УДК 629.4
,
ОЦЕНКА БЕЗОПАСНОСТИ ПРОХОЖДЕНИЯ ПАССАЖИРСКИМИ
ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫМИ СОСТАВАМИ СТРЕЛОЧНЫХ ПЕРЕВОДОВ
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 длиной19,5 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 рассматривалисьдва варианта динамической модели:модель прохождения исправного стрелочного переводас уточненным описанием контакта колеса с рельсом и учетом микронеровностей рельса(вариант 1) имодель, 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 коэффициентабезопасности в отношении вкатывания колеса на рельс λ от скорости прохождения стрелочного перевода для первого вагона по ходу движения состава. Пунктирной линией показан уровень минимально допустимых значений λ[5].
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.
В качестве примера на рис. 2 приведены графики зависимости коэффициента безопасности λ 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.
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 составляет
26 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 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 № 000 сообщением Пенза – Нижневартовск на станции Пыть-Ях.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Программный комплекс «Универсальный механизм». – URL: http://www. *****.
2. Гребенюк, расчеты: справочник/ , , . – М.: Транспорт, 1987. – 272 с.
3. Вершинский, вагона/, , . – 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.
Материал поступил в редколлегию 5.03.12.
