CC BY
60
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2015, № 4 (58)
РУХОМИИ СКЛАД I ТЯГА ПО1ЗД1В
УДК 629.4.015-047.58
Н. Е. НАУМЕНКО1, И. Ю. ХИЖА2*
'Отд. «Динамика многомерных механических систем», Институт технической механики НАН Украины и ГКА Украины, ул. Лешко-Попеля, 15, Днепропетровск, Украина, 49005, тел. +38 (056) 375 68 01, эл. почта [email protected], ОЯСГО 0000-0002-6913-2568
2*Отд. «Динамика многомерных механических систем», Институт технической механики НАН Украины и ГКА Украины, ул. Лешко-Попеля, 15, Днепропетровск, Украина, 49005, тел. +38 (056) 46 79 35, эл. почта [email protected], ОЯСГО 0000-0002-7103-7754
МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЭКИПАЖЕЙ ПАССАЖИРСКОГО ПОЕЗДА, ОБОРУДОВАННОГО СИСТЕМОЙ ПАССИВНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ, ПРИ АВАРИЙНОМ СТОЛКНОВЕНИИ С ПРЕПЯТСТВИЕМ
Цель. Развитие высокоскоростного движения на железнодорожном транспорте потребовало обновления требований к конструкции пассажирского подвижного состава и пересмотра стандартов безопасности при аварийных столкновениях поездов с препятствием. К конструкции экипажей нового поколения предъявляются требования по оснащению их пассивными крэш-системами, обеспечивающими безопасность пассажиров и персонала в аварийной ситуации. Испытания крэш-систем пассажирского подвижного состава продолжительны во времени и требуют значительных материальных затрат. В целях отработки тестовых сценариев столкновения поездного состава с препятствием и оценки показателей поглощения энергии соударения устройствами пассивной защиты в работе применяется компьютерное моделирование. Первым этапом проведения исследований динамических процессов, протекающих в поезде при сверхнормативных ударных воздействиях, является оценка максимальных значений сжимающих сил, возникающих в межвагонных соединениях поезда, локомотив и вагоны которого оборудованы системами пассивной безопасности. Методика. На основании концепции пассивной защиты пассажирского подвижного состава для колеи с шириной 1 520 мм при аварийных столкновениях предложена концептуальная система пассивной безопасности для пассажирских поездов локомотивной тяги, сформированных из экипажей нового поколения. Системой пассивной безопасности рекомендуется оборудовать как локомотив, так и вагоны. Для предварительной оценки выполнения требований к системе пассивной безопасности пассажирского поезда при аварийных столкновениях, как правило, используется упрощенная дискретно-массовая модель, в которой поезд рассматривается как одномерная цепочка твердых тел, соединенных существенно нелинейными деформируемыми элементами. Результаты. Разработан алгоритм вычисления усилий в межвагонных соединениях поезда локомотивной тяги постоянного формирования, учитывающий специфику работ сцепных устройств, устройств поглощения энергии и упругопластические свойства конструкций кузовов экипажей при аварийных столкновениях. Научная новизна. Предложенный алгоритм позволяет учесть особенности формирования поезда локомотивной тяги нового поколения и работы межвагонных соединений при исследовании динамических процессов, протекающих в поезде в случае его аварийного столкновении с препятствием на железнодорожном пути. Практическая значимость. Разработанные алгоритмы вычисления усилий взаимодействия экипажей пассажирского поезда локомотивной тяги, оборудованных системами пассивной безопасности, могут быть использованы при математическом моделировании тестовых сценариев столкновения эталонного поезда с препятствием для отработки систем пассивной безопасности на этапе проектирования пассажирского подвижного состава нового поколения.
Ключевые слова: система пассивной безопасности; пассажирский поезд; локомотивная тяга; постоянное формирование; тестовые сценарии; аварийные столкновения поезда с препятствием
Введение
Современный уровень транспортного обеспечения требует внедрения пассажирского подвижного состава нового поколения с более вы-
соким уровнем качественных, технических и экономических показателей эксплуатации и увеличенными сроками службы. В странах ЕС вновь проектируемый подвижной состав должен соответствовать требованиям стандарта © Н. Е. Науменко, И. Ю. Хижа, 2015
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2015, № 4 (58)
по статической прочности и оборудоваться системой пассивной защиты для обеспечения безопасности пассажиров и поездной бригады при аварийных столкновениях поезда с препятствием [8, 9]. Система пассивной безопасности (СПБ) закладывается в архитектуру подвижного состава и интегрируется в конструкции экипажей пассажирских поездов локомотивной тяги и моторвагонного подвижного состава.
Пассажирский поезд локомотивной тяги формируется из локомотива и прицепных вагонов. По функциональному назначению локомотив представляет собой тяговый самоходный рельсовый экипаж. В настоящее время в странах СНГ наиболее востребованными являются пассажирские двухсистемные односек-ционные электровозы, которые оборудованы двумя кабинами управления, расположенными в торцовых частях секции. В качестве сцепных устройств используются автосцепки СА-3 с поглощающими аппаратами Р-5П.
На прицепных вагонах поезда локомотивной тяги постоянного формирования (в первую очередь скоростных) устанавливаются сцепные устройства БСУ-3 с поглощающими аппаратами Р-5П при незначительной доработке корпуса-хомута [1]. Беззазорные сцепные устройства (БСУ) обеспечивают жесткое сцепление вагонов, полную взаимозаменяемость с автосцепкой СА-3, комфортный переход из вагона в вагон, тепло- и шумоизоляцию салона без установки межтамбурных дверей [4]. Поскольку локомотивы оснащены автосцепками СА-3, то при составлении пассажирского поезда локомотивной тяги концевые вагоны оборудуются с одного конца БСУ-3 для сцепления с соседним вагоном, а с другого конца - только стандартными автосцепками СА-3 (буфера отсутствуют) для соединения с локомотивом.
