ученых. - Могилев: Белорус.-Рос. ун-т, 2011. - С. 52.

8. 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.

9. 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.

10. Шорохов, С.Г. Разработка конструктивных решений кузовов пассажирских вагонов повышенной безопасности при столкновениях/ С.Г. Шорохов, ДЯ. Антипин// зб1рник наукових праць конф., 19-21 вересня 2013 р., Донецьк. -Луганськ: Вид-во СНУ ¡м. В.Даля, 2013. - С. 119-122.

11. Шорохов, С.Г. Обоснование параметров многоступенчатой системы повышения пассивной безопасности отечественных пассажирских вагонов/

15

; «

ъ

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.

12. 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.

13. Кобищанов, В.В. Исследование безопасности пассажирских вагонов методами математического моделирования/ В.В. Кобищанов, Д.Я. Антипин, С.Г. Шорохов// Зб1рник наукових праць УкраТнськоТ державно!" академн зал1з-ничного транспорту, 2013. - №139. - С. 62-69.

14. 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.

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

16. 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.

17. Шорохов, С.Г. Оценка безопасности пассажиров при столкновении поезда с грузовым вагоном/ С.Г. Шорохов; ДЛ. Антипин// Труды 57-й научной конференции МФТИ. - М.: МФТИ, 2014. - С. 158-160.

ШОРОХОВ СЕРГЕЙ ГЕННАДЬЕВИЧ

ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ОБЕСПЕЧЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПАССАЖИРСКИХ ВАГОНОВ ПРИ АВАРИЙНЫХ СОУДАРЕНИЯХ

05.22.07 - Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать О1/,03,2.0/5х Формат 60x90/16 Тираж 80 экз.

Усл.-печ. л. - 1 Заказ № ¿¿О*/

127994, г. Москва, ул. Образцова, д. 9, стр. 9, УПЦГИ МИИТ

16