Пассивная защита кузовов электроподвижного состава при аварийных ситуациях тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.22.07, кандидат технических наук Журавлев, Николай Михайлович

• Журавлев, Николай Михайлович
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Журавлев, Николай Михайлович

Введение

1. Анализ работ по применению на подвижном составе устройств безопасности для защиты при лобовых столкновениях и с препятствием на пути.

1.1. Скоростной подвижной состав.

1.2. Подвижной состав со скоростями движения до 160 км/ч.

1.3. Анализ нормативных документов и требований, предъявляемых к устройствам безопасности.

1.4. Принципы построения устройств безопасности

2. Методы, применяемые при разработке защитных устройств подвижного состава.

2.1. Экспериментальные методы.

2.2. Аналитические методы моделирования.

2.3. Компьютерные методы моделирования процессов удара и разрушения.

2.4. Методика решения задач удара и разрушения с помощью моделирующих программ.

2.4.1. Принципы моделирования ударных взаимодействий.

2.4.2. Характеристики материалов и их модели.

2.4.3. Оценка адекватности моделей используемых материалов.

3. Анализ принципов построения устройств пассивной безопасности.

3.1. Исследование поглощающей способности аппаратов автосцепок.

3.2. Исследование поглощающей способности конструкций кузовов.

3.2.1. Исследование поглощающей способности головного вагона

3.2.2. Исследование продольной прочности рамы головного вагона 118 3.3.Исследование поглощающей способности специальных методов конструирования головной части ЭПС.

3.4. Исследование поглощающей способности различных конструкций буферных устройств.

3.4.1. Исследование упругого буферного устройства

3.4.2. Исследование деформируемого блока со средним уровнем поглощения энергии

3.4.3. Исследование сотового деформируемого блока

3.4.4. Исследование устройства против «налезания»

4. Разработка методики построения устройств безопасности для защиты при лобовых и боковых столкновениях с препятствием на пути.

4.1. Исследование характеристик устройств безопасности при столкновениях с препятствиями на пути для пригородного моторвагонного подвижного состава.

4.2. Исследование характеристик устройств безопасности при столкновениях с препятствиями на пути для скоростного моторвагонного подвижного состава.

4.3. Обоснование расчётных режимов, отражающих реальные ситуации на участках ж.д. при эксплуатации подвижного состава.

4.4. Разработка требований к устройствам поглощения в зависимости от категории электроподвижного состава.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Пассивная защита кузовов электроподвижного состава при аварийных ситуациях»

Столкновения поездов друг с другом или с путевыми тупиковыми упорами могут иметь тяжелые последствия, как для подвижного состава, так и для пассажиров. Между тем в течение всего времени существования железных дорог подвижной состав конструировали в основном с учетом эксплуатационных нагрузок и с целью, главным образом, обеспечить сохранность грузов, что противоречило необходимости снижения динамических нагрузок на тех, кто находится внутри подвижного состава. Несчастные случаи на железных дорогах, произошедшие в последнее время, стали причиной серьезных сомнений в приемлемости прежних критериев проектирования подвижного состава.

Обзор литературы указывает на непосредственную зависимость железнодорожных крушений и аварий от состояния производственной базы и качества перевозочного процесса. Общие причины происшествий на железнодорожном транспорте многообразны и связаны прежде всего с естественным физическим износом технических средств и нарушением правил их эксплуатации, а в ряде случаев - и с некоторыми неизбежными факторами урбанизации и научно-технической революции, усложнением технологий, увеличением численности, мощности и скорости транспортных средств, ростом плотности населения вблизи железнодорожных объектов и несоблюдением населением правил личной безопасности.

До недавнего времени железные дороги считались наиболее безопасным видом транспорта. Однако в последнее время уровень его безопасности постоянно снижается. Статические данные последних лет свидетельствуют о значительном числе пострадавших и погибших в результате крушений пассажирских поездов. Аварийные ситуации при перевозке по железным дорогам опасных и особо опасных грузов приводят к значительным разрушениям, заражению местности и поражению токсичными веществами больших масс людей. При ликвидации последствий таких инцидентов помимо организации медицинской помощи пострадавшим необходимо проведение комплекса природоохранных мер.

