Машиностроение
русский
Динамика и прочность машин
ГЛАВНАЯО КОМПАНИИСОБЫТИЯГАЛЕРЕЯ РАБОТНАШИ КЛИЕНТЫВАКАНСИИКОНТАКТЫ
Презентации Статический анализ

Динамика и кинематика

Проектирование Гидрогазодинамика Биомеханика
  Динамический расчет. Нелинейный анализ. Расчет конструкций.
Презентации

Определение причин крушения вагонов пассажирского поезда «Невский Экспресс»

Введение

Повреждение рельсового пути под локомотивом пассажирского поезда «Невский Экспресс», следовавшего со скоростью 197 км/час, привело к сходу четырех хвостовых вагонов. В результате два последних вагона отцепились от состава и при неуправляемом движении по грунту получили значительные повреждения. Один вагон опрокинулся набок. Во втором вагоне при врезании в грунт произошел каскадный срыв пассажирских кресел, которые сместились в переднюю часть салона, что привело к человеческим жертвам.

В настоящей работе построено 6 различных математических моделей кресел, вагонов и тележек.

Выполнен динамический расчет прохождения колесной парой поврежденного участка пути с целью определения нагрузок на рельсошпальную решетку и характер ее дальнейшего разрушения.
Определен критический горизонтальный угол излома рельса (4° при длине консоли 2 м). Если излом меньше критического, то вагон может преодолеть дефектный участок без схода колёсных пар с рельс. Если же угол превышает критическое значение, то сход вагона с рельс неизбежен.
Смоделирован процесс торможения вагона по деформируемому грунту со скорости 167 км/час до остановки. Вагон остановился через 0,92 с. Среднее ускорение торможения составило  5,1 g, путь  21,3 м. Воспроизведено повреждение вагона при расцепке и торможении по грунту.
Определены минимальные значения ускорений, при которых происходит разрушение крепления кресла к основанию. По результатам динамических расчетов конструкции кресла не удовлетворяют безопасности, однако слабые узлы могут быть доработаны как в зоне соединения кресла с основанием, так и основания с настилом пола.

Фотографии вагона №33122 в результате крушения поезда

Развитие событий

27 ноября 2009 года в 21:29:14 произошел разрыв рельса в результате подрыва железнодорожного полотна 2-го главного пути. Подрыв произошел в момент прохода первой тележки локомотива пассажирского поезда «Невский Экспресс», движущегося со скоростью 197 км/час. Локомотив продолжил движение по рельсам.
Разрыв рельса составляет 0,7 м. Первоначально оба консольных участка разрушенного рельса соосны и данное повреждение пути с высокой вероятностью не опасно для движения поезда на скорости 197 км/час. Локомотив и первые вагоны устойчиво преодолели место повреждения рельса. Тем не менее, каждая ось проходящего состава производит сильный удар по кромке консольного участка рельса и этим наносит дополнительное повреждение. В результате периодических ударов рельс смялся, шпала раскололась, грунт просел, клеммы расшатались, а ось рельса получила прогиб влево от первоначального положения (подтверждается осмотром).
Когда 12-й вагон проходил по разрыву рельса, прогиб незакрепленного консольного участка достиг критической отметки, ширина колеи увеличилась до 1602 мм, левое колесо попало внутрь колеи, и произошел сход тележки вправо. Следующие вагоны также сошли с рельс и далее двигались по шпалам, окончательно разбивая пути. Еще через 150 метров динамическое раскачивание вагонов, движущихся по неустойчивому пути, привело к заваливанию 13-го вагона вправо с одновременным сходом с балластной призмы и с насыпи под откос. Вслед за ним сошел последний 14-й вагон. Однако состав продолжал тянуть уходящие вправо 2 вагона.
От перегрузок произошла расцепка 13-го и 14-го вагонов. После отцепки от состава 14-й вагон продолжил движение под откос со скоростью 190 км/час и врезался в холм. Перегрузки торможения, действующие на 14-й вагон, составили в среднем не менее 5g, что привело к значительным повреждениям конструкции вагона и человеческим жертвам.
После расцепки состав на той же скорости продолжал тянуть 13-й вагон, зарывающийся в грунт и возвращающийся обратно на пути вслед за составом. Из-за этого сошли с рельс еще 2 вагона, но 13-й вагон уже на боку и без тележек был вытянут обратно на пути.

 

Из-за падения на бок 13-й вагон отцепился и на протяжении более 100 метров скользил на боку вдоль путей  до полной остановки.
Остальной состав, без двух вагонов, продолжил движение до полной остановки более километра.

Расчет проезда колесом поврежденного участка пути

Выполнен динамический расчет прохождения колесной парой поврежденного участка пути с целью определения напряженно-деформированного состояния рельсошпальной решетки.

