новая папка / БЕЗОПАСНОСТЬ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ В ЭКСПЛУАТАЦИИ

Время, с

Рис. 6. Осциллограма верификации логики работы АБС по фазам

Созданный образец стенда позволяет проводить виртуальные испытания автоматизированных тормозных систем любых типов. Необходимо отметить, что стенды подобного типа позволяют имитировать любую скорость начала торможения, а затраты на создание подобных имитационных стендов-тренажеров не превышают 50-100 тыс. $, в зависимости от категории автомобиля (легковой автомобиль – грузовой автопоезд, автобус), что сравнимо по стоимости с крупными аналитическими пакетами включающими дополнительные модули анализа.

60

процесс торможения. Все параметры можно отобразить и сохранить в виде графических зависимостей, или таблицы для дальнейшего анализа проведенного эксперимента.

Для рассмотрения управляемого движения в режиме торможения на имитационном стенде-тренажере перед водителем-оператором установлен монитор ПК (возможно применение и LCD проекторов и виртуальных 3D шлемов).

На персональном компьютере был реализовано построение и отображение дорожной обстановки перед колѐсной машиной и динамика изменения дорожной ситуации.

Применение современных графических средств позволило выполнять визуализацию движения в трехмерном пространстве с качеством воспроизводимой информации, не уступающим зарубежным имитаторам езды.

На экране отображается прямолинейный участок дорожного полотна с осевой линией, информирующей о границе раздела сред с различным коэффициентом сцепления. Показана часть капота колесной машины для оценки водителем габаритов автомобиля. На капоте имитируется точка цели для возможности оценки водителем величины отклонения колесной машины в процессе торможения.

Кроме имитационного стенда-тренажера, разработан и проходит тестирование программный комплекс, позволяющий предварительно оценить работу антиблокировочной тормозной системы установленной на колѐсную машину.

Все параметры можно отобразить и сохранить в виде графических зависимостей, или таблицы, для дальнейшего анализа поведенного эксперимента. Для удобства анализа полученных данных, возможен вывод окна, отображающее значения точки кривой, на которую в данный момент наведен указатель мыши. Кроме того, предусмотрены возможности масштабирования графиков для более детального анализа отдельных участков кривой экспериментальных данных

Применяя современные методики проведения испытаний, основанных на комплексной технологии моделирования и применении имитационных стендов-тренажеров, возможно значительное снижение затрат на проведение испытаний, сокращение сроков проектирования и объемов дорожных испытаний при внедрении автоматизированных тормозных систем.

Библиографический список

1.Ревин, А.А. Комплексное моделирование в цикле проектирования автомобилей и их систем / В.Г. Дыгало // Автомобильная промышленность, №11, 2002 – с. 29-30.

2.Дыгало, В.Г. Средства виртуальных испытаний автоматизированных тормозных систем / А.А. Ревин // Известия Волгоградского государственного технического университета: Межвуз. сб. науч. ст.// ВолгГТУ. – Волгоград, 2004. – С. 67-73.

3.Ревин, А.А. Виртуальные испытания в цикле проектирования автоматизированных тормозных систем / В.Г. Дыгало // Наука – производству, №1, 2005 – с. 43-47

4.Дыгало, В.Г. Стенд для комплексных лабораторных испытаний ЭГТС // Ревин А.А., Сорниотти А., Веллардокиа М. // Автомобильная промышленность. № 3, 2006. - С. 34 - 35.

5.Дыгало В.Г. Виртуально-физическая технология лабораторных испытаний систем активной безопасности автотранспортных средств: монография / А.А. Ревин; ВолгГТУ. – Волгоград, 2006. – 316 с.

6.Дыгало, В.Г. Виртуально-физическая технология моделирования в цикле проектирования автоматизированных тормозных систем , Ревин А.А. // Известия Волгоградского государственного технического университета. 2007. Т. 8. № 2. С. 13-15.

7.Дыгало, В.Г. Виртуально-физическая технология лабораторных испытаний систем активной безопасности автотранспортных средств: монография / А. А. Ревин. – М.: Машиностроение, 2012. – 388 с.; ил.