Приведенные примеры наиболее крупных и различных по характеру крушений и аварий на железных дорогах за период с 1988 г. свидетельствуют о больших масштабах и тяжести нанесенного ими ущерба.

• Июнь 1988 г., станция Арзамас-1: взрыв трех вагонов с промышленными взрывчатыми веществами. Погиб 91 чел., ранены 840, 2000 чел. лишились жилья. Одна из версий причины - утечка газа в газопроводе под железнодорожными путями.

• Август 1988 г., в 20 км от станции Бологое Октябрьской дороги: крушение скоростного пассажирского поезда "Аврора" (сход вагонов с возникновением пожара). Погиб 31 чел., ранены около 180.

• Октябрь 1988 г., станция Свердловск-Сортировочный: взрыв вагона с промышленным взрывчатым веществом. Погибли 4 чел., ранены 500. Причинен значительный материальный ущерб, разрушены промышленные и жилые здания (потери на сумму более 100 млн. руб.). Одной из основных причин происшествия явилось несоответствие международным требованиям упаковки и условий транспортировки особо опасных грузов.

• Июль 1989 г., участок между Челябинском и Уфой: взрыв конденсата газа с возникновением пожара на продуктопроводе вблизи железнодорожного полотна во время прохождения двух пассажирских поездов. Погибли около 340 чел., госпитализированы более 800, из них 115 детей (97 чел. в тяжелом состоянии).

• Август 1994 г., перегон между станциями Уразово и Тополи Юго-Восточной дороги: столкновение пассажирского поезда с грузовым. Погибли 20 чел., ранены 52.

• Май 1996 г., станция Литвинове Западно-Сибирской дороги: столкновение электропоезда с грузовым. Погибли 17 чел., ранены более 100.

• Май 1996 г., станция Мыслец Горьковской дороги: авария грузового поезда с опрокидыванием 23 вагонов-цистерн, разливом фенола и дизельного топлива с возгоранием последнего. Более 100 чел. получили отравление фенолом легкой и средней степени тяжести. Фенолом и дизельным топливом загрязнены почва и водоемы на значительном расстоянии от места происшествия. Причинен значительный материальный ущерб, в основном за счет проведения большого комплекса природоохранных мероприятий.

• Октябрь 1996 г., Северо-Кавказская дорога: наезд на автобус с детьми. Погибли 22 школьника, более 50 пострадали.

Это далеко не полный перечень трагических событий на железных дорогах. О тяжести последствий ЧС на железнодорожном транспорте за 1991 - 1997 гг. свидетельствуют и такие обобщенные данные:

• произошло 566 крушений и аварий, из них 243 с пассажирскими поездами; пострадали 2600 чел., из них около 1000 госпитализированы (в больницах умерли 75 чел.), остальным была оказана амбулаторная помощь;

• число погибших на месте происшествия при наиболее крупных катастрофах достигало 23 %, а в отдельных случаях и более.

• железнодорожный транспорт понес значительный материальный ущерб: разбиты и повреждены 4268 вагонов, 68 локомотивов и других технических средств.

Этот недостаток нельзя устранить сразу. Однако можно добиться повышения уровня безопасности пассажиров в поездах, используя новый подход к конструированию подвижного состава будущего, предусматривающий наличие в его конструкции устройств снижения динамических нагрузок при соударениях, включая деформируемые конструктивные элементы в торцах подвижного состава. Обеспечение безопасности пассажиров является одним из важных требований, которое предъявляется к конструкциям пассажирского подвижного состава.

Актуальность проблемы.

В настоящее время существует единственный нормативный документ, содержащий минимальные требования к устройству защиты от столкновения нового моторвагонного подвижного состава с препятствием на пути («Технические требования МПС РФ для моторвагонного подвижного состава» от 06.03.2003.) В этом документе указывается только о применении в конструкции электропоездов поглощающих аппаратов автосцепки энергоёмкостью 20 кДж и аварийных устройств энергоёмкостью 750 кДж (для головного вагона).

Анализ аварийных ситуаций при эксплуатации подвижного состава показал, что выполнение этих требований недостаточно для защиты пассажиров и локомотивной бригады.

