Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ исследований в области безопасности пассажирских вагонов в аварийных ситуациях 10
1.2 Обзор технических решений по обеспечению механической безопасности подвижного состава при столкновениях 19
1.3 Обзор исследований в области безопасности пассажирских вагонов
1.4 Постановка цели и задач исследования 39
ГЛАВА 2. Обоснование компьютерных моделей соударения пассажирских поездов с препятствиями 41
2.1 Требования к системам безопасности при аварийных соударениях 41
2.2 Разработка методики определения параметров устройств поглощения энергии удара пассажирских вагонов 48
2.3 Разработка конечно-элементной модели кузова пассажирского
2.4 Разработка компьютерных моделей соударения пассажирских
2.5 Обоснование компьютерных моделей соударения поездов
ГЛАВА 3. Разработка технических решений обеспечения механической безопасности пассажирских вагонов
3.1 Предварительный выбор параметров устройств поглощения энергии 84
3.2 Оценка напряженно-деформированного состояния предложенной несущей конструкции кузова пассажирского вагона 92
3.3 Разработка конструкции устройств поглощения энергии 95
3.4 Оценка динамической нагруженности кузова пассажирского вагона с установленной системой безопасности 102
ГЛАВА 4. Оценка эффективности системы безопасности пассажирских вагонов 104
4.1 Анализ травмирования пассажиров вагонов при продольных соударениях поездов с препятствиями 104
4.2 Разработка компьютерной модели антропометрического манекена 106
4.3 Методика оценки травмирования пассажиров в аварийных ситуациях 111
4.4 Верификация компьютерной модели антропометрического манекена 114
4.5 Оценка травмирования пассажиров вагонов при соударениях поездов с препятствиями в условиях расчетных сценариев столкновения 117
4.6 Оценка влияния положения тела человека на степень его травмирования при соударении 121
4.7 Оценка безопасности пассажиров вагонов, оборудованных системой безопасности, при аварийных соударениях поездов с препятствиями 126
Основные результаты и выводы 130
Список литературы 132
- Обзор исследований в области безопасности пассажирских вагонов
- Разработка конечно-элементной модели кузова пассажирского
- Оценка напряженно-деформированного состояния предложенной несущей конструкции кузова пассажирского вагона
- Верификация компьютерной модели антропометрического манекена
Обзор исследований в области безопасности пассажирских вагонов
Вопросам обеспечения безопасности движения на железнодорожном транспорте уделяется большое внимание. Постоянно совершенствуются системы управления движением поездов, системы сигнализации, централизации и блокировки, повышается качество обслуживания и ремонта подвижного состава, пересматриваются нормативные документы. Однако применение всего комплекса наиболее совершенных средств обеспечения активной безопасности не позволяет в полной мере исключить возможность аварийных ситуаций. Аварийная ситуация – состояние железнодорожной транспортной системы при движении поездов и маневровой работе, характеризующееся отклонением от состояния нормального функционирования, вызванным следующими причинами: опасные отказы технических средств железнодорожного транспорта, ошибки локомотивных бригад и другого железнодорожного персонала, недопустимые внешние воздействия, при которых появляется непосредственная угроза возникновения инцидента или транспортного происшествия либо при определенных условиях происходит инцидент или транспортное происшествие. Наиболее тяжелыми и опасными являются крушения пассажирских поездов, вызванные их продольными столкновениями с подвижным составом и препятствиями на пути (рисунок 1.1).
За последние двадцать пять лет в мире произошло большое количество столкновений поездов, характеризующихся значительным разрушением подвижного состава, травмированием и гибелью пассажиров и обслуживающего персонала, порчей инфраструктуры железнодорожного транспорта.
