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 поездамипострадали 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 столкновенияхформирование 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

.

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 защитыдеформируемых 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.