Оценка безопасности прохождения пассажирскими железнодорожными составами стрелочных переводов

Размещено на http://www.Allbest.ru/

Оценка безопасности прохождения пассажирскими железнодорожными составами стрелочных переводов

В.В. Кобищанов, Д.Я. Антипин

Аннотация

Предложена методика оценки безопасности прохождения пассажирскими железнодорожными составами стрелочных переводов, находящихся в исправном и неисправном состояниях, основанная на методах математического моделирования.

Ключевые слова: оценка безопасности, пассажирский железнодорожный состав, стрелочный перевод, неисправности, параметры ходовой динамики, математическое моделирование.

В настоящее время участились случаи возникновения аварийных ситуаций, связанных со сходом с рельсов пассажирских поездов на стрелочных переводах. Результаты расследования подобных аварий указывают одной из основных причин неисправность стрелочного перевода. В связи с этим актуальной является задача исследования безопасности прохождения пассажирскими железнодорожными составами стрелочных переводов, в том числе и неисправных. Для решения указанной задачи предложена методика, основанная на математическом моделировании прохождения стрелочных переводов пассажирским составом с использованием твердотельных пространственных динамических моделей.

На первом этапе оценивается безопасность прохождения пассажирским составом исправного стрелочного перевода с разными скоростями и определяется максимальная безопасная скорость. Второй этап предусматривает анализ безопасности прохождения пассажирским составом неисправного стрелочного перевода. При этом оцениваются предельно допустимые скорости, не приводящие к аварийному сходу состава с рельсов.

Предложенная методика апробирована на примере сцепа из тепловоза ТЭП-70БС, движущегося в режиме тяги, и трех пассажирских вагонов модели 61-425.

При моделировании сцеп представляется в виде системы связанных твердых тел, описывающей его пространственные колебания иреализованной в среде программного комплекса моделирования динамики систем тел «Универсальный механизм» [1]. В состав твердотельной математической модели сцепа включены модели тепловоза, пассажирского вагона, автосцепного устройства СА-3, стрелочного перевода.

При движении сцепа тяговое усилие тепловоза моделировалось специальными силами, соответствующими тяговым характеристикам локомотива ТЭП-70 [2], и прикладывалось в виде шести крутящих моментов, действующих на соответствующие оси модели тепловоза.

Силы сопротивления движению локомотива и вагонов учитывались в соответствии с рекомендациями, приведенными в [2;3].

В качестве полигона для математических экспериментов рассматривается участок пути класса 1В2, звеньевой, грузонапряженность - 29 млн т брутто/км в год. План и профиль пути - прямая длиной 30 м, спуск 1,2%, съезд на перевод длиной 19,5 м, рельсы типа Р-65, шпалы железобетонные (эпюра шпал - 1840 шт. на 1 км пути), балласт щебеночный. Скоростьдвижения по главному пути - 60 км/ч, по боковому направлению - 40 км/ч. Стрелочный перевод - проект 2768, рельсы типа Р-65, марка крестовины 1/11, левый, на железобетонных брусьях, балласт щебеночный. Качество пути принимается равным 40 баллам, что отвечает оценке «хорошо» [4].

Для решения задачи первого этапа построена динамическая твердотельная модель состава, учитывающая двухточечный контакт колеса с рельсом, макро- и микронеровности пути исправного рельсового перевода.

В рамках второго этапа разработана детализированная твердотельная модель стрелочного перевода (с использованием соответствующей конструкторской документации).

Взаимодействие колесных пар единиц железнодорожного состава с элементами стрелочного перевода, включая шпалы и грунт, описывается специальными контактными элементами, учитывающими реальные контактные жесткости элементов рельсошпальной решетки и грунта.

Поскольку при аварийном прохождении стрелочного перевода определяющим источником возмущающего динамического воздействия является макрогеометрия перевода, микронеровности рельсов в модели не учитываются. В качестве критериев оценки безопасности прохождения стрелочного перевода приняты:

· вертикальные ускорения кузова;

· горизонтальные ускорения кузова;

· силы отжатия рельса;

· коэффициенты безопасности в отношении вкатывания колеса на рельс [5];

· сход колесной пары с рельсов.

Сход колесной пары с рельсов фиксируется в момент возникновения контактного взаимодействия колеса любой из колесных пар подвижного состава со шпальной решеткой.

При оценке безопасности прохождения пассажирским железнодорожным составом стрелочного перевода рассматривается наиболее опасный случай - «противошерстное» прохождение с переходом на соседний путь. Моделирование проводилось в скоростном интервале 5-50 км/ч с шагом 5 км/ч. При этом рассматривались два варианта динамической модели: модель прохождения исправного стрелочного переводас уточненным описанием контакта колеса с рельсом и учетом микронеровностей рельса (вариант 1) и модель, упрощенно описывающая взаимодействие колеса с рельсом иучитывающая взаимодействие колес со шпальной решеткой после схода (вариант 2).