8.Wolf, D. Jonner, H. Winner, L. Dreilich, E. Schunck, Electrohydraulic Brake System – The First Approach to Brake-By-Wire Tecnology, SAE Technical Paper Series 960991, 1996.

9.L. Petruccelli (Fiat Auto), M. Velardocchia, A. Sorniotti, Electro-Hydraulic Braking System Modelling and Simulation, 21st Annual Brake Colloquium & Exhibition, October 2003, Hollywood, FL, USA, Session: Models & Simulations, SAE 2003-01-3336.

62

УДК 629.4:626.25

СИСТЕМА ПОВЫШЕНИЯ ПАССИВНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ОТЕЧЕСТВЕННОГО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ПОДВИЖНОГО СОСТАВА

Антипин Д.Я., Шорохов С.Г.

Брянский государственный технический университет

Аварийная ситуация на железной дороге может стать следствием многих причин, включая человеческий фактор, устранить которые в полном объеме невозможно. Наиболее опасными авариями являются продольные столкновения пассажирских поездов с железнодорожным подвижным составом и препятствиями на переездах. Данные ситуации отражают 99,2% зарегистрированных случаев столкновений на железных дорогах России.

На ранних этапах развития железнодорожного транспорта основное внимание было уделено системам обеспечения активной безопасности. Однако отечественный и мировой опыт развития железных дорог показал, что даже применение полного комплекса современных активных средств безопасности не позволяет избежать аварийных ситуаций, сопровождающихся травмированием и гибелью пассажиров. В связи с этим основное внимание при проектировании транспортных средств уделяется обеспечению пассивной безопасности.

Конструкции отечественных пассажирских вагонов не позволяют полностью исключить возможность травмирования пассажиров и обслуживающего персонала поезда при высоких скоростях продольных аварийных соударений, что требует разработки новых технических решений, повышающих безопасность железнодорожных пассажирских перевозок. Разработка систем пассивной безопасности вагонов является приоритетным направлением политики в области обеспечения безопасности движения пассажирских поездов. Основные работы по внедрению подобных решений проводятся на стадии проектирования подвижного состава [1].

Меры по обеспечению безопасности движения на железнодорожном транспорте направлены в первую очередь на защиту жизни и здоровья пассажиров при возникновении нештатных ситуаций. При авариях безопасность пассажиров и персонала поезда в основном должна быть обеспечена за счет прочности несущей конструкции кузова вагона, способного воспринимать возникающие при столкновении силы и гасить энергию соударения. На кузов при этом воздействуют динамические нагрузки большой интенсивности, а реакции могут иметь большой диапазон – от малых упругих до значительных пластических деформаций, схода с рельсов и неконтролируемого разрушения вагонов.

Мировой опыт применения систем пассивной безопасности транспортных средств показывает, что для защиты пассажиров в аварийных столкновениях необходимо обеспечить контролируемый характер деформации конструкции. При этом энергия соударения должна поглощаться за счет пластической деформации специальных устройств, не являющихся элементами несущей конструкции транспортного средства и не воспринимающих эксплуатационные нагрузки. Подобные решения позволяют уменьшить динамическую нагруженность кузовов транспортных средств за счет снижения ударных нагрузок, сохранить пространство выживания и обеспечить к нему доступ для облегчения эвакуации, а также снизить уровень травмирования пассажиров и обслуживающего персонала поезда.

Минимизация последствий продольных аварийных соударений поездов с препятствиями осуществляется включением в несущую конструкцию кузовов вагонов крэшсистем – жертвенных элементов или жертвенных зон. Жертвенные элементы применяются при скоростях соударения 12-30 км/ч и представляют собой конструкции, поглощающие энергию удара за счет собственного пластического деформирования. Жесткость таких элементов меньше жесткости основной несущей конструкции кузова вагона. Они устанавливаются в зоне непосредственного контакта с препятствием [2]. Жертвенные зоны кузовов вагонов эффективны при скоростях соударения свыше 30 км/ч. Они имеют более

63

низкую жесткость и специальные конструктивные ослабления, обеспечивающие контролируемое смятие зоны с максимальным энергопоглощением.

