Статистика аварийности на магистральных путях железных дорог России показывает, что наиболее вероятными случаями аварийных столкновений являются соударения поездов с препятствиями в виде автомобилей на железнодорожном переезде, проезжающих его на запрещающее показание светофора или остановившихся вследствие неисправности, а также вагонов, оказавшихся на пути следования поезда. Такие ситуации возможны при «уходе» подвижного состава со станции и его неконтролируемом движении по перегону, что происходит при недостаточном закреплении подвижного состава на станционных путях или нарушении технологии закрепления. Кроме того, большое количество нерегулируемых железнодорожных переездов, не оснащенных заградительными устройствами безопасности, не позволяющими автомобильным средствам пересекать пути перед приближающимся поездом, повышает вероятность столкновения автомобилей с грузовыми и пассажирскими поездами. 1  

В зависимости от условий и характера развития аварийной ситуации железнодорожный подвижной состав может получать различные повреждения – от незначительных пластических деформаций, не влияющих на общую несущую способность, до полного разрушения. Проведенные исследования [1-7] показывают, что наибольшие динамические усилия воздействуют на локомотив как на тяговую единицу, воспринимающую наибольшую часть кинетической энергии соударения.

С целью повышения безопасности поездной бригады и пассажиров при аварийных соударениях поездов с препятствиями по инициативе ОАО «Российские железных дороги» введен в действие межгосударственный стандарт ГОСТ 32410-2013 [8], определяющий требования по пассивной безопасности отечественного пассажирского железнодорожного подвижного состава. В стандарте разработаны наиболее вероятные сценарии развития аварийной ситуации при соударении подвижного состава с конструкционной скоростью не более 160 км/ч:

- сценарий 1 – аварийное столкновение на железнодорожном переезде с автомобилем (или другой машиной) массой 10 т со скоростью
 72 км/ч (рис. 1);

- сценарий 2 – аварийное столкновение с грузовым вагоном массой 80 т со скоростью 36 км/ч (рис. 2).

Рис. 1. Схема аварийного столкновения по сценарию 1

Рис. 2. Схема аварийного столкновения по сценарию 2

В сценарии столкновения локомотив участвует как самостоятельная единица подвижного состава, а также в эталонном составе поезда из сцепленных локомотива и одного жесткого вагона массой 80 т с установленным автосцепным устройством по ГОСТ 3475, контуром зацепления по ГОСТ 21447, поглощающим аппаратом класса Т1 энергоёмкостью 70 кДж при полном ударном сжатии 120 мм. Термин «жесткий вагон» обозначает расчетную модель вагона, рассматриваемую как абсолютно твердое тело, деформациями которого при расчетном анализе процессов аварийного столкновения пренебрегают [8].

Определение динамических усилий, воздействующих на локомотив при аварийных соударениях с препятствиями, проводится методами имитационного моделирования в твердотельной постановке средствами программного комплекса «Универсальный механизм». Для решения поставленной задачи сформированы компьютерные модели соударения в соответствии с условиями расчетных сценариев [8].

В компьютерных моделях соударения железнодорожный подвижной состав и препятствие представлены совокупностью систем твердых тел, объединенных и взаимодействующих друг с другом при помощи силовых элементов и шарниров. Расчетные схемы препятствий моделируются твердыми телами, обладающие одной поступательной степенью свободы в направлении оси движения поезда.

Анализ нагрузок, воспринимаемых единицами поезда при его столкновении с препятствием, проводился путем имитационного моделирования расчетных сценариев столкновения. Однако в требованиях [8] рассматривается только одна скорость соударения поезда с каждым из препятствий. В действительности эта скорость является случайной величиной и может отличаться от расчетной. В связи с этим при расчетах рассматривались столкновения поезда с автомобилем в диапазоне скоростей от 10 км/ч до 72 км/ч и соударения поезда с грузовым вагоном в диапазоне скоростей от 10 км/ч до 36 км/ч.

По результатам моделирования получены графики распределения сжимающих усилий, воспринимаемых локомотивом (рис. 3), а также локомотивом и грузовым вагоном (рис. 4), при их столкновении с препятствием массой 10 т с различными скоростями.

Рис. 3. Зависимость максимальных сжимающих усилий, воздействующих на локомотив при его столкновении с автомобилем:

1 – предельное значение силы; 2 – сила, воздействующая на локомотив

Рис. 4. Зависимость максимальных сжимающих усилий, воздействующих на локомотив и грузовой вагон при столкновении поезда с автомобилем:

1 – предельное значение силы; 2 – сила, воздействующая на локомотив;
3 – сила, воздействующая на грузовой вагон

Анализ полученных данных показывает, что при столкновении локомотива (как одиночного, так и в составе эталонного поезда) с препятствием массой 10 т со скоростью 20 км/ч в несущей конструкции локомотива могут появляться пластические деформации, что объясняется превышением действующего значения нагрузки предельного нормированного значение 2,5 МН, регламентированного «Нормами…» [9]. При этом на грузовой вагон воздействуют безопасные нагрузки, поскольку их максимальное значение при расчетной скорости соударения 72 км/ч не превышают нормированного значения, что свидетельствует об отсутствии разрушения вагона.