В последнее время техническая база электронных устройств безопасности движения претерпела глубокую модернизацию, но аварийные ситуации продолжают происходить.

Для успешного повышения скоростей движения поездов на железных дорогах при увеличении пассажиропотока необходимы нормативные требования, выполнение которых обеспечивает безопасность пассажиров и локомотивной бригады при аварийных ситуациях, а также рекомендации по проектированию систем пассивной защиты.

Цель работы.

Повышение безопасности пассажиров и локомотивной бригады при аварийных столкновениях электропоездов за счёт устройства систем пассивной защиты головного вагона.

Для достижения поставленной цели автор решает следующие задачи: разработка методики моделирования ударных процессов в конструкциях кузовов электропоездов при их столкновениях; формирование расчётных сценариев для моделирования аварийных ситуаций при столкновении подвижного состава с препятствием на пути в условиях эксплуатации;

- исследование прочности и энергоёмкости конструкций кузовов электропоездов при ударных нагрузках с учётом нелинейных характеристик материалов при их пластических деформациях;

- разработка схем защиты головных вагонов электропоездов со скоростями движения до 160 км/ч и свыше;

- выбор рациональных параметров элементов схем пассивной защиты от столкновения для электропоездов;

- разработка требований по пассивной безопасности электропоездов, эксплуатирующихся на территории Российской Федерации.

Методика исследования.

Для анализа ударных процессов и напряжённо-деформированного состояния при упругой и упруго-пластической деформации конструкций кузовов электропоездов применено компьютерное моделирование с использованием программных комплексов MSC.Dytran, MSC.Nastran, реализующих метод конечных элементов (МКЭ). Для решения частных задач использовались методы теоретической механики и сопротивления материалов.

При выборе моделируемых режимов учитывались требования ГОСТ, ИСО, нормативно-технических и инструктивно-распорядительных документов ОАО «РЖД» (Указания, Инструкции, Правила, и т.п.).

Адекватность разработанных моделей подтверждалась по характеристикам применяемых при моделировании материалов и сравнением характера моделируемых разрушений конструкций с разрушениями ,получаемыми при аварийных столкновениях в условиях эксплуатации.

Научная новизна состоит в разработке:

- математической модели ударных процессов, возникающих из-за столкновения вагонов электропоездов с препятствиями, с учётом поглощения энергии защитными устройствами при работе материалов в области пластических деформаций;

- методики проектирования систем пассивной безопасности для разных типов электропоездов.

Практическая значимость.

Разработанные методы исследований и полученные результаты могут найти применение:

1. В нормативно-технических и распорядительных документах МПС в виде требований по пассивной безопасности к электропоездам со скоростями движения до 160 км/ч и свыше 160 км/ч.

2. В типовых методиках испытаний подвижного состава системы сертификации, технических регламентов по сертификации на федеральном железнодорожном транспорте, в требованиях к составным частям и агрегатам электроподвижного состава по воспринимаемым нагрузкам, величине деформации, необходимой энергоёмкости и методам их расчёта.

3. В Нормах для проектирования, расчётов и оценки прочности вагонов электропоездов.

4. При создании конструкций новых электропоездов со скоростями движения до 160 км/ч и свыше 160 км/ч.

Структура и объём работы.

Диссертация состоит из введения, четырёх разделов, заключения и списка литературы.

Заключение диссертации по теме «Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация», Журавлев, Николай Михайлович

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Проведен анализ отечественных нормативных документов, устанавливающих нормы пассивной безопасности моторвагонного электроподвижного состава, который показал, что требование об устройстве пассивной защиты с энергоёмкостью 750кДж [49] в головной части первого вагона недостаточно для обеспечения безопасности пассажиров и локомотивной бригады.

2.Разработаны сценарии, которые отражают наиболее часто встречающиеся в практике эксплуатации железных дорог аварийные ситуации, связанные как со столкновениями самого электроподвижного состава, так и с препятствием на пути.

3.Определены для каждого из сценариев требуемые уровни поглощаемых энергий и средние величины деформаций (ход) защитных устройств, удовлетворяющие критериям безопасности пассажиров и локомотивной бригады.

4.Выполнена классификация по конструктивному признаку известных и применяемых устройств пассивной защиты и определены наиболее простые конструкции для применения на отечественном подвижном составе.