Исследования взаимодействия пассажиров с элементами интерьера вагона, направленные на оценку их травмирования в аварийной ситуации, возможны как с помощью проведения натурных экспериментов с использованием манекенов, так и с применением методов математического моделирования. Достоинством методов математического моделирования является значительное снижение затрат за счет исключения необходимости разрушения подвижного состава при испытаниях и использования дорогостоящих манекенов. Результаты использования неоднократно апробированных математических моделей геометрических манекенов позволяют получать результаты, обладающие высоким уровнем сходимости с результатами натурных экспериментов.

Оценка травмирования пассажиров вагонов при аварийных соударениях поездов с препятствиями производится на основе предлагаемой двухэтапной методики.

На первом этапе определяются уровни динамических воздействий и ускорений элементов несущей конструкции кузова вагона при аварийном соударении. Параметры рассчитываются путем моделирования сценария аварийной ситуации на основе динамических расчетных схем, представляющих собой совокупность абсолютно твердых тел. На втором этапе разрабатываются детализированные конечноэлементные модели фрагмента кузова вагона с подробным описанием внутреннего оборудования и интерьера пассажирского салона. В указанные модели включаются конечноэлементные модели биометрического манекена. К разработанным моделям в качестве начальных условий прикладываются динамические усилия, определенные на первом этапе. В результате моделирования определяются уровни ускорений элементов манекенов и действующих на них динамических усилий, на основе которых определяются критерии травмирования. Полученные значения критериев сопоставляются с допускаемыми уровнями, регламентируемыми нормативной документацией [3]. На основе анализа результатов моделирования определяются наиболее опасные с точки зрения травмирования пассажиров элементы внутреннего оборудования пассажирского салона, требующие модернизации, а также рекомендации по разработке систем пассивной безопасности пассажирских вагонов.

Статистика аварийных ситуаций на железной дороге показывает, что наиболее вероятными являются продольные соударения пассажирских поездов с автомобилями на переездах. В связи с этим при моделировании столкновения поезда рассматривается препятствие в виде грузового микроавтобуса.

При моделировании поезд представляется в виде совокупности систем связанных твердых тел. Разработка и расчет модели производился в среде программного комплекса моделирования динамики систем тел «Универсальный механизм».

Динамическая модель пассажирского поезда состоит из твердотельной модели электровоза ЧС-7 и четырех твердотельных моделей пассажирских вагонов модели 61-4458 (рис. 1). Динамическая модель вагона состоит из твердотельной модели кузова вагона, соединенного с двумя моделями тележек. В расчетной схеме кузов вагона представляется в виде абсолютно твердого тела, обладающего шестью степенями свободы, с реальными инерционными и геометрическими характеристиками.

Рис. 1. Динамическая модель пассажирского поезда

Динамическая модель тележки представляет собой систему абсолютно твердых тел, связанных силовыми элементами и шарнирами. Динамическая модель электровоза аналогичная модели вагона. Отличительной особенностью является создание тягового усилия за счет введения на каждую колесную пару локомотива специального вращающего момента.

64

Верификация динамической модели пассажирского поезда выполнена путем сопоставления данных натурных ходовых испытаний, проведенных ЗАО НО «Тверской институт вагоностроения», с результатами, полученными расчетным путем. Сопоставление проводилось по значениям вертикальных ускорений кузова и рамной силы от скорости движения вагона. Анализ показал, что результаты, получаемые с использованием разработанной динамической модели пассажирского поезда, близки результатам ходовых испытаний, что подтверждает ее адекватность.

Динамическая модель микроавтобуса Mercedes-Benz Sprinter представлялась системой абсолютно твердых тел, связанных между собой силовыми элементами и шарнирами.