4 января 1990 г. близ города Суккур провинции Синд, Пакистан произошло столкновение пассажирского и грузового поездов. Вследствие неправильного переключения стрелки пассажирский поезд сообщением Мултан–Карачи оказался на пути движения грузового состава. В результате лобового столкновения первые три вагона пассажирского поезда были уничтожены, следующие два сильно повреждены. В катастрофе погибло 307 человек, более 700 получили травмы различной степени тяжести [6]. марта 1992 года в на разъезде Подсосенка (Тверская область) однопутного участка Великие Луки–Ржев Ржевского отделения Октябрьской железной дороги произошло столкновение скорого пассажирского поезда №4 сообщением Рига– Москва с грузовым поездом встречного направления. При движении пассажирского поезда в условиях густого тумана машинист применил экстренное торможение только после визуального контакта с грузовым поездом. Это привело к проезду выходного сигнала с запрещающим показанием и лобовому столкновению с вагонами грузового поезда, принимаемого на боковой путь. В результате столкновения поездов погибли обе локомотивные бригады, проводник второго вагона пассажирского поезда и 36 пассажиров, 108 человек травмированы, из них 22 с тяжелыми травмами , разбито 4 секции тепловозов, 8 вагонов грузового поезда и 4 вагона пассажирского поезда, разрушен один стрелочный перевод и 23 метра пути [7]. 24 декабря 2003 г. пассажирский поезд №7 сообщением Владивосток– Новосибирск столкнулся с грузовым автомобилем «КамАЗ», загруженным лесоматериалами. Столкновение произошло в районе станции Котик в 13 км от города Тулуна. В результате столкновения 4 пассажира погибли, 11 человек получили различные травмы, семеро из них госпитализированы в центральную районную больницу города Тулун. Всего в поезде находилось 485 пассажиров. Железная и автомобильная дороги на этом участке идут параллельно, но из-за гололеда «КамАЗ» снесло на железнодорожные пути. Водитель автомобиля пытался предупредить машинистов поезда, бежал по путям, но остановить состав и предотвратить столкновение не удалось. Сошли с рельсов 16 вагонов, 2 вагона перевернулись, еще 4 вагона опрокинулись на бок [8].
13 июля 2005 года недалеко от пакистанского города Готки произошло столкновение трех поездов. Направлявшийся из Лахора в Карачи поезд дальнего следования врезался в хвост состава, двигавшегося по маршруту Лахор–Кветта и остановившегося на станции Сархад для проведения ремонтных работ. От столкновения несколько вагонов были выброшены на соседний путь, где произошло их столкновение с пассажирским экспрессом сообщением Карачи– Равалпинди. В результате столкновения погибли 132 человека, несколько сотен людей получили ранения разной степени тяжести [9].
15 февраля 2010 г. в г. Халле (Бельгия) произошло лобовое столкновение двух пассажирских поездов (рисунок 1.2). Авария произошла в условиях сильного снегопада и плохой видимости. Пути были сильно заснежены, что не позволило машинистам снизить скорость перед столкновением. Удар был такой силы, что вагоны повредили линии электропередач над железнодорожными путями. Передние вагоны поездов легли друг на друга, один вагон упал на бок, еще несколько сошли с рельсов. Причиной аварии стало проследование одного из поездов запрещающего показания светофора. В результате столкновения погибло 18 человек, более 170 человек получили ранения различной степени тяжести [10].
Разработка конечно-элементной модели кузова пассажирского
Соударения поездов с препятствиями на железнодорожном пути могут носить тяжелый характер, как для подвижного состава, так и для пассажиров и членов поездных бригад. До настоящего времени при проектировании подвижного состава основное внимание уделялось прочности несущих конструкций вагонов и локомотивов, способных выдерживать эксплуатационные нагрузки. Однако последствия аварий и катастроф последних лет, произошедших на железных дорогах мира, показали необходимость учета нагрузок, воздействующих на пассажиров. Анализ мирового опыта в области обеспечения безопасности пассажирских вагонов в аварийных ситуациях показал, что наиболее эффективным способом минимизации последствий столкновений и снижения вероятности и тяжести травмирования пассажиров и обслуживающего персонала является включение в конструкцию вагонов систем пассивной (конструкционной) безопасности. Пассивная безопасность (одна из разновидностей механической безопасности транспортных средств) – это совокупность конструктивных и эксплуатационных свойств транспортного средства, направленных на снижение тяжести последствий аварийной ситуации без участия человека. Большинство систем пассивной безопасности срабатывают при продольных соударениях транспортных средств, что объясняет их широкое применение при проектировании современного подвижного состава повышенной безопасности при столкновениях [18].