На основании анализа мирового опыта по пассивной защите пассажирских поездов различного назначения [10, 13], нормативной базы по данной проблеме [2, 3, 8, 9, 12] и существующих концепций пассивной защиты подвижного состава при аварийных столкновениях с препятствием разработаны основные положения концепции пассивной защиты пассажирского подвижного состава для железных дорог с шириной колеи 1 520 мм, изложенные в работе [7]. При разработке механизмов поглощения кинетической энергии соударения и ра-
циональных схем размещения СПБ учитывались основные конструктивные особенности сцепных устройств и экипажей, используемых на колее шириной 1 520 мм.
Концепция пассивной защиты пассажирского поезда основана на контролируемом поэтапном поглощении энергии удара по длине всего поезда. В целях плавного поглощения кинетической энергии соударения рекомендуется оборудовать системой пассивной безопасности как локомотив, так и пассажирские вагоны [5].
Цель
Испытания крэш-систем пассажирских поездов занимают много времени и являются очень затратными. С целью отработки тестовых сценариев столкновения и оценки показателей поглощения энергии соударения применяется компьютерное моделирование. Первым этапом в проведении исследований динамических процессов, протекающих в поезде при сверхнормативных ударных воздействиях, является оценка максимальных сжимающих сил, возникающих в межвагонных соединениях поезда, локомотив и вагоны которого оборудованы системами пассивной безопасности.
Методика
Для случая, когда пассажирский поезд сформирован из подвижного состава, оборудованного СПБ и автосцепками СА-3, работающими по принципу push-back coupler [10, 11], алгоритм определения усилий, возникающих в межвагонном соединении между (i -1 )-м и i -м экипажами при сверхнормативных ударных воздействиях, приведен в работе [6].
Рассмотрим концептуальную систему пассивной безопасности для поезда локомотивной тяги нового поколения. Согласно предложенной концепции система пассивной безопасности для поезда локомотивной тяги постоянного формирования колеи шириной 1 520 мм должна включать:
- для локомотива:
1) автосцепки СА-3, которые в случае аварийного столкновения сдвигаются назад и не препятствуют работе противоподъемных устройств и устройств поглощения энергии (УПЭ) крэш-системы (push-back coupler);
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету з&тзничного транспорту, 2015, № 4 (58)
2) два энергопоглощающих устройства коробчатого типа, расположенные в концевых частях рам локомотива и предназначенные для поглощения энергии соударения в результате их пластической деформации;
3) жертвенную зону в конструкции каркаса кабины машиниста;
4) противоподъемные устройства, установленные на энергопоглощающие устройства и ограничивающие вертикальные перемещения экипажей относительно друг друга при соударении;
- для прицепного вагона:
1) сдвигаемые БСУ-3, работающие по принципу push-back coupler, и стандартные автосцепки СА-3 для первого и последнего вагонов поезда;
2) энергопоглощающие устройства коробчатого типа, расположенные на месте буферов на торцевом брусе прицепного вагона;
3) противоподъемные устройства, совмещенные с УПЭ.
Энергопоглощающие элементы, противо-подъемные устройства и жертвенная зона кабины машиниста составляют двухуровневую крэш-систему локомотива: первый уровень -энергопоглощающие и противоподъемные устройства; второй уровень - жертвенная зона кабины машиниста. При эксплуатационных режимах движения пассажирского поезда энергопо-глощающие элементы не работают, срабатывание механизма увода сцепных устройств и деформирование устройств поглощения энергии происходит только в аварийных ситуациях.
Расчетная оценка уровня энергопоглощения кинетической энергии соударения элементами систем пассивной безопасности поезда проводится согласно тестовым сценариям столкновения. При математическом моделировании работы СПБ в соединениях экипажей поезда в аварийной ситуации в качестве тестового сценария выбран сценарий лобового столкновения двух идентичных поездов, оборудованных СПБ, как наиболее общий и позволяющий на уровне задания исходных параметров перейти к модели работы межвагонного соединения в случае аварийного столкновения эталонного поезда с грузовым вагоном.
При столкновении поездов локомотивы первыми вступают во взаимодействие. Алгоритм вычисления продольных усилий 5л (t), возни-
кающих в соединении между локомотивами при аварийном соударении, пошагово можно описать следующим образом. В начальный момент времени, пока зазор в соединении автосцепок локомотивов не выбран, усилия взаимодействия равны нулю. Затем начинают работать штатные амортизаторы удара, которыми оборудованы автосцепки СА-3. Поглощение энергии удара происходит за счет упругой деформации поглощающих аппаратов Р-5П и рамы локомотива. После закрытия поглощающих аппаратов нагрузка через автосцепку передается на раму локомотива. В силовой характеристике это соответствует вычислению усилий при упругих деформациях конструкции кузова локомотива. Когда силы, приложенные к автосцепным устройствам, достигнут заданного граничного значения, разрушаются элементы крепления автосцепки СА-3 к раме локомотива, и автосцепка уводится под раму локомотива. Усилие взаимодействия равно нулю до момента соприкосновения устройств первого уровня крэш-системы, размещенных в концевых частях рам локомотивов. Противоподъемные устройства, взаимодействуя, ограничивают вертикальные перемещения локомотивов и, тем самым, препятствуют наползанию экипажей друг на друга. Жертвенные элементы деформируются по заданному сценарию поглощения энергии. Когда УПЭ сдеформируются настолько, что соприкоснутся кабины локомотивов, в работу дополнительно к УПЭ вступают элементы второго уровня крэш-системы - жертвенные зоны кабин машинистов. При полном срабатывании крэш-системы нагрузка снова передается на раму локомотива, и в зависимости от величины сжимающей силы имеют место упругие либо упругопластические деформации конструкции кузова локомотива.