При моделировании аварийной ситуации – столкновения пассажирского поезда с препятствием в виде автомобиля на переезде – использована оригинальная методика, позволяющая в рамках твердотельного моделирования учесть упруго-пластические свойства кузова автомобиля. Упруго-диссипативные свойства кузова автомобиля при боковом ударе учитывались введением между моделями локомотива и автомобиля специального упругодиссипативного элемента. Отдельно моделировалось взаимодействие пневматических колес автомобиля с покрытием переезда и рельсошпальной решеткой с использованием каскада силовых контактных элементов. В результате моделирования определены усилия, действующие на несущую конструкцию, и ускорения ее элементов, задаваемые в качестве начальных условий в детализированную конечноэлеметную модель фрагмента кузова вагона.

Для снижения трудоемкости расчета разработана детализированная пластинчатая конечноэлементная модель фрагмента кузова пассажирского вагона, к которой прикладываются полученные ранее динамические нагрузки. При моделировании использовались конечные элементы с изотропной и ортотропной моделями материала. Модель содержит 3,6×104 элементов, соединенных между собой в 3,5×104 узлах. Общее число степеней свободы расчетной схемы составило 2,1×105.

При оценке уровней травмирования пассажиров в аварийной ситуации в качестве элементов внутреннего интерьера салона вагона рассматриваются пассажирские кресла, конечноэлементные модели которых включаются в расчетную схему фрагмента кузова пассажирского вагона. При моделировании кресел использовались пластинчатые конечные элементы, моделирующие металлоконструкцию кресла, и объемные элементы, моделирующие упругие подушки.

Для анализа безопасности пассажиров транспортных средств и оценки уровня их травмирования в аварийных ситуациях в мировой практике широко применяется манекен Hybrid III 50th Percentile Male. Его параметры соответствуют антропометрическим характеристикам среднего мужчины. Манекен выполнен в виде совокупности подсистем, представленных блоками (рис. 2). При этом взаимодействие блоков друг с другом полностью соответствует функционированию организма человека, что достигается ограничением углов поворотов в шарнирных соединениях.

Для возможности использования манекена при оценке травмирования пассажиров поездов при аварийных ситуациях разработана его твердотельная модель, позволяющая получать нагрузки, воздействующие на пассажиров при столкновениях поездов. Для уточнения уровней травмирования пассажиров в аварийных ситуациях разработана конечноэлементная модель манекена, при разработке которой использовались пластинчатые

иобъемные конечные элементы. Применение конечноэлементной модели позволяет лучшим образом описать контактное взаимодействие манекена с элементами внутреннего оборудования пассажирского салона.

Всоответствие с документацией [3, 4] выделяют следующие критерии травмирования: черепно-мозговой травмы, шеи, грудной клетки, бедра и голени. Основой для определения критериев являются уровни динамических усилий, воздействующих на элементы модели манекена. При расчете критериев учитываются ускорения, растягивающие

исжимающие осевые усилия, а также изгибающие моменты. При этом для каждого критерия на основе анализа последствий аварий установлены нормированные значения (табл. 1).

65

Рис. 2. Манекен Hybrid III 50th Percentile Male

В результате моделирования аварийной ситуации получены динамические нагрузки, на основе которых рассчитаны значения критериев травмирования. Анализ полученных данных показывает, что повреждения, близкие к критическим, получают голова и шея пассажира. Для исключения данного эффекта необходима модернизация элементов пассажирских кресел, а также разработка дополнительных средств пассивной безопасности вагонов.

Предварительная оценка параметров устройств поглощения энергии удара производится на основе анализа тестового сценария столкновения, принятого для компьютерной проверки системы пассивной безопасности.

В соответствие с [2] головная единица тестового поезда (локомотив) должна быть оборудована системой безопасности, обеспечивающей такой же уровень защиты, как у

66

тестируемых вагонов, в связи с чем для определения параметров системы безопасности пассажирских вагонов необходимо рассчитать показатели энергопоглощающих устройств, установленных на локомотиве.

Предварительный анализ требуемых параметров энергопоглощающего устройства основан на оценке минимально необходимой энергоемкости U жертвенного элемента

V1 – скорость головной единицы состава.

Предварительная оценка параметров системы безопасности проведена для локомотива ЧС-7. Анализ результатов расчетов показал, что при проектировании системы безопасности необходимо обеспечить минимальную энергоемкость системы 2,73 МДж.