Положительный эффект достигается за счет поглощения кинетической энергии соударения при контролируемой деформации специальных жертвенных элементов или зон [19].
Впервые в 50-х годах XX в. возможность использования деформации для обеспечения безопасности перевозок выявили ученые, занимающиеся разработками в области конструкционной безопасности автомобильных транспортных средств. Они предложили создать зону деформации – незанятое пассажирами место автомобиля, – которое разрушается при столкновении. Ее функция – поглощать кинетическую энергию соударения за счет собственного деформирования, препятствуя последующим разрушениям, которые она может причинить. В 80-90 гг. XX в. зона деформации была признана способной решить проблему продольных столкновений пассажирских поездов и сделать железные дороги более безопасными.
В настоящее время зоны деформации широко применяются на пассажирских вагонах европейских железных дорог. Это позволяет повысить безопасность пассажиров и обслуживающего персонала поезда при высоких скоростях столкновения. Эффективное гашение кинетической энергии при высоких скоростях соударения возможно лишь при применении многоступенчатых систем пассивной безопасности. В аварийной ситуации устройства для поглощения энергии должны быть задействованы в следующей последовательности [2]:
Поглощающие аппараты, как элементы первой ступени крэш-систем, обеспечивают гашение части энергии удара, уменьшают продольные растягивающие и сжимающие усилия, которые передаются через автосцепку на раму кузова [20]. Принцип действия поглощающих аппаратов основан на возникновении сил сопротивления и превращении части энергии удара в другие виды энергии. С 1969 г. все пассажирские вагоны оборудуются резинометаллическими поглощающими аппарата Р-2П (рисунок 1.10 а) и Р-5П (рисунок 1.10 б), имеющими преимущества перед пружинно-фрикционными: высокая удельная энергоемкость и малая плотность резины; высокая шумо- и вибропоглощающая способность, что повышает комфортность перевозки пассажиров и др.
В условиях постоянного роста скоростей движения поездов английской фирмой ADPO Couplers создан современный газо-гидравлический поглощающий аппарат для пассажирских вагонов, особенностью которого является повышенная энергоемкость за счет применения в конструкции сотового деформируемого элемента, поглощающего энергию удара на скоростях до 15 км/ч. Характеристики поглощающих аппаратов пассажирских вагонов приведены в таблице 1.1. Из таблицы 1.1 видно, что при скоростях соударения 3,0 … 4,2 м/с поглощающие аппараты полностью закрываются, что приводит к жесткой передаче продольных усилий через автосцепку на раму вагона. В связи с этим поглощающие аппараты эффективно гасят энергию при малых скоростях соударения и маневровых операциях, поэтому их применяют как устройства крэш-систем первой ступени.
Оценка напряженно-деформированного состояния предложенной несущей конструкции кузова пассажирского вагона
Включение в твердотельную модель поезда упругой модели кузова вагона осуществляется с помощью модуля моделирования упругих тел UMFEM [33]. Модуль позволяет включать в состав модели механической системы упругие тела, совершающие произвольные пространственные перемещения. При этом рассматриваются малые упругие перемещения за счет деформаций, которые могут быть адекватно описаны в системе координат, связанной с телом методом конечных элементов, использующим геометрически линейную теорию. Такой подход позволяет уточнить результаты твердотельного моделирования.
Математическая модель упругого тела строится с использованием комплекса следующих методов:
При формировании гибридной модели упругие тела рассматриваются как отдельные подсистемы, что позволяет при создании модели железнодорожного экипажа воспользоваться принципами сборки твердотельной расчетной схемы. Упругие свойства тела описываются методом конечных элементов. Малые упругие перемещения представляются в виде суммы допустимых форм упругого тела. Матрица масс упругой подсистемы формируется на основе разнесения массы упругого тела по узлам конечно-элементной сетки. При моделировании движения вагона рассматриваются собственные формы, соответствующие низшим собственным частотам. Используемая методика позволяет однозначно описать положение каждого узла модели упругого кузова в каждый момент времени, что позволяет определять напряжения в элементах упругой модели кузова [33].