Концептуальные диаграммы деформирования элементов крэш-системы локомотива представлены кусочно-линейными функциями с двумя участками, каждый из которых соответствует упругим и пластическим деформациям УПЭ и жертвенной зоны кабины машиниста. Предполагается, что пластическое деформирование элементов пассивной защиты локомотива происходит при постоянной силе.
Система пассивной безопасности вагонов поезда конструктивно отличается от СПБ локомотива. Энергопоглощающие устройства на локомотиве имеют более высокий уровень © Н. Е. Науменко, И. Ю. Хижа, 2015
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету з&тзничного транспорту, 2015, № 4 (58)
энергопоглощения, чем УПЭ, установленные на вагонах. Промежуточные вагоны оборудуются сдвигаемыми сцепными устройствами БСУ-3 с поглощающими аппаратами Р-5П, концевые вагоны - сдвигаемыми БСУ-3 для сцепления
с соседним вагоном и автосцепками СА-3 для сцепления с локомотивом. Алгоритм вычисления усилий, возникающих в i -м межвагонном соединении поезда локомотивной тяги постоянного формирования (за исключением соединения первого вагона с локомотивом) в случае аварийного столкновения с препятствием, приведен в работе [5].
Таким образом, для разработки эффективной системы пассивной безопасности на пассажирском подвижном составе необходимо
- обеспечить возможность смещения сцепных устройства и деформирование элементов энергопоглощающих устройств, интегрированных в концевые части рам экипажей, в случае аварии;
- оборудовать экипажи противоподъем-ными устройствами для предотвращения на-ползания или наезд одного транспортного средства на другое.
Результаты
Аналитически выражения для определения усилий, возникающих в соединении между локомотивами, оборудованными СПБ и сдвигаемыми автосцепками СА-3, при аварийном столкновении двух идентичных поездов могут быть представлены следующим образом:
S, (t) = S*(t)sign (qл (t) - £Л (t - h) - £л (t - h)); qfn (t) = q (t) - £* (t - h) - £ л (t - h)| - 0,55o X
x(1 + sign (qn (t) -£* (t - h) - £ л (t - h)),
где qл (t), qn (t) - относительные перемещения и скорости центров масс локомотивов при столкновении поездов соответственно; t - текущее время; h - шаг интегрирования; 50 -максимальная величина зазора в соединении между локомотивами; £*л - деформация устройств пассивной защиты в соединении между локомотивами; £л - остаточная продольная деформация конструкций локомотивов;
s>) Ч
0, если qfn (t) < 0; при 0<qf (t) <Aa : min {(t), SЛ (t)}, если
qn (t) sign(qn (t) - С (t - h) -£л (t - h)) > 0 либо
max {S; (t), SЛ (t)}, если
qn (t) sign(qn (t) -C (t - h) -£л (t - h)) < 0;
при qf л (t) >A; :
S; (t), если f (t) <A;;
0, если A Лр <f (t) <A 0;
min{ S1(t), SЛ(t)},
если A07 <f (t) <A?;
min{ S*pi (t), S7(t)},
если A/77 <f (t) <A2;
min {{(t) + S7 (t)), S7 (t)},
если A27 <f (t) ;
min {(S>) + S^t)), S7 (t)},
если A37<f(t) < Amax;
при f (t) >Amm ax: S7 (t), если
S7 (t)-ß7 q л (t) sign{qn (t)-C (t - h) -
(t - h)) < S7 (t - h)); S7 (t), если
S"K (t)q л (t) sign q (t) -C (t - h) -Чл (t - h)) > s; (t - h);
, ^а - сила закрытия и полная деформация поглощающих аппаратов в соединении между локомотивами соответственно; (^), 5лр (^) -
усилия на участках нагрузки и разгрузки силовой характеристики взаимодействия локомотивов при работе поглощающих аппаратов;
Гк^л (0, если #, (0 < <;
s: (t)=•
к\лdл + klл (qfn (t) - dл), если dл < f(t);
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2015, № 4 (58)
Sp (t) = (1 -П л) SnH (t);
к1нл, к2 - жесткости при нагрузке в силовой
характеристике на участке работы поглощающих аппаратов с нелинейными характеристиками; d? - координата узловой точки в случае билинейной аппроксимации силовой характеристики поглощающих аппаратов локомотивов; Пл - коэффициент поглощения энергии при работе поглощающих аппаратов локомотивов; Sl (t) - усилие, возникающее в конструкции кузова локомотива при упругих деформациях;
Sl (t) = ^л (t - h) +
+[ kl (Ял (t) - Чл (t - h)) + ß л q л (t) ]x
xsign(qn (t) - (t - h) - % л (t - h)); 0, если S*(t - h) = 0;
s: (t - h) v sp (t - h),
если S*(t - h) = S"H (t - h) v Sp (t - h); Sil1 (t - h),
если S*(t - h) = S1л (t - h);
Spi(t - h),
если S*(t - h) = S*pi (t - h);
Spi(t - h) + S2! (t - h),
если S*(t - h) = Sp(t - h) + S2! (t - h);
S*;i(t - h) + S*p:2(t - h),
если S*(t-h) = S*;(t-h) + S^(t-h); S! (t - h) - ßлqл (t - h)sign (Чл (t - h) -
-%* (t - h)-% л (t - 2h)),
если S*(t - h) = S; (t - h);
S; (t - h),
если S*(t - h) = S; (t - h);
k" - жесткость конструкции кузова локомотива при упругих деформациях; ßл - коэффициент вязкого сопротивления деформированию конструкции локомотива;
Sл (t - h) =
«V (г) = (г - И) + (дд (Г) - ^ (г - Л));
^ - совместная жесткость конструкций УПЭ
