Вопросы безопасности движения, сокращения затрат на ремонт подвижного состава, увеличения скорости — в центре внимания специалистов Научно-исследовательского института железнодорожной техники Японии (RTRI). Среди основных направлений его работы — оценка ударопрочности, поиск путей снижения уровня вибрации и уменьшения негативных воздействий наклона кузова подвижного состава на пассажиров.
Содержание
Оценка прочности
В отличие от стран Европы и США в Японии технические требования и нормы, применяемые при разработке конструкции кузовов подвижного состава, формировались без учета возможности крушения. В них не определены методы анализа вероятных сценариев столкновений и оценки прочности подвижного состава в таких случаях. Для поиска необходимой информации приходится обращаться к проверенным на практике стандартам других стран, которые были разработаны на основе опыта эксплуатации и местных требований, однако следует также принимать во внимание собственный опыт и особенности.
Один из распространенных видов происшествий на железных дорогах, заслуживающих внимательного рассмотрения, — столкновение поезда с автомобилем на переезде. Специалисты RTRI провели анализ подобных случаев для разработки показателей, позволяющих оценить безопасность пассажиров.
Создание конструкции кузова вагона, способствующей уменьшению риска травмирования пассажиров и персонала при столкновениях на переездах, — важный фактор обеспечения безопасности перевозок. Проводить многократно повторяющиеся испытания, воспроизводящие условия столкновения, с использованием реального подвижного состава невозможно. Поэтому для решения этой задачи получило распространение моделирование.
Для проверки на практике метода анализа столкновений и повышения его точности были проведены испытания, в ходе которых исследовались последствия соударения изготовленного из нержавеющей стали кузова головного вагона реальных размеров с жестким препятствием (неподвижной стеной). Эксперимент позволил получить данные о ряде характеристик, в том числе о поведении кузова вагона при ударной деформации. Кроме того, было проведено моделирование столкновения на основе метода конечных элементов. Результаты показали, что моделирование в целом позволяет достаточно точно воспроизвести процесс деформации конструкции вагона при воздействии ударной нагрузки (рис. 1).
Рис. 1. Модель столкновения, выполненная с помощью метода конечных элементов
На основе результатов статистических исследований случаев произошедших в Японии столкновений на переездах с наиболее тяжелыми последствиями было выполнено моделирование с использованием метода конечных элементов при нескольких значениях скорости соударения и массы препятствий, а также при различном относительном положении поезда и препятствия (рис. 2). При моделировании предполагалось, что пассажир находится в поворачивающемся и наклоняемом кресле, кузов вагона изготовлен из нержавеющей стали, соударение поезда происходит с кузовом груженого автомобиля-самосвала массой 22 т и носит фронтальный характер. Расчет ударных воздействий на пассажирский салон вагона и оценку безопасности для пассажиров выполняли при условиях, заданных на основе стандартов, принятых в Европе и США.
Рис. 2. Моделирование столкновения с автомобилем на переезде
С использованием манекена был проведен анализ безопасности пассажиров при столкновении и выполнено моделирование возможного травмирования (рис. 3).
Рис. 3. Моделирование возможного травмирования пассажира
Очевидно, что, помимо рассмотренного сценария, возможно также большое число вариантов столкновения при иных условиях, например когда кузов вагона изготовлен из алюминиевого сплава, пассажиры располагаются на протяженных сиденьях (скамейках), положение которых не регулируется, либо стоят. Различные сценарии планируется рассмотреть в ходе дальнейших исследований.
Пути повышения уровня комфорта
Комфорт поездки в широком смысле рассматривается как психологическое и физиологическое восприятие пассажирами обстановки в вагоне поезда и включает большое число факторов, в том числе вибрацию, ускорение, шум, температуру и влажность. В более узком смысле комфорт поездки относится к ощущаемым пассажирами вибрации и ускорению, которые имеют место только тогда, когда поезд движется. В RTRI проводятся исследования вибрации кузова вагона, оборудованного системой наклона, и разрабатываются меры по ее уменьшению.
Снижение упругих колебаний кузова вагона
В последние годы на подвижном составе, главным образом на высокоскоростных поездах сети Синкансен, нашли применение системы контроля поперечной вибрации, способствующие повышению комфорта поездки. При этом повышенное внимание уделялось исследованиям вертикальной вибрации и разработке мер по ее снижению. Значительная вертикальная вибрация кузова вагона может повлечь его деформацию. Ранее были предложены несколько методов снижения вибрации, основанных на допущении, что кузов вагона представляет собой упругую балку. Упругая вибрация кузова вагона может быть результатом действия ряда факторов, в частности ухудшения состояния пути, воспринимаемого кузовом вагона через колесные пары и систему пневмоподвешивания, или дисбаланса массы колесных пар. Уменьшение упругой вибрации кузова вагона может быть достигнуто как за счет повышения качества пути, так и за счет улучшения вибрационных характеристик кузова вагона.
Система контроля вертикальной вибрации
Для уменьшения упругой вибрации кузова вагона за счет контроля вибрации тележки параллельно пружинам первичного подвешивания может быть установлен вертикальный демпфер. Его использование позволяет подавлять вертикальные колебания и галопирование тележек, вызванные состоянием пути, и за счет этого уменьшить упругие колебания кузова, что было подтверждено ходовыми испытаниями. В настоящее время разрабатывается еще один метод подавления вибраций, в котором используются вертикальные демпферы вторичного подвешивания и вертикальные актюаторы, установленные между тележкой и кузовом, в дополнение к вертикальным демпферам системы первичного подвешивания (рис. 4). Испытания кузова вагона высокоскоростного поезда на стенде подтвердили эффективность метода для подавления упругой вибрации кузова вагона при частоте примерно 9 Гц и уменьшения других видов колебаний.