Верификация разработанных компьютерных моделей пассажирских вагонов выполнена путем сопоставления данных натурных испытаний на соударение, проведенных ЗАО НО «Тверской институт вагоностроения», с результатами расчетов [126].
При испытании в соответствии с РД 24.050.37.95 проводилось соударение вагона-бойка с исследуемым пассажирским вагоном, стоящим с подпором массой 300 т. Масса вагона-бойка соответствует массе исследуемого вагона. Скорость соударения принята равной 10 км/ч. Для сопоставления проведено моделирование указанных условий испытаний. Результаты численного моделирования представлены в виде графиков изменений усилий на хребтовой балке вагона в зоне установки задних упоров от времени соударения (рисунок 2.28). t,
График зависимости продольного усилия в зоне установки задних упоров автосцепки от времени соударения На рисунке 2.28 сплошной утолщенной линией с маркерами показаны результаты, полученные при натурных испытаниях, сплошной тонкой – результаты моделирования с использованием упрощенной твердотельной модели вагона. Штрихпунктирная линия соответствует результатам моделирования с использованием уточненной твердотельной модели вагона, пунктирная – результатам моделирования с использованием гибридной модели вагона. Как видно из рисунка, усилия, полученные с использованием упрощенной твердотельной модели, являются наибольшими и отличаются от экспериментальных на 28%. Результаты, полученные с использованием уточненной твердотельной модели вагона, отличаются от экспериментальных не более чем на 17%. Расхождение между результатами натурных экспериментов и численного моделирования с использованием гибридной компьютерной модели вагона показывает наибольшее совпадение, при этом разница не превышает 12%. Таким образом, удовлетворительное соответствие результатов моделирования показывают уточненная твердотельная и гибридная модели пассажирского вагона.
Также проводилось сопоставление данных натурных ходовых испытаний, проведенных ЗАО НО «Тверской институт вагоностроения» на участке Санкт-Петербург – Малая Вишера [127], с результатами, полученными расчетным путем с использованием уточненной твердотельной и гибридной расчетных схем пассажирского вагона.
Рассматривалось движение вагона по прямому участку пути и в кривых в диапазоне скоростей от 20 до 160 км/ч. При моделировании движения вагона в кривых участках пути принималось минимально допустимое значении радиуса кривой для рассматриваемой скорости в соответствии с [128].
При моделировании движения использовались микронеровности пути, сгенерированные на основе методики [129, 130].
При верификации сопоставлялись вертикальные и горизонтальные ускорения кузова в пятниковой зоне нетормозного конца вагона, рамные силы и коэффициенты вертикальной динамики центральной ступени подвешивания тележки нетормозного конца вагона. Расчетные значения коэффициентов вертикальной динамики центральной ступени подвешивания тележки определялись по величинам полученных динамических прогибов рессор.
Анализ полученных при моделировании движения вагона осциллограмм временных зависимостей показателей ходовой динамики вагона осуществляется по их средним значениям с вероятностью не превышения Р=0,999, определенным в соответствии с РД 24.050.37.
Результаты сопоставления динамических показателей вагона, полученных экспериментальным и расчетным путем, представлены в виде графиков зависимостей вертикальных ускорений кузова (рисунок 2.29), горизонтальных ускорений кузова (рисунок 2.30), коэффициента вертикальной динамики (рисунок 2.31), рамных сил (рисунок 2.32) от скорости движения вагона по прямому участку пути и в кривых. На графиках точками указаны значения, полученные экспериментальным путем, линиями – при расчетах методами математического моделирования.
Верификация компьютерной модели антропометрического манекена
В мировой практике для оценки безопасности транспортных средств используются антропометрические манекены Dummy Hybrid [145], SID, BioSID [146], BioRID [147], THOR [148], которые позволяют с высокой степенью достоверности оценить уровни возможного травмирования людей в аварийных ситуациях. Данная совокупность включает манекены мужчин и женщин разных возрастов, а также манекены детей 6-ти, 3-х лет и 1-го года.