и кузова локомотива при упругих деформациях;
«р () = «р ;
«2л (г) = «2л (г - И) + (9л (г) - Чл ((- И));
кЛр 2 - совместная жесткость конструкций кабины машиниста и кузова локомотива при упругих деформациях;
«Кр2 () = Кр 2 ;
«КР1, «Клр 2 - средние значения усилий, при превышении которых происходит соответственно пластическое деформирование устройств первого и второго уровня крэш-системы локомотива;
ОЛ ОЛ
А л = А л + "р - а •
^пр ^а ^ £л 5
Б^р - значение усилия, при превышении которого происходит разрушение элементов крепления автосцепного устройства к раме локомотива;
AZ = А л
0 и;
?0л; Ал = А 0л + dz? ;
А m ах =Анл + dz2л; А 2 = А ал + - -л
3 '
Ал =А2л
4 '
dz(Л - расстояние между энергопоглощающими устройствами в соединении между локомотивами при выбранных зазорах в автосцепках (50=0); dz1л - максимальная суммарная упругая деформация УПЭ в соединении между локомотивами; dz2 - максимальная суммарная пластическая деформация УПЭ в соединении между локомотивами; dz3 - расстояние в соединении между кабинами машинистов локомотивами при выбранных зазорах в автосцепках (50=0); dz4Л - максимальная суммарная упругая деформация жертвенных зон кабин машинистов в соединении между локомотивами;
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2015, № 4 (58)
£Л (t) = £Л (t - h)+q (t) - qn (t - h))
при А л<qfn (t) < A max ; SSл - усилие, соответствующее начальному пределу текучести кузова локомотива; SЛ (t) - усилие, соответствующее пластическим деформациям кузова локомотива;
Sл , если £ л (t) = 0; в противном случае
s; (t)Ч
кJ
s; (t - h)+-ft [ S^k (t) - ß л qn (t )signq (t) -
К [
4* (t - h)л (t - h)) - s; (t - h)] ;
% л (г) = % л С- К)+((г) -
-5; а - к))(1/кл -1/кл) х
xsign(qл (() - (Г - К) - % л (^ - К));
кЛ - жесткость конструкции кузова локомотива при пластических деформациях.
При численной отработке сценария столкновения поезда локомотивной тяги с грузовым вагоном без СПБ описанный алгоритм вычисления усилий может быть применен путем уточнения описания и задания следующих параметров:
- ёгЛЛ - расстояние между рамой грузового вагона и УПЭ локомотива при выбранных зазорах в автосцепках (50 =0);
- dz1л - максимальная упругая деформация УПЭ в соединении грузового вагона и локомотива;
- dz2 - максимальная пластическая деформация УПЭ в соединении грузового вагона и локомотива;
- dz3Л - расстояние между рамой грузового вагона и кабиной машиниста локомотива при выбранных зазорах в автосцепках (50 =0);
- dzЛ - максимальная упругая деформация жертвенной зоны кабины машиниста в соединении грузового вагона и локомотива.
Рассмотрим механизм работы системы пассивной безопасности в соединении локомотива с первым вагоном. Локомотив и первый (последний) вагон оборудованы СПБ. В качестве
сцепного устройства используются автосцепки СА-3: стандартная (несдвигаемая) автосцепка на вагоне и сдвигаемая типа push-back coupler на локомотиве. Распределение суммарной энергоемкости между УПЭ на локомотиве и первом вагоне выполнено так, что большая часть энергии соударения поглощается УПЭ локомотива.
Отличительные особенности работы СПБ в соединении локомотива с первым (последним) вагоном поезда заключаются в следующем:
- автосцепки СА-3, которыми оборудованы локомотив и первый (последний) вагон, по-разному работают в аварийной ситуации;
- характеристики УПЭ на первом вагоне выбраны таким образом, что критическая сила, при которой начинается их пластическое деформирование, значительно ниже, чем критическая сила для УПЭ на локомотиве.
Когда ход поглощающих аппаратов выбран, усилия через автосцепные устройства передаются на рамы экипажей. При достижении силы в соединении заданного граничного значения SЛр происходит разрушение элементов крепления автосцепки СА-3 к раме локомотива и увод автосцепок под раму локомотива. До момента соприкосновения устройств поглощения энергии на первом вагоне и локомотиве усилие взаимодействия равно нулю. Когда УПЭ соприкоснулись, срабатывают противоподъмные устройства, и начинают деформироваться по заданному сценарию УПЭ на вагоне. После полной отработки УПЭ на вагоне нагрузка через УПЭ на локомотиве передается на раму экипажа. В силовой характеристике это соответствует вычислению усилий при упругих деформациях конструкции кузова вагона. Когда усилия достигнут значений, при которых вступает в работу крэш-система локомотива, дальнейший процесс поглощения энергии соударения в соединении первого вагона и локомотива происходит аналогично, как в случае соударения локомотива с грузовым вагоном: начинают деформироваться УПЭ первого уровня на локомотиве, затем подключаются устройства второго уровня. Если крэш-система локомотива полностью сработала, усилия снова передаются на конструкции кузовов экипажей.