5.Разработаны принципы построения защиты от столкновений головного вагона электропоезда со скоростями до 160 км/ч и свыше в зависимости от конструкции применяемых модулей поглощения энергии. Расчётным путём подтверждена эффективность применения схем пассивной защиты:

-двухуровневой схемы защиты для электропоездов со скоростями движения до 160 км/ч (1 уровень - поглощающий аппарат автосцепки; 2 уровень - деформируемые блоки со средним уровнем поглощения энергии, а так же упругие буферные устройства и устройства против «налезания» головных вагонов друг на друга),

- трёхуровневой системы защиты для высокоскоростных электропоездов (1 уровень - поглощающий аппарат автосцепки; 2 уровень - сотовые деформируемые буферные блоки с высоким уровнем поглощения энергии; 3 уровень - комбинация интегрированных в конструкцию ЭПС модульных деформируемых и недеформируемых вставок).

6. Разработана методика моделирования ударных процессов при столкновении электропоездов с применением программного комплекса MSC.Patran-Dytran.

7.Исследованы принципы построения внешних коробчатых и сотовых модульных блоков поглощения энергии и определены их рациональные размеры и параметры при удовлетворении принятым критериям. Расчётным путём установлено, что

- в качестве внешнего коробчатого буферного блока целесообразно использовать пустотелый коробчатый блок с внутренними диафрагмами, наклоном боковых стенок 8° и толщиной стенок 5,5 мм из стали 09Г2С,

- в качестве сотового блока - алюминиевый деформируемый сотовый блок с высоким уровнем поглощения энергии, рабочими элементами коробчатого сечения, толщиной листов 2,8 мм и промежуточными стальными полками.

8.Исследованы принципы построения интегрированных в конструкцию головного вагона электропоезда устройств пассивной защиты -деформируемых вставок. Определены предельные величины их энергоёмкости

9. Сформулированы общие требования к пассивной защите головных вагонов электропоездов:

- обеспечение в зоне пассажирского салона ускорений замедления в пределах 5g;

- применение поглощающих аппаратов автосцепки головных вагонов с классом энергоёмкости ТЗ и энергоёмкостью не менее 180 кДж.

Для электропоездов с конструкционной скоростью до 160 км/ч:

- отсутствие деформаций несущей конструкции вагона (рамы, каркаса);

- применение двухуровневой системы защиты, состоящей из упругих буферов и двух деформируемых буферных устройств с суммарной энергоёмкостью не менее 1,32 МДж.

Для высокоскоростных электропоездов (с конструкционной скоростью свыше 160 км/ч) при разработанных сценариях столкновения:

- применение трёхуровневой системы защиты, состоящей из сотовых деформируемых буферов энергоёмкостью не менее 3,5 МДж и зон пластической деформации с энергоёмкостью 12,3 МДж (в головной части не менее 7,1 МДж);

- использовать в качестве деформируемых зон пассажирские тамбура первого и второго вагонов, а так же часть кабины с условием сохранения не менее 750 мм живого пространства для локомотивной бригады;

- создание недеформируемой зоны для укрытия и эвакуации локомотивной бригады в служебном тамбуре;

- отсутствие деформаций вагона (рамы, каркаса) в зонах пассажирского салона и укрытия локомотивной бригады.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Журавлев, Николай Михайлович, 2006 год

1. Безухов Н.Н. «Основы теории упругости, пластичности и ползучести», ф М., Высшая школа, 1968 512 с.

2. Джонсон К. «Механика контактного взаимодействия», М., Мир, 1989 -510 с.

3. Пановко Я.Г. «Введение в теорию механического удара», Гл. ред. физмат. литер, изд. Наука, М., 1977 224 с.

4. Пановко Я.Г. «Основы прикладной теории колебаний и удара» изд. 3-е доп. и перераб. Л., Машиностроение, 1976 320 с.