Для примера на рис. 1 представлены графики зависимости минимальных значений коэффициента безопасности в отношении вкатывания колеса на рельс л от скорости прохождения стрелочного перевода для первого вагона по ходу движения состава. Пунктирной линией показан уровень минимально допустимых значений л [5].

безопасность железнодорожный состав стрелочный перевод

Рис. 1. Зависимость коэффициента безопасности в отношении вкатывания колеса на рельс от скорости движения вагона по стрелочному переводу

Анализируя результаты моделирования прохождения пассажирским составом исправного стрелочного перевода, можно сделать следующие выводы:

· параметры ходовой динамики, полученные с помощью второго (упрощенного) варианта динамической модели, отличаются от результатов первого варианта не более чем на 5%;

· параметры ходовой динамики при скоростях прохождения стрелочного перевода до 48 км/ч не превышают допускаемых уровней.

При анализе безопасности прохождения составом неисправного стрелочного перевода рассматривается наиболее опасная с точки зрения схода с рельсов неисправность - отставание остряка от рамного рельса. Величина отставания остряка от рамного рельса, измеряемая у остряка против первой тяги, не должна превышать 4 мм [4].

При моделировании рассматривалось отставание остряка от рамного рельса в пределах от 1 до 7 мм с шагом 1 мм. Соответствующие изменения были внесены во второй вариант динамической модели. Для полученных модифицированных моделей с разными уровнями неисправности перевода анализировались параметры ходовой динамики для скоростей 5-40 км/ч с шагом 5 км/ч.

Рис. 2. Зависимость коэффициента безопасности в отношении вкатывания колеса на рельс от скорости движения вагона по неисправному стрелочному переводу

В качестве примера на рис. 2 приведены графики зависимости коэффициента безопасности л от скорости движения вагона по стрелочному переводу с различными величинами отставания остряка от рамного рельса.

На рис. 3 приведен график зависимости скорости прохождения стрелочного перевода, при которой происходит сход с рельсов колесной пары состава, от величины отставания остряка от рамного рельса.

Рис. 3. Зависимость скорости прохождения стрелочного перевода, при которой происходит сход с рельсов колесной пары состава, от величины отставания остряка от рамного рельса

Результаты моделирования прохождения пассажирским составом стрелочного перевода с различной степенью неисправности позволяют сделать следующие выводы:

· для скорости 40 км/ч безопасность обеспечивается при величине отставания остряка от рамного рельса не более 2 мм;

· для рекомендуемой величины отставания остряка от рамного рельса 4 мм безопасная скорость составляет26 км/ч;

· для максимальной рассматриваемой величины отставания остряка от рамного рельса 7 мм безопасная скорость составляет около15 км/ч.

Анализируя развитие аварийных ситуаций, связанных с прохождением железнодорожным составом неисправных стрелочных переводов, можно сделать следующие выводы:

· Наиболее вероятен сход с рельсов первой колесной пары первой тележки первого вагона состава.

· Все колесные пары тепловоза при всех вариантах неисправности стрелочного перевода не сходят с рельсов, что объясняется значительным весом локомотива и передаваемыми на колесные пары крутящими моментами. Даже при значительной величине отставания остряка от рамного рельса (до 7 мм) колесные пары локомотива заезжают на остряк и уходят на соседний путь.

Колесные пары первой тележки первого вагона состава перескакивают остряк, сходят с рельсов и продолжают двигаться по основному пути, при этом локомотив переходит на соседний путь и через автосцепное устройство создает тяговое усилие, стремящееся сместить кузов первого вагона на соседний путь. При прохождении расстояния 150-250 м сошедшая с рельсов тележка упирается в рельсошпальную решетку, разворачивается, происходит разрушение шкворня или пятникового узла и выход тележки из-под кузова с дальнейшим падением кузова на рельсошпальную решетку.

Адекватность данного сценария и соответственно предлагаемой методики подтверждается совпадением результатов моделирования спараметрами реальной аварийной ситуации, произошедшей в январе 2011 г. с пассажирским поездом №314 сообщением Пенза - Нижневартовск на станции Пыть-Ях.

Список литературы

1. Программный комплекс «Универсальный механизм»

2. Гребенюк, П.Т. Тяговые расчеты: справочник/ П.Т. Гребенюк, А.Н. Долганов, А.И. Скворцов. - М.: Транспорт, 1987. - 272 с.

3. Вершинский, С.В. Динамика вагона / С.В. Вершинский, В.Н. Данилов, И.И. Челноков. - М.: Транспорт, 2004. - 304 с.

4. Инструкция МПС РФ от 01.07.00 №ЦП-774. Инструкция по текущему содержанию железнодорожного пути (ред. от 29.03.02). - М.: Транспорт, 2002. -223 с.

5. Нормы для расчета и проектирования вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм (несамоходных). - М.: ГосНИИВ - ВНИИЖТ, 1996. -319 с.

Размещено на Allbest.ru