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету з&тзничного транспорту, 2015, № 4 (58)
Математически алгоритм вычисления продольных усилий, возникающих в соединении первого вагона и локомотива при сверхнормативном соударении поезда с преградой, может быть представлен следующим образом:
SB (t) = S*B (t)sign (qäl (t) - С (t - h) - ^ (t - h)), 0, если qfA(t) < 0; при 0<qfв1 (t) <Д®1 : min {(t), SB1(t)}, если
qA (t) sign(q61 (t) - С (t - h) - С (t - h)) >0 либо
max{Sh(t), S'(t)}, если qA (t) sign(q61 (t) - С (t - h) - ^ (t - h)) < 0; при qfe1(t) >Да81 : SB1 (t), еслиqfA(f)<Д;; 0, если Д :p ft) <Д^; min {(t), S'(t)},
если Д0S1<qfS1(t) < ДГ1; min{S>), SK1 (t)}, если ДВ <qf 1 (t) <Д21; S^(t) = \ min {S;;(t) + S? (t), SB1 (t)}, если ДB1<qfA(t) <A^; min {(S^(t), S® (t)},
если ^31<qfe 1(t) <Д;; min {(S;;(t) + S2 (t)), S'(t)}, если Д41 <qf 1 (t) <Д^1; min {(S;;(t)+S*;2(t)), SK1 (t)}, если Дh<qfe 1(t) <Дmax1; при qf в 1(t) >Дmax1 : SB1 (t), если
SB1 (t) - ß 81<? в1 (t) sign(qe1 (t) - С (t - h) -4B1(t - h)) < SS1(t - h); SB1 (t), если
SB1 (t) - ß81<?в1 (t)sign(qe1 (t) - С (t - h) -4 B1(t - h)) > SS1(t - h);
f 1 (t) = \q 1 (t) - С (t - h) -el(t - h)| - 0,550 X
x(1 + sign (qe 1 (t) - С (t - h) - %e 1 (t - h)),
где qe 1(t), qe1(t) - относительные перемещения и скорости центров масс локомотива и первого вагона соответственно; t - текущее время; h -
шаг интегрирования; 50 - максимальная величина зазора в соединении первого вагона с локомотивом; - деформация устройств пассивной защиты в соединении первого вагона с локомотивом; в1 - остаточная продольная
деформация конструкции кузова вагона; S"a1,
А а1 - соответственно сила закрытия и полная деформация поглощающих аппаратов в соединении первого вагона с локомотивом; SeH1(t), S®1(t) - усилия на участках нагрузки
и разгрузки силовой характеристики взаимодействия первого вагона и локомотива при работе поглощающих аппаратов;
S) = qfл{1), если)^41;
H1 k? < + k2J (f (t) - <), если <1 < qf1 (t);
S>) = (1 -n в1 )SH1 (t);
k11 , kH1 - жесткости при нагрузке на участке
работы поглощающих аппаратов с нелинейными характеристиками в соединении первого
вагона с локомотивом; d1 1 - координата узловой точки в случае билинейной аппроксимации силовой характеристики поглощающих аппаратов вагона; ne1 - коэффициент поглощения энергии при работе поглощающих аппаратов; Sex1(t) - усилие, возникающее в конструкции кузова первого вагона при упругих деформациях;
Sh(t) = S?(t - h)+
+ [k^1 (q 1 (t) - qe 1 (t - h)) + p slqs, (t) ] x
xsign(q^ (t) - ^ (t - h) - „1 (t - h));
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2015, № 4 (58)
SB (t - h) =
0, если V (' - к) = 0;
^ - к) V 5¡1« - к), если S1*s ((- к) = Бвн1 ((- к) V 5вр1 ((- к); ^ - к),
если 51*6(/ - к) = 5161(/ - к);
^С - к),
если ^ - к) = - к); - к) + (/ - к), если 5*в (/ - к) = 5*р1 (/ - к) + 51л (/ - к); - к),
если 51*6 (/ - к) = ^ - к);
- к) + 52л (/ - к), если 5*в (/ - к) = (/ - к) + 52л (/ - к); ^С - к) + ^ - к), если (/ - к) = (/ - к) + 5;рл2 (/ - к); 5КВ1 (^ - к) -Р.^.1(/ - к) х хsign (Г - к) - %В1 (Г - к) - %в1 (Г - 2к)), если 5*в (/ - к) = - к); - к),
если S1*s ((- к) = - к);
к61 - жесткость конструкции кузова первого вагона при упругих деформациях; Рв1 - коэффициент вязкого сопротивления деформированию конструкции вагона;
(Г) = 56! (Г - к) + к;, (^! (*) - ^! (Г - к));
кекр1 - совместная жесткость конструкций УПЭ
вагона, УПЭ локомотива и кузова первого вагона при упругих деформациях;
5 кр1 ) = 5Кр1 ;
51л (Г) = 51л (Г - к) + к*р1 (^ 1 (г) - ^ 1 (г - к));
к*р1 - совместная жесткость конструкции УПЭ
локомотива и кузова вагона при упругих деформациях;
52л (г) = 52л (Г - к) + клкр2 ^ 1(Г) - ^ 1 (г - к));
к*р 2 - совместная жесткость конструкции кабины машиниста и кузова вагона при упругих деформациях;
5кр2 () = 5Кр2 ;
5К1р1, 5Кр1 и 5Клр2 - средние значения усилий,
при превышении которых происходит пластическое деформирование устройств УПЭ вагона, элементов первого и второго уровня крэш-системы локомотива соответственно;
A л = AI
пр а1
С^л Об
Sпр - Sa1
5лр - значение усилия, при превышении которого происходит разрушение элементов крепления автосцепного устройства к раме локомотива;
л0: =л Лр + Ап =л061 + dZll;
A2: = An + dz21; A31 =A2б1
A4: = A36! + dz^; A^ = A46
'31 '
51 '
A6 = A6
max1 "31
'61 '
S >) = s,
кр1
dz01 - расстояние между УПЭ в соединении первого вагона с локомотивом при выбранных зазорах в автосцепках (50=0); dz11 - максимальная упругая деформация межвагонного соединения при совместной работе УПЭ вагона, УПЭ локомотива и конструкции кузова вагона; dz21 - максимальная пластическая деформация УПЭ вагона; dz31 - максимальная упругая деформация межвагонного соединения при совместной работе УПЭ локомотива и конструкции кузова вагона и изменении силы
от 8вкр1 до 5лр1; dz41 - расстояние между кузовом вагона и кабиной машиниста локомотива при максимальной деформации УПЭ вагона; dz51 - максимальная упругая деформация межвагонного соединения при совместной работе кабины машиниста локомотива и конструкции
к
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету затзничного транспорту, 2015, № 4 (58)
кузова вагона; dz 61 - максимальная упругопла-стическая деформация УПЭ локомотива;
) = 0) + С2 (t )•
?