Рациональным местом расположения жертвенных элементов на кузовах вагонов являются торцевые стены. Для определения их максимальных размеров рассматривается прохождение проектируемого вагона в сцепе с однотипным вагоном минимально допустимой кривой радиусом 120 м, что необходимо при движении пассажирских поездов по кривым участкам пути малого радиуса. Анализ полученных результатов показал, что наиболее эффективным является расположение жертвенных элементов над переходной площадкой, что позволяет обеспечить ход элементов более 100 мм. Анализ геометрических размеров рамы пассажирского вагона показал, что для повышения энергоемкости системы безопасности имеется возможность использования жертвенных элементов в раме вагона.

Анализ возможности использования систем безопасности на основе жертвенных элементов на отечественных пассажирских вагонах показал, что эффективной работе предлагаемой системы препятствуют элементы типового автосцепного устройства (рис. 3, а). Для исключения данного эффекта разработана оригинальная конструктивная схема установки автосцепного оборудования, особенностью которой является возможность перемещения автосцепного устройства внутрь рамы вагона, что обеспечивает восприятие продольных усилий соударения элементами системы пассивной безопасности, расположенными на торцевых стенах и консольной части рамы. Автосцепное оборудование выполняется в едином блоке (рис. 3, б), устанавливаемом в раму вагона. Возможность смещения блока автосцепного оборудования обеспечивается за счет применения болтового соединения блока и рамы вагона, срезаемого при воздействии ударных нагрузок, превышающих нормативные значения.

а) б)

Рис. 3. Автосцепное устройство: а – типовой конструкции; б – предлагаемой конструкции

Критерием выбора конструкции и параметров жертвенных элементов системы пассивной безопасности принят принцип недопущения в местах их установки возникновения усилий, приводящих к пластическому деформированию несущих элементов кузова. С учетом всех ограничений разработаны 3 варианта конструктивного исполнения жертвенных элементов: сотовой конструкции, трубчатой конструкции, трубчатой

67

конструкции с наборными элементами из труб различного диаметра. Все элементы представляют собой корпус, внутри которого сформированы поглощающие конструкции – соты и тонкостенные трубки. Для обеспечения контролируемого смятия элементы имеют конструктивные ослабления. Крепление жертвенных элементов к торцевой стене кузова пассажирского вагона осуществляется болтами, для чего на корпусе предусмотрены приливы. Болтовое крепление элементов обеспечивает минимальную трудоемкость их замены после аварийной ситуации.

Эффективность энергопоглощения предложенных вариантов жертвенных элементов оценивалась средствами математического моделирования на основе разработанных пластинчатых конечноэлементных моделей. При оценке получены диаграммы зависимости энергоемкости жертвенного элемента от времени соударения. Анализ диаграмм показывает, что наиболее эффективной является сотовая конструкция жертвенного элемента, как максимально удовлетворяющая предъявляемым к ней требованиям.

На основании анализа энергопоглощения разработана конструкция жертвенного элемента, устанавливаемого в раму вагона. Его конструкция аналогичная конструкции сотового элемента, устанавливаемого над переходной площадкой. Отличительной особенностью являются геометрические параметры, определяемые размерами рамы вагона.

На основе проведенного анализа разработана система пассивной безопасности, состоящая из двух жертвенных элементов, установленных над переходной площадкой и в раме вагона. Данная система обеспечивает суммарную энергоемкость 2,86 МДж при требуемом значении 2,73 МДж, что отвечает минимальным требованиям, установленным нормативной документацией на проектирование систем пассивной безопасности пассажирских вагонов локомотивной тяги [2].

На основе разработанной твердотельной динамической модели соударения сформирована модель пассажирского поезда, включающая вагоны с установленной системой пассивной безопасности.