Аналогичные результаты получены при моделировании соударения поезда с препятствием в виде грузового вагона массой 80 т и представлены в виде графиков распределения сжимающих усилий, воздействующих на локомотив (рис. 5), а также на локомотив и грузовой вагон (рис. 6).

Рис. 5. Зависимость максимальных сжимающих усилий, воздействующих на локомотив при его столкновении с грузовым вагоном:

1 – предельное значение силы; 2 – сила, воздействующая на локомотив

Рис. 6. Зависимость максимальных сжимающих усилий, воздействующих на локомотив и грузовой вагон при столкновении поезда с вагоном:

1 – предельное значение силы; 2 – сила, воздействующая на локомотив;
3 – сила, воздействующая на грузовой вагон (в составе поезда)

Из графиков видно, что при столкновении с препятствием, по массе сопоставимым с загруженным грузовыми вагоном, пластические деформации в несущей конструкции локомотива могут возникнуть уже при скорости соударения 15 км/ч. При этом превышение сжимающим усилием, воздействующим на грузовой вагон в составе поезда, нормированного значения наблюдается при скорости соударения 30 км/ч. При скоростях соударения, близких к расчетным, возможно значительное разрушение локомотива.

Полученные результаты моделирования аварийных соударений позволяют сделать вывод о высокой вероятности появления пластических деформаций несущих конструкций отечественных локомотивов и тяжелого травмирования локомотивной бригады, что свидетельствует о необходимости снижения динамической нагружености тягового подвижного состава при аварийных соударениях путем его оснащения системами пассивной безопасности, состоящими из устройств поглощения энергии соударения.

Литература

1.  Кобищанов, В.В. Оценка динамической нагруженности отечественных пассажирских вагонов при аварийных соударениях поездов с препятствиями/ В.В. Кобищанов, Д.Я. Антипин, С.Г. Шорохов// Технологическое обеспечение ремонта и повышение динамических качеств железнодорожного подвижного состава: Материалы третьей всероссийской научно-технической конференции с международным участием в трех частях. Часть 2. – Омск: Омский гос. ун-т путей сообщения, 2015. – С. 50-56.
2.  Шорохов, С.Г. Анализ динамических усилий в межвагонных соединениях при аварийном соударении пассажирского поезда с препятствием/ С.Г. Шорохов, Д.Я. Антипин/ Инновационный транспорт-2016: специализация железных дорог: м-лы Международ. науч.-практ. конф. – Екатеринбург: УрГУПС, 2017. – Вып. 8 (227). – С. 702-708.
3.  Шорохов, С.Г. Применение компьютерного моделирования для анализа аварийных соударений железнодорожного подвижного состава/ С.Г. Шорохов// Моделирование природных и техногенных чрезвычайных ситуаций и рисков их возникновения: синтез достижений технических и социальных наук: сборник материалов научно-практической конференции. – Архангельск: КИРА, 2016. – С. 118-122.
4.  Шорохов, С.Г. Обоснование компьютерной модели соударения пассажирского поезда с препятствием/ С.Г. Шорохов, Н.А. Редя// Приоритетные направления развития науки, техники и технологий: сборник материалов Международной научно-практической конференции, том II. – Кемерово: ЗапСибНЦ, 2016. – С. 321-324.
5.  Шорохов, С.Г. Применение компьютерного моделирования для оценки динамической нагруженности пассажирских вагонов при соударениях/ С.Г. Шорохов, Д.Я. Антипин// Компьютерное моделирование в железнодорожном транспорте: динамика, прочность, износ: III научно-технический семинар. – Брянск: БГТУ, 2016. – С. 93-96.
6.  Антипин, Д.Я. Применение моделей антропометрических манекенов для оценки безопасности пассажирского подвижного состава/ Д.Я. Антипин, В.В. Кобищанов, С.Г. Шорохов// Наука и образование транспорту. – 2015. – № 1. – С. 6-9.
7.  Шорохов, С.Г. Обоснование расчетных схем соударения пассажирских поездов с препятствиями/ С.Г. Шорохов// Будущее машиностроения России: сб. тр. Седьмой Всерос. конф. молодых ученых и специалистов. – М.: МГТУ им.
    Н.Э. Баумана, 2014. – С. 361-363.
8.  ГОСТ 32410-2013. Крэш-системы аварийные железнодорожного подвижного состава для пассажирских перевозок. Технические требования и методы контроля.
9.  Нормы для расчета и проектирования вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм. (несамоходных). – М.: ГосНИИВ – ВНИИЖТ, 1996. – 319 с.