5. Гольдсмит В. «Удар», Стройиздат, 1965

6. Кильчевский Н.А. «Теория соударения твёрдых тел», Наукова думка, 1969

7. Александров Е.В., Соколинский В.Б. «Прикладная теория и расчёты ударных систем», Наука, 1969

8. Кольский Г. «Волны напряжений в твёрдых телах», ИЛ, 1955

9. Рахматуллин Х.А., Демьянов Ю.А. «Прочность при интенсивных кратковременных нагрузках», Физматгиз, 1961

10. Ю.Сорокин Е.С. «Основные предпосылки расчёта соударений на импульсные нагрузки. Вопросы прикладной механики», Труды МИИТ, №260, Стройиздат, 1976 328 с.

11. П.Пальмов В.А. «Колебания упруго-пластических тел», Гл. ред. физ-мат. литер, изд. Наука, М., 1976 328 с.12.3укас Дж.А., Николас Т., Свифт Х.Ф. и др. «Динамика удара», М., Мир, 1985-296с.

12. Бленд Д. «Теория линейной вязко-упругости», Мир, 1965

13. Бук Р. «Случайное возбуждение системы с гистерезисом» Сб.переводов «Механика» №6, Мир, 1968

14. Василенко Н.В. «Влияние формы петли гистерезиса на характеристики колебательного движения», сб. «Рассеяние энергии при колебаниях упругих систем», Госиздат УССР, 1962 ф 16.Качанов JI.M. «Основы теории пластичности», Физматгиз, 1969

15. Лурье А.И. «Теория упругости», Наука, 1970

16. Месквитин В.В. «Пластичность при переменных нагружениях», изд. МГУ, 1965

17. Мэзон У. «Влияние дефектов на свойства твёрдых тел», Мир, 1969

18. Пановенко Я.Г. «Внутреннее трение при колебаниях упругих систем», Физматгиз, 1960

19. Писаренко Г.С. «Рассеяние энергии при механических колебаниях», Изд. АН УССР, 1962

20. Писаренко Г.С. «Колебания механических систем с учётом несовершенной упругости материала», Изд. АН УССР, 1970

21. Постников B.C. «Внутреннее трение в металлах», Металлургия, 1969

22. Иванов В.Н., Селиванов В.В. «Динамика разрушения деформируемого тела», М. Машиностроение, 1987 272 с.

23. Качанов JI.M. «Основы механики разрушения», М., Наука, 1974 312 с.26.«Марочник сталей и сплавов» под ред. В.Г. Сорокина, М., Машиностроение, 1989 640 с.

24. Колобанова А.Е., Селиванов В.В. «Основы динамики разрушения оболочек. Учебное пособие», М., изд. МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1996 -98 с.

25. Тимошенко С.П. «Колебания в инженерном деле», М., Наука, 1967

26. Фортов В.Е. «Ударные волны и экстремальное состояние вещества»,1. Наука, 2000-160 с.

27. Морозов Е.М. «Контекстные задачи механики разрушения», М., Машиностроение, 1999-98 с.31 .Морозов Н.Ф. «Проблемы динамики разрушения твёрдых тел», изд. С-Петерб. универ., 1997- 12 с.

28. Колесников Ю.В. «Механика контактного разрушения», Наука, 1989 -54 с.

29. Григолюк Э.И. «Нелинейное деформирование тонкостенных конструкций», М., Наука, Физматлит, 1997 25 с.

30. Рыбников Е.К. «Инженерные расчёты механических конструкций в системе MSC.Patran-Nastran», М., МИИТ, 2003

31. Ситковский И.П. «Полимерные материалы на зарубежных железных дорогах», Транспорт, 1973

32. Ситковский И.П. «Пластические массы в железнодорожном деле», М., Трансжелдориздат, 1961

33. Соломатов В.И. «Химическое сопротивление композиционных строительных материалов», М., Стройиздат, 1987

34. Соломатов В.И. «Полимерные композиционные материалы в строительстве», М., Стройиздат, 1988

35. Заславский С.В «Нагруженность кузовов полувагонов при продольных ударах». Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук, 121 стр. Щ* 49.«Моторвагонный подвижной состав. Технические требования.» от0603.2003, МПС РФ, 190 стр.

36. Арсентьев A.C., Вильнит И.В., Косарев B.A., Кравец А.Б., Самсонов Г.Б. «Создание кузовов вагонов для высокоскоростных поездов из отечественных алюминиевых полуфабрикатов». Первая международная конференция алюминий в транспорте 2005.