В качестве критериев оценки безопасности приняты ускорения внутреннего оборудования пассажирского вагона, усилия, действующие на несущую конструкцию кузова, минимальные скорости столкновения, при которых происходит сход железнодорожного состава с рельсов. Результаты исследования показали, что применение предложенной системы пассивной безопасности позволяет снизить ускорения внутреннего оборудования вагона на 21%, снизить усилия, действующие на несущую конструкцию, на 17%, повысить минимальные скорости столкновения, приводящие к сходу поезда с рельсов, на 32%, т.е. снизить вероятность крушения поезда в результате столкновения с препятствием, как наиболее опасного сценария развития данной аварийной ситуации. Кроме того, при столкновении поезда с препятствием за счет снижения динамической нагруженности кузова пассажирского вагона снижаются уровни травмирования пассажиров до нормированных пределов.

Применение разработанной системы пассивной безопасности при столкновениях пассажирских поездов с препятствиями на скоростях до 30 км/ч позволяет снизить травмирование пассажиров и предотвратить значительные повреждения кузова вагона.

Библиографический список

1.Технический регламент «О безопасности железнодорожного подвижного состава». Утвержден Правительством РФ 15.07.2010.

2.Технические требования к системе пассивной безопасности подвижного состава для пассажирских перевозок железных дорог колеи 1520 мм. Утверждены ОАО «РЖД» 20.12.11.

3.Kleinberger, M. Development of Improved Injury Criteria for the Assessment of Advanced Automotive Restraint Systems / E.Sun, R. Eppinger, S. Kuppa, R. Saul. – September 1998, 120 p.

4.ГОСТ Р 41.94-99. Единообразные предписания, касающиеся официального утверждения транспортных средств в отношении защиты водителя и пассажиров в случае лобового столкновения.

68

УДК 629.4:626.25

РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ ПАССИВНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ДВУХЭТАЖНЫХ ПАССАЖИРСКИХ ВАГОНОВ ОТЕЧЕСТВЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА

Лебедев В.А.

Брянский государственный технический университет

Тверским вагоностроительным заводом спроектирован и вводится в эксплуатацию двухэтажный пассажирский вагон модели 61-4465 (рис. 1). Подобный тип пассажирских вагонов является новым для российских железных дорог.

Новая конструкция кузова позволяет перевозить почти в два раза больше пассажиров по сравнению с одноэтажным вагоном при той же длине. Это уменьшает занимаемую длину станционных приемоотправочных путей и расходы, связанные с перевозками.

В процессе осуществления пассажирских перевозок на железнодорожном транспорте, несмотря на проводимые работы по повышению безопасности движения, сохраняться опасность возникновения аварийных ситуации, при которых подвижной состав сходит с рельсовой колеи. При крушении в большинстве случаев происходит опрокидывание вагонов на боковую стену, что приводит к травмированнию пассажиров и обслуживающего персонала. При этом им необходимо за минимальное время покинуть вагон в виду возможности возникновения задымления и пожара. Опыт расследования последствий таких катастроф показал, что в таких ситуациях часть аварийных выходов блокируются, (выходы на боковой стене, оказавшейся под вагоном), а доступ к остальным выходам осложнен т.к. они расположены на противоположной боковой стене, занявшей потолочное положение. При внутренней ширине вагона превышающей 2,8 м пассажир, находящийся на одной боковой стене не имеет возможности свободно добраться до аварийных выходов находящихся на противоположной боковой стене без оказания специальной помощи с наружной стороны вагона или использования элементов внутреннего интерьера вагона при наличии специальных приспособлений.

Устройства аварийных выходов рассчитаны на работу в нормальном положении вагона и их срабатывание после опрокидывания вагона не гарантировано.

Разработана система обеспечения эвакуации пассажиров и членов поездной бригады из двухэтажных пассажирских вагонов и осуществлена оценка влияния усовершенствований конструкции кузова на ее несущую способность.

Поскольку предложенная система предполагает изменения, затрагивающие несущую конструкцию кузова, произведен анализ его прочности методом конечных элементов. Для этого разработана исходная пластинчатая конечно-элементная модель кузова вагона, состоящая из 190 тыс. элементов, соединенных 180 тыс. узлами, обладает 1100×10 3 степенями свободы (рис. 2).

Рис.1. Двухэтажный пассажирский вагон модели 61-4465 производства ОАО «Тверской вагоностроительный завод»

69