Разработка элементов пассивной защиты скоростных пассажирских локомотивов нового поколения при аварийных столкновениях на железных дорогах колеи 1520 мм

Abstract

При проектировании локомотива нового поколения необходимо предусмотреть наличие интегрированной в его конструкцию системы пассивной безопасности (СПБ), которая должна обеспечить защиту пассажиров и персонала поезда при наиболее вероятных аварийных столкновениях. В статье рассмотрен сценарий столкновения эталонного поезда и грузового вагона массой 80 т со скоростью 36 км/ч. Эталонный поезд состоит из локомотива, оборудованного СПБ с устройствами поглощения энергии (УПЭ), и грузового вагона массой 80 т. Такой сценарий предусмотрен европейским стандартом EN 15227. Цель исследований – разработка УПЭ для скоростных пассажирских локомотивов нового поколения массой 90 – 123 т. Исследование динамической нагруженности локомотива для определения интегральных параметров УПЭ, в частности его энергоемкости, проведено в рамках дискретно-массовой математической модели. Новизной этой модели является усовершенствование силовой характеристики взаимодействия экипажей с учетом работы поглощающих аппаратов сдвигаемых автосцепных устройств и УПЭ, а также возможности возникновения в конструкциях УПЭ и экипажей пластических деформаций. В статье приведено также описание новой конечно-элементной модели пластического деформирования УПЭ при ударе, с помощью которой разработана конструкция УПЭ с энергоемкостью 0,95 МДж и выбраны ее параметры. Показано, что установка двух таких УПЭ в концевых частях локомотива обеспечивает выполнение сценария столкновения эталонного поезда с грузовым вагоном в соответствии с европейским стандартом EN 15227 и разработанной концепцией пассивной безопасности пассажирского подвижного состава железных дорог колеи 1520 мм.

При проектуванні локомотива нового покоління необхідно передбачити наявність інтегрованої в його конструкцію системи пасивної безпеки (СПБ), яка повинна забезпечити захист пасажирів і персоналу поїзда при найбільш ймовірних аварійних зіткненнях. У статті розглянуто сценарій зіткнення еталонного поїзда і вантажного вагона масою 80 т зі швидкістю 36 км/год. Еталонний поїзд складається з локомотива, обладнаного СПБ з пристроями поглинання енергії (ППЕ), і вантажного вагона масою 80 т. Такий сценарій передбачений європейським стандартом EN 15227. Мета досліджень – розробка ППЕ для швидкісних пасажирських локомотивів нового покоління масою 90 – 123 т. Дослідження динамічної навантаженості локомотива для визначення інтегральних параметрів ППЕ, зокрема його енергоємності, проведено в рамках дискретно-масової математичної моделі. Новизною цієї моделі є удосконалення силової характеристики взаємодії екіпажів з урахуванням роботи поглинаючих апаратів зсувних автозчепних пристроїв і ППЕ, а також можливості виникнення в конструкціях ППЕ та екіпажів пластичних деформацій. У статті наведено також опис нової скінченно-елементної моделі пластичного деформування ППЕ при ударі, за допомогою якої розроблено конструкцію ППЕ заданої енергоємності та обрано її параметри. Показано, що установка двох таких ППЕ в кінцевих частинах локомотива забезпечує виконання сценарію зіткнення еталонного поїзда з вантажним вагоном у відповідності з європейським стандартом EN 15227 і розробленою концепцією пасивної безпеки пасажирського рухомого складу залізниць колії 1520 мм.

In the design of a new-generation locomotive, an integrated passive safety system (PSS) must be considered to protect passengers and a train staff at probable accidental collisions. The paper discusses a scenario of a collision between the reference train and 80-ton freight car at 36 km an hour. The reference train includes the locomotive equipped by SSP with energy absorption devices (EAD), and the 80-ton freight car. This scenario is provided by the European standard EN 15227. The research purpose is to develop the EAD for new-generation passenger 90-123-ton locomotives. To determine the EAD integral parameters, namely the power intensity, a dynamic load of the locomotive is studied using a mathematical discrete-mass model. The novelty of this model is to improve the power characteristic of interactions between vehicles taking into accounts the operation of the absorbing devices of shifted automatic couplers and EAD, as well as the possibility of plastic deformation occurring in the EAD design and vehicles. The paper also presents a new finite element model of the EAD plastic deformation at impact. This model has been used to develop the EAD with the power intensity of 0.95 MJ and to select the EAD parameters. It is shown that the two energy-absorbing device installed at ends of the locomotive can provide the collision scenario in accordance with the requirements of European standard EN 15227 and the developed concept of the passive safety for passenger rolling stock operating on railways with 1520 mm gauge.