) = ^¡(t - h) + (q в 1(t) - qs 1(t - h)) при Д h <qf в1 (t) < Д 21;
С2 (t) = (t - h) + (q в1 (t) - qs 1 (t - h))
max1 '
при А 33^^) < А Б0 - усилие, соответствующее начальному пределу текучести кузова первого вагона;
) - усилие, соответствующее пластическим деформациям кузова первого вагона;
SS1(t) =
S%, если Св1 (t) = 0; в противном случае
S* (t - h) + [Sh (t) - pAqA (t)sign(qA (t) -
kK1
-C(i- h) A(t -h)) - Sh(t -h) £d(t) = £ ^(t - h) + (S«(t) - S«(t - h)) x x(1/khu -1/kh)sign(q 1(t)-
*1 (t - h) d(t - h)); khj1 - жесткость конструкции кузова вагона при пластических деформациях.
Научная новизна и практическая значимость
Предложен алгоритм, позволяющий учесть особенности работы межвагонного соединения поезда локомотивной тяги, сформированного из электровоза и вагонов нового поколения, при исследовании динамических процессов, протекающих в поезде в случае его аварийного столкновении с препятствием на железнодорожном пути.
Выводы
Разработанные алгоритмы вычисления усилий взаимодействия экипажей пассажирского поезда локомотивной тяги, оборудованных системами пассивной безопасности, могут быть
использованы при математическом моделировании тестовых сценариев столкновения эталонного поезда с препятствием для отработки систем пассивной безопасности на этапе проектирования пассажирского подвижного состава нового поколения.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Анализ применения автосцепного устройства БСУ-3 на пассажирском подвижном составе / С. А. Скороход, С. А. Столетов, Д. О. Босец-кая, А. А. Гречкин // Вагонный парк. - 2011. -№ 9. - С. 28-29.
2. ГОСТ 32410-2013 (EN 15227 : 2008+A1 : 2010, NEQ). Межгосударственный стандарт. Крэш-системы аварийные железнодорожного подвижного состава для пассажирских перевозок. Технические требования и методы контроля. -Введ. 2014-07-01. - Москва : Стандартинформ, 2014. - 11 с.
3. ГОСТ Р 53076-2008 (EN 12663 : 2000). Рельсовый транспорт. Требования к прочности кузовов железнодорожного подвижного состава. -Введ. 2008-12-18. - Москва : Стандартинформ, 2008. - 12 с.
4. Кобищанов, В. В. Исследование безопасности эксплуатации пассажирских вагонов, оборудованных беззазорными сцепными устройствами, в поездах постоянного формирования / В. В. Кобищанов, Д. Я. Антипин // Вюн. Схвдноукраш. нац. ун-ту ш. В. Даля. - 2011. - № 4 (158). - Ч. 2. - С. 46-49.
5. Науменко, Н. Е. Моделирование аварийного соударения с преградой пассажирского поезда, оборудованного системой пассивной безопасности / Н. Е. Науменко, И. Ю. Хижа // Техн. механика. - 2014. - № 4. - С. 65-74.
6. Науменко, Н. Е. Оценка влияния работы устройств системы пассивной безопасности пассажирского локомотива на его динамическую нагруженность при аварийном столкновении с препятствием на железной дороге / Н. Е. Нау-менко, И. Ю. Хижа // Наука та прогрес трансп. Вюн. Дншропетр. нац. ун-ту зал1зн. трансп. -2013. - № 1 (43). - С. 154-161. doi: 10.15802-/stp2013/9585.
7. Соболевская, М. Б. Основные положения концепции пассивной защиты скоростного пассажирского поезда при аварийных столкновениях / М. Б. Соболевская, С. А. Сирота // Техн. механика. - 2015. - № 1. - С. 84-96.
8. EN 15227. Railway applications - Crashworth-mess requirements for railway vehicle bodies. -
6'
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нащонального ушверситету залiзничного транспорту, 2015, № 4 (58)
РУХОМИЙ СКЛАД I ТЯГА ПО1ЗДЮ
Brussel : European committee for standardization, 2008. - 37 p. doi: 10.3403/30133941.
9. EN 12663-1:2010. Railway applications - Structural requirements of railway vehicle bodies. -Brussel : European committee for standardization, 2010. - 18 p.
10. Llana, P. Preliminary development of locomotive crashworthy components / P. Llana, R. String-fellow // Proc. of the ASME/ASCE/IEEE. 2011 Joint Rail Conf. (16.03-18.03.2011). - Pueblo, Colorado, USA, 2011. - P. 11-20. doi: 10.1115-/jrc2011-56104.