37. Арбузова Л.А., Лебедев В.И «Применение пеноалюминия в транспорте». Первая международная конференция алюминий в транспорте 2005.57. «Mechanical boundary characteristics for rolling stock (BP 15)» Annex A -PASSIVE SAFETY о CRASHWORTHINESS. 242 стр.

38. Руководство пользователя пакета MSC.PATRAN 2001 The CAE integration solution for engineering analysis, 2001 r.

39. Руководство пользователя пакета MSC.DYTRAN 2002 guide manual, 2001 r.

40. Дж. Коллинз «Повреждения материалов в конструкциях», Москва, Мир, 1984, 549 стр.61.«Chapter 4. Material Models and Constitutive Relations» COSMOSDesignSTAR Nonlinear Stress Analysis, 25 стр.

41. СТАНДАРТ ОТРАСЛИ OCT32.175-2001 "Аппараты поглощающие автосцепного устройства грузовых вагонов и локомотивов. Общие технические требования" от 16.07.2001 г.

42. J.F. Cyan Pelt «Netherlands' Railways-Committed, Utrecht, The Netherlands». Design of the front part of railways (in case of frontal impact), 253 стр.

43. Chen Oyan «Vehicle System Dynamics, 30 (1998)». Dynamic Simulation of Taipei EMU Train, 167 стр.

44. J. P. Dias, M. S. Pereira «IDMEC Institute de Mechanic - Institute Superior Taconic Av. Rovisco Pais, 1096. Lisboa CODEX, PORTUGAL». Analysis and design for vehicle crashworthiness, 1009 стр.

45. P. Drazetic «Int. J. Impart Entity Vol. 1ft. No. 3». One-dimensional modeling of contact impact problem in guided transport vehicle crash, 1995r., 467 стр.

46. Martin Schroeder «Rail International». Train crashworthiness validating analysis tools, June 1999.

47. Гребенюк П.Т. «Продольная динамика поезда», ВНИИЖТ, Интекст 2003, 97 стр.

48. Лазарян В.А. «Динамика вагонов», Транспорт 1964 г., 256 стр.

49. Ходж Ф.Г. «Расчёт конструкций с учётом пластических деформаций» Машгиз 1963 г., 380 стр.

50. Блохин Е.П. «Расчёт грузовых вагонов на прочность при ударах», Транспорт 1989г., 232 стр.

51. Проскуряков В.Б. «Динамика и прочность рам и корпусов транспортных машин», Машиностроение 1972 г., 232 стр.

52. Лисенков В.М. «Статическая теория безопасности движения поездов», ВИНИТИ РАН 1999 г., 332 стр.

53. Конарев Н.С. «Железнодорожный транспорт», Научное издательство «Большая Российская энциклопедия» 1994 г., 562 стр.

54. Феодосьев В.И. «Сопротивление материалов», Наука 1970 г., 544 стр.

55. Лавендел Э.Э. «Расчёт резинотехнических изделий», Машиностроение 1976 г., 232 стр.

56. Бороненко Ю.П. «Подвижной состав 21 века: Идеи, требования, проекты», Сборник научных статей, ПТУ ПС 2005 г., 240 стр.

57. Черкашин Ю.М., Гогричиани Г.В., «Железнодорожный транспорт на современном этапе развития», ВНИЖТ, Интекст 2005 г., 184 стр.

58. Черкашин Ю.М. «Исследование прочности, устойчивости, воздействия на путь и техническое обслуживние вагонов в поездах повышенных массы и длины», ВНИИЖТ, Транспорт 1992 г., 128 стр.

59. Шульга В.Я. «Путь и безопасность движения поездов», Транспорт 1994 г., 200 стр.

60. Хмелевский А. «Буфер для железнодорожных вагонов», Патент Российской Федерации №2196694, 1998 г.

61. Алямовский А.А. «SolidWorks/COSMOSWorks. Инженерный анализ методом конечных элементов», Издательство ДМК 2004 г., 432 стр.

62. Кантор И.И. «Высокоскоростные железнодорожные магистрали: трасса, подвижной состав, магнитный подвес», Маршрут 2004 г., 51 стр.