Манекен представляет собой очень сложное устройство, имеющее форму и распределение масс, аналогичные живому человеку. Он состоит из отдельных элементов, соединенных посредством шарниров, способных в точности воспроизводить поведение тела человека в условиях столкновения и проводить измерения сил, перемещений и ускорений в различных частях тела.
При создании манекенов учитываются антропометрические характеристики людей различного пола, возраста, расовой принадлежности. С учетом имеющихся данных для определения геометрических и весовых параметров элементов манекенов используются зависимости масс-инерционных характеристик от перечисленных выше признаков. Советскими учеными установлена зависимость массы частей тела человека от его роста и веса [149] тх=В0+В1-т+В2-Н, (4.1) где тх - масса одного из сегментов тела, кг; т - масса всего тела, кг; Н - длина тела, см; В0, Вh В2 - коэффициенты регрессионного уравнения, они различны для разных частей тела [149].
Различия в манекенах обусловлены статистикой, по которой выделяют несколько типов людей по габаритам и массе. Их характеристика выражается в перцентилях. Перцентиль – сотая доля объема измеренной совокупности, выраженная в процентах, которой соответствует определенное значение признака. Площадь, ограниченная кривой нормального распределения значений признака, делится на 100 равных частей, или перцентилей, каждая из которых имеет свой порядковый номер. Так, 5-я перцентиль ограничивает слева на кривой нормального распределения 5% численности людей с наименьшими значениями признака, 95-я – 5% справа, а 50-я соответствует среднему арифметическому значению признака.
Для оценки безопасности транспортных средств из семейства Dummy Hybrid III, получивших наибольшее распространение, используются три типа манекенов взрослых мужчин: 5-й, 50-й и 95-й перцентилей. Например, 5-перцентильный манекен означает, что только 5% популяции взрослых мужчин меньше, чем данный манекен. Таким образом, 50-перцентильный манекен Hybrid III 50th Percentile Male соответствует «среднестатистическому» взрослому мужчине и является самым распространенным манекеном для испытаний.
При принятых упрощающих допущениях на основе твердотельной модели антропометрического манекена Hybrid III 50th Percentile Male, полученной из открытых источников, сформирована компьютерная модель антропометрического манекена (рисунок 4.2 а), схема которого представлена на рисунке 4.2 б [151, 152]. Отличительной особенностью сформированной модели является наличие шарнира, моделирующего тазобедренный сустав.
При моделировании манекен разделялся на элементы: голова, шея, верхняя часть туловища, плечо, бедро и т.д., которые соединялись посредством шарниров в единую модель. Все элементы манекена смоделированы абсолютно твердыми телами с реальными весовыми и геометрическими характеристиками (таблица 4.1) [151].
Моделирование шарнирных соединений, имитирующих суставы человека, осуществлялось с использованием вращательных и обобщенных силовых шарниров с заданными упруго-диссипативными характеристиками [153-155]. Для точного описания кинематики движения частей тела человека в модели манекена введено ограничение поворота его элементов в соответствии с реальными возможностями суставов человека (таблица 4.2) [61, 156], а также смоделирован контакт элементов внутри модели при помощи набора специальных контактных элементов типа сфера-сфера, позволяющих ограничить проникновение частей манекена друг в друга при их взаимном перемещении.
Применяемые в мировой практике антропометрические манекены являются пассивными, поскольку не учитывают возможность активного поведения человека и реакции мышечных тканей на ударные воздействия. Учет данных факторов при моделировании является весьма трудоемкой задачей, что может привести к повышению трудоемкости подготовки модели, проведения численных экспериментов и обработки результатов. В связи с этим разработанная модель антропометрического манекена также является пассивной. Она позволяет производить анализ характера и уровней динамических воздействий на элементы манекена: линейных и угловых перемещений, скоростей и ускорений, а также контактных ударных усилий. На основе получаемых при моделировании динамических усилий, воздействующих на элементы манекена, производится оценка уровня травмирования пассажиров в аварийных ситуациях [151].