11. Llana, P. Preliminary finite element analysis of locomotive crashworthy components / P. Llana,
Н. Ю. НАУМЕНКО1, I. Ю. ХИЖА2*
'Ввд. «Динатка багатовитрних механiчних систем», 1нститут техшчио! мехашки НАН Украши i ДКА Украгни, вул. Лешко-Попеля, 15, Дшпропетровськ, Укра1на, 49005, тел. +38 (056) 375 68 01, ел. пошта [email protected], ORCID 0000-0002-6913-2568
2*Вщ. «Дииамжа багатовимiрних механiчних систем», 1нститут техшчио! механiки НАН Укра1ни i ДКА Укра1ни,
вул. Лешко-Попеля, 15, Дшпропетровськ, Укра1на, 49005, тел. +38 (056) 46 79 35, ел. пошта [email protected], ORCID
0000-0002-7103-7754
МОДЕЛЮВАННЯ ВЗАеМОДП ЕК1ПАЖ1В ПАСАЖИРСЬКОГО ПО1ЗДА, ОБЛАДНАНОГО СИСТЕМОЮ ПАСИВНО1 БЕЗПЕКИ, ПРИ АВАР1ЙНОМУ З1ТКНЕНН1 З ПЕРЕШКОДОЮ
Мета. Розвиток високошвидшсного руху на залiзничному транспортi вимагае поновлення вимог до конструкцп пасажирського рухомого складу та перегляду стандарпв безпеки при аваршних зiткненнях поiздiв iз перешкодою. До конструкцп ешпажв нового поколiння висуваються вимоги щодо обладнання !х пасивними креш-системами, що забезпечують безпеку пасаж^в та персоналу в аварiйнiй ситуацп. Випробування креш-систем пасажирського рухомого складу е тривалими в часi та вимагають значних матерiальних витрат. 1з метою вiдпрацювання тестових сценарiiв зггкнення рухомого складу з перешкодою та оцшки показникiв поглинання енергii згткнения пристроями пасивного захисту в робот застосовуеться комп'ютерне моделювання. Першим етапом проведения дослiджень динамiчних процесiв, що виникають у поiздi при наднормативних ударних наваитажениях, е оцiнка максимальних значень стискальних сил у мiжвагонних з'еднаниях по!зда, локомотив та вагони якого обладнано системами пасивно! безпеки. Методика. На пiдставi концепцii щодо пасивного захисту пасажирського рухомого складу для коли iз шириною 1 520 мм при аваршних згткнениях запропонована концептуальна система пасивно! безпеки для пасажирських поiздiв локомотивно! тяги, сформованих iз екiпажiв нового поколшня. Системою пасивноi безпеки рекомендуеться обладнувати як локомотив, так i вагони. Для попередньо! оцiнки виконаиия вимог до системи пасивно! безпеки пасажирського поезда при аварiйних зiткиеннях, як правило, використовуеться спрощена дискретно-масова модель, в якш по!зд розглядаеться як одномiрний ланцюжок твердих тiл, з'еднаних iстотно нелiнiйними елементами, що деформуються. Результата. Розроблено алгоритм обчисления зусиль у мiжвагонних з'еднаниях по!зда локомотивно! тяги постшного формувания, який враховуе специфшу роботи зчiпних пристро!в, пристро1в поглинання енергii та пружиопластичнi властивосп конструкцiй кузовiв екiпажiв при аваршних згткнениях. Наукова новизна. Запропонований алгоритм дозволяе врахувати особливостi формуваиия по!зда локомотивно! тяги нового поколiния та роботи мiжвагонного з'еднания при дослщженш динамiчних процесiв, що мають мюце в поiздi при його аваршному зiткиеннi з перешкодою на залiзничнiй колii. Практична значимiсть. Розробленi алгоритми обчисления зусиль взаемодii екiпажiв пасажирського пойда локомотивно1 тяги, обладнаиих системами ^сивно! безпеки, можуть бути використаш при математичному моделюваинi тестових сценарив зiткиення еталонного по!зда з перешкодою для вщпрацювання системи пасивно! безпеки на еташ проектувания пасажирського рухомого складу нового поколшня.
R. Stringfellow, R. Mayville // Proc. of the ASME/IEEE 2013 Joint Rail Conf. (15.04-18.04. 2013). - Knoxville, TN, USA, 2013. - P. 1-11. doi:10.1115/jrc2013-2546.
12. Locomotive Crashworthiness Requirements : AAR S-580 Standard. - Washington : Association of American Railroads, 2008. - 44 p.
13. Modelling and analysis of the crush zone of a typical Australian passenger train / Y. Q. Sun, C. Cole, M. Dhanasekar, D. P. Thambiratnam // Vehicle System Dynamics : Intern. J. of Vehicle Mechanics and Mobility. - 2012. - Vol. 50, № 7. - P. 1137-1155. doi: 10.1080/00423114.2012.656658.
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету затзничного транспорту, 2015, № 4 (58)
Ключовi слова: система пасивно! безпеки; пасажирський по!зд; локомотивна тяга; постшне формування; тестов1 сценари; аваршш зггкнення по!зда з перешкодою
N. YE. NAUMENKO1, I. YU. KHYZHA2*
1Dep. «Dynamics of Multidimensional Mechanical Systems», Institute of Technical Mechanics of NAS Ukraine and SSA Ukraine, Leshko-Popel St., 15, Dnipropetrovsk, Ukraine, 49005, tel. +38 (056) 375 68 01, e-mail [email protected], ORCID 0000-0002-6913-2568
2*Dep. «Dynamics of Multidimensional Mechanical Systems», Institute of Technical Mechanics of NAS Ukraine and SSA Ukraine, Leshko-Popel St., 15, Dnipropetrovsk, Ukraine, 49005, tel. +38 (056) 46 79 35, e-mail [email protected], ORCID 0000-0002-7103-7754
MODELING OF INTERACTION OF THE PASSENGER TRAIN VEHICLES, EQUIPPED BY PASSIVE SAFETY, AT ACCIDENTAL COLLISION WITH OBSTACLE
Purpose. The development of high-speed railway traffic requires the updating of requirements for the design of passenger rolling stock and revision of safety standards on emergency situation of trains with an obstacle. To the construction crews of the new generation demands by equipping them with passive crash systems, ensuring the safety of passengers and personnel in an emergency situation. In order to refine test scenarios train collision with an obstacle and evaluation indicators of energy absorption of the collision of the passive protection devices which are used in computer modeling. The first step in the research of dynamic processes in the train when excessive shock effects, is to assess the maximum values of the compressive forces generated in intercar compound trains, locomotive and cars which are equipped with passive safety systems. Methodology. Based on the concept of passive protection of passenger rolling stock for track with width of 1 520 mm on emergency situation the conceptual passive safety system for passenger trains with locomotive traction are formed from the crews of the new generation was proposed. The passive safety system is recommended to be equipped both the locomotive and cars. For a preliminary assessment of compliance for the passive safety system of a passenger train on emergency situation, as a rule, the simplified discrete-mass model is used, in which the train is considered as one-dimensional chain of rigid bodies connected by nonlinear deformable elements. Findings. The algorithm for computing efforts in the interconnections of the train locomotive traction of the permanent formation is developed, taking into account the specifics of work of coupling devices, devices, energy absorption and elastic-plastic properties of the body structure of crews at emergency situation. Originality. The proposed algorithm allows taking into account the peculiarities of train locomotives of the new generation and the work of the inter-connections in the study of dynamic processes in train in case of emergency situation with an obstacle on the railway track. Practical value. Developed algorithms for computing the efforts of the interaction of the crews of passenger trains with locomotive traction, equipped with passive safety systems that can be used in mathematical modeling of test reference collision scenarios of trains with obstacles for improvement of passive safety systems in the design phase of the passenger rolling stock of new generation.