Рис. 4. Система подавления вертикальных вибраций
Для предотвращения передачи вибраций от рамы тележки к кузову вагона предлагается использовать резиновый вкладыш или демпфер виляния, предназначенный для подавления продольных колебаний тележки.
Рис. 5. Резиновый вкладыш, предотвращающий передачу вибрации
Между резиновым элементом и штифтом вкладыша предусмотрен небольшой зазор (рис. 5), что позволяет исключить передачу вибраций. Для оценки возможностей практического применения предложенного метода необходимы дальнейшие исследования.
Демпфер активной массы
Для снижения интенсивности колебаний, вызывающих трехмерную деформацию кузова вагона, разработан демпфер активной массы (рис. 6). Проведенные испытания с использованием кузова вагона высокоскоростного поезда показали, что демпфер позволяет достичь существенного эффекта при установке меньшего числа датчиков. В дальнейшем при проведении ходовых испытаний предполагается изучить возможности улучшения ходовых качеств подвижного состава.
Рис. 6. Демпфер активной массы
Моделирование с целью анализа вибраций кузова
Точный численный анализ имеет существенное значение для эффективного исследования методов снижения упругой вибрации кузова. Для численного анализа упругой вибрации была предложена сравнительно простая модель деформации (рис. 7), в которой кузов вагона представлен в виде трехмерных упругих тел. Модель также позволяет исследовать поперечную упругую вибрацию кузова вагона, что дает возможность провести совместный анализ вертикальных и поперечных вибраций.
Рис. 7. Трехмерная модель для анализа вибраций кузова вагона
Параметры модели получены на основе результатов экспериментов с применением метода роя частиц. В дальнейшем модель предполагается использовать при разработке устройств, позволяющих снизить вибрацию кузова, и при прогнозировании их действия.
Технология наклона кузова
Вагоны, оборудованные системой наклона кузова при прохождении кривых, получили распространение в Японии. Их использование позволяет уменьшить воздействие центробежной силы на пассажиров и увеличить допустимую скорость в кривых. Однако в отдельных случаях у пассажиров могут возникать негативные ощущения. Поэтому необходимы усилия, направленные на совершенствование системы наклона кузова.
Исследования позволили выявить возможность ограничения влияния изменений параметров кривых с течением времени, вибрационных характеристик кузова вагона и скорости движения, что позволяет существенно увеличить интервалы между периодически выполняемыми достаточно сложными мероприятиями по обслуживанию бортовых баз данных. Усовершенствованная система будет установлена на реальных вагонах для дальнейшей проверки и доработки, после чего может быть допущена к практическому использованию.
Тележки вагонов, оснащенных системой наклона кузова, отличаются более сложной конструкцией по сравнению с обычными тележками, а их обслуживание требует больше времени и средств.
Более простую конструкцию имеет тележка вагона с наклоняемым кузовом, в котором используются пневмопружины. Подобными тележками, в частности, оснащены вагоны поездов сети Синкансен.
Однако значения угла наклона кузова, получаемые при применении такой системы, могут быть недостаточны, что не позволяет существенно снизить избыточные центробежные ускорения на линиях колеи 1000 мм с большим числом кривых малого радиуса.
Кроме того, вагоны данного типа требуют значительного количества сжатого воздуха для устройств пневмоподвешивания.
С учетом этих обстоятельств был разработан механизм контроля наклона кузова, имеющий более простую конструкцию и способный создавать эквивалентный максимальный угол наклона кузова. Усиленный момент прикладывается к пружине обычной подвески, амортизирующей боковую качку, при этом сила, вызывающая наклон кузова, может быть приложена к кузову вагона. Для создания момента используется компактный механизм, обладающий высокой чувствительностью.
Усилие, вызывающее наклон, передается на кузов вагона через рычаги и вертикальные поводки. Поскольку механизм может обеспечивать наклон кузова на 5°, элементы пневмоподвешивания расположены ближе друг к другу в поперечном направлении, чем на обычных тележках.
Предложенная конструкция позволяет уменьшить боковое смещение кузова вагона, при этом уровень комфорта поездки не снижается. Статические испытания системы с использованием опытного образца тележки показали, что она обеспечивает наклон кузова с высокой чувствительностью при требуемом значении угла наклона. Дальнейшие исследования будут направлены на разработку компонентов и создание системы, защищенной от отказов, а также на изучение возможностей практического применения механизма наклона кузова вагона данного типа.
Заключение
Обеспечение безопасности и комфорта для пассажиров — важные цели, над достижением которых активно работают специалисты RTRI. Одновременно они продолжают изучать и другие аспекты безопасности, в том числе ходовые качества поезда, процессы развития трещин в компонентах тележки, применение ультразвуковых и других технологий неразрушающего контроля, а также совершенствуют методы оценки процессов горения и распространения пламени. Стремясь достичь повышения уровня комфорта, RTRI ведет поиск путей подавления продольной вибрации, мер по снижению уровня шума и решения других проблем.
Материалы RTRI (www.rtri.or.jp); M. Ishige, QR of RTRI, 2021, № 1, pp. 1 – 5.
Эта статья опубликована в журнале «Железные дороги мира», 2021, № 6.