Keywords: passive safety system; passenger train; locomotive traction; permanent formation; test scenarios; emergency train collision with an obstacle
REFERENCES
1. Skorokhod S.A., Stoletov S.A., Bosetskaya D.O., Grechkin A.A. Analiz primeneniya avtostsepnogo ustroystva BSU-3 na passazhirskom podvizhnom sostave [Analysis of the use of automatic coupling device BSU-3 on passenger rolling stock]. Vagonnyy park - Car fleet, 2011, no. 9, pp. 28-29.
2. GOST 32410-2013 (EN 15227:2008+A1:2010, NEQ). Mezhgosudarstvennyy standart. Kresh-sistemy avariynye zheleznodorozhnogo podvizhnogo sostava dlya passazhirskikh perevozok. Tekhnicheskiye trebovaniya i metody kontrolya. [State standart 32410-2013 (EN 15227:2008+A1:2010, NEQ). Interstate standard. A crash system of railway rolling stock for passenger transport. Technical requirements and methods of control]. Moscow, Standartinform Publ., 2014. 11 p.
3. GOST R 53076-2008 (YeN 12663:2000). Relsovyy transport. Trebovaniya k prochnosti kuzovov zheleznodorozhnogo podvizhnogo sostava [State standart R 53076-2008 (EN 12663:2000). Rail transport. The requirements for the strength of the body of railway rolling stock.]. Moscow, Standartinform Publ., 2008. 12 p.
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нащонального ушверситету залiзничного транспорту, 2015, № 4 (58)
4. Kobishchanov V.V., Antipin D.Ya. Issledovaniye bezopasnosti ekspluatatsii passazhirskikh vagonov, oborudovannykh bezzazornymi stsepnymi ustroystvami, v poyezdakh postoyannogo formirovaniya [A study of the safe operation of passenger cars equipped with no-backlash couplings, in trains of permanent formation]. Visnyk Skhidnoukrainskoho natsionalnoho universytetu imeni V. Dalia [Bulletin of the East Ukrainian National University named after V. Dahl], 2011, no. 4 (158), part 2, pp. 46-49.
5. Naumenko N.Ye., Khizha I.Yu. Modelirovaniye avariynogo soudareniya s pregradoy passazhirskogo poezda, oborudovannogo sistemoy passivnoy bezopasnosti [Modeling of accidental collision with an obstacle passenger trains equipped with passive safety systems]. Tekhnicheskaya mekhanika - Technical Mechanics, 2014, no. 4, pp. 65-74.
6. Naumenko N.Ye., Khizha I.Yu. Otsenka vliyaniya raboty ustroystv sistemy passivnoy bezopasnosti passazhirskogo lokomotiva na ego dinamicheskuyu nagruzhennost pri avariynom stolknovenii s prepyatstviHem na zheleznoy doroge [Influence assessment of the passive restraint system devices of the passenger locomotive on its dynamic loading during accidenton the railroad]. Nauka ta prohres transportu. Visnyk Dnipropetrovskoho natsionalnoho universytetu zaliznychnoho transportu - Science and Transport Progress. Bulletin of Dni-propetrovsk National University of Railway Transport], 2013, no. 1 (43), pp. 154-161. doi: 10.15802/stp2013/9585.
7. Sobolevskaya M.B., Sirota S.A. Osnovnyye polozheniya kontseptsii passivnoy zashchity skorostnogo passazhirskogo poyezda pri avariynykh stolknoveniyakh [The basic concept of passive protection of highspeed passenger trains on accidental collisions]. Tekhnicheskaya mekhanika - Technical Mechanics, 2015, no.
1, pp. 84-96.
8. EN 15227. Railway applications - Crashworthmess requirements for railway vehicle bodies. Brussel, European committee for standardization Publ., 2008. 37 p.
9. EN 12663-1:2010. Railway applications - Structural requirements of railway vehicle bodies. Brussel, European committee for standardization Publ., 2010. 18 p.
10. Locomotive Crashworthiness Requirements: AAR S-580 Standard. Washington, Association of American Railroads Publ., 2008. 44 р.
11. Llana P., Stringfellow R. Preliminary development of locomotive crashworthy components. Proc. of the ASME/ASCE/IEEE. 2011 Joint Rail Conference (16.03-18.03. 2011). Pueblo, Colorado, USA, 2011, pp. 1120. doi: 10.1115/jrc2011-56104.
12. Llana P., Stringfellow R., Mayville R. Preliminary finite element analysis of locomotive crashworthy components. Proc. of the ASME/IEEE. 2013 Joint Rail Conf (15.04.-18.04. 2013). Knoxville, TN, USA, 2013, pp. 1-11. doi: 10.1115/jrc2013-2546.
13. Sun Y. Q., Cole C., Dhanasekar M., Thambiratnam D.P. Modelling and analysis of the crush zone of a typical Australian passenger train. Vehicle System Dynamics: Intern. Journal of Vehicle Mechanics and Mobility, 2012, vol. 50, no. 7, pp. 1137-1155. doi:10.1080/00423114.2012.656658.
Статья рекомендована к публикации д.т.н., ст.науч.сотр. Н. А. Радченко (Украина);.д.т.н.,
проф.С. В. Мямлиным (Украина)
Поступила в редколлегию 12.03.2015
Принята к печати 28.07.2015