 Распределение напряжений в рельсе в момент наезда колеса на торцевую кромку головки рельса

Расчет кинематики прохождения составом разрыва рельса

По мере прохождения составом места разрыва рельса горизонтальный отгиб консоли увеличивался от минимального значения, не ведущего к сходу колёсных пар, до некоторого критического.

Определен критический горизонтальный угол отгиба рельса – 4° при длине консоли 2 м. Если отгиб рельсовой плети меньше критического, то пассажирский вагон способен преодолеть поврежденный участок без схода колесных пар с рельс. Если же угол отгиба рельса превышает критическое значение, то сход вагона с рельсов неизбежен.

Разрыв рельса, зафиксированный  на участке пути в день катастрофы

Результаты виртуальных испытаний. Проезд тележки места разрыва в прямом рельсе

Результаты виртуальных испытаний. Критический отгиб двухметровой консоли


Расчет торможения вагона по грунту

Выполнены виртуальные испытания процесса торможения вагона по деформируемому грунту со скорости 167 км/час до полной остановки. Вагон остановился через 0,92 с. Среднее ускорение торможения составило  5,1 g, тормозной путь  21,3 м.

Результаты виртуальных испытаний.  Деформация вагона при столкновении с грунтом рельефа местности

Расчет каскадного срыва пассажирских кресел в 14 вагоне

Исходя из анализа сил, действующих на вагон 14, при резком торможении по грунту произошел каскадный срыв пассажирских кресел. То есть, в процессе действия перегрузок некоторые кресла оторвались, сместились по направлению движения и сломали следующие кресла. Описанный процесс развивался лавинообразно. Это привело к человеческим жертвам.
Расчетная модель представляет собой расположенные в вагоне пассажирские кресла и сидящие на них манекены массой по 77 кг. В салоне вагона расположены 68 кресел. Конструкция кресла выполнена с возможностью разрушения соединений. Все объекты способны соударяться между собой и со стенками вагона.

Начальная скорость движения 197 км/ч. К вагону приложено резкое торможение с перегрузкой 3,0g и сила тяжести.

Расчетная модель для виртуальных испытаний. Модели пассажирских кресел вагона и манекенов

Расчетная модель для виртуальных испытаний. Модель вагона

При ускорении выше 2,2g происходит каскадный срыв кресел. Разрушение начинается с верхних узлов крепления кресел (отрыв от оснований), расположенных по ходу движения вагона (задняя половина вагона). Разрушение происходит от удара манекеном по спинке кресла сзади. Оторванные кресла вместе с манекенами перемещаются в переднюю часть вагона и отрывают расположенные там кресла от настила пола.

Расчетная модель для виртуальных испытаний.  Сохранившиеся элементы крепления кресел при воздействии ускорения 3,0g


Сопоставление результатов виртуальных испытаний с зафиксированной схемой повреждения кресельных блоков вагона № 002-33122 (14-й вагон поезда)


Результаты динамических расчетов по моделированию процесса торможения вагона с пассажирскими креслами показывают необходимость доработки узлов крепления кресел как в зоне соединения кресла с основанием, так и основания с настилом пола.

Расчет подробной модели кресла построенной по натурному образцу

Для более детального рассмотрения причин разрушения креплений пассажирских кресел выполнен расчетный анализ прочности конструкции кресла Германской фирмы Grammer, применяющегося в поезде «Невский экспресс». Расчетная модель построена по натурному образцу соответствующего кресла. Учтены все конструктивные элементы и все подвижные и неподвижные соединения. В модели учтена реальная конструкции пола вагона.

Пассажирское кресло поезда «Невский экспресс». Образец и расчетная модель кресла

Выполнен анализ напряженно-деформированных состояний элементов конструкции кресла вагонов поезда «Невский экспресс» при статических и динамических нагрузках.

К креслу прикладывались силы в разных направлениях либо прикладывалось ускорение торможения (от 1,0g до 5,0g), а сзади в спинку кресла ударялось тело массой 77 кг, моделирующее сидящего сзади пассажира на расстоянии 0,5 м.

С учетом сидящего сзади пассажира массой 77 кг, кресло способно выдержать нагрузку не более 1,0g. Расчеты выявили очень слабое место конструкции – задние проушины крепления кресла к основанию. В сочетании с хрупким алюминиевым сплавом, из которого изготовлены детали, такое конструкторское решение  неэффективно. При нагрузках близких к 3,0g, литые детали боковин разрушаются, и вся конструкция кресла отрывается от основания. При этом, поглощение энергии незначительно, и тело вместе с креслом сохраняют высокую скорость движения, что вызывает разрушение впереди стоящих кресел.

Результаты динамического расчета кресла с ускорением 3,0g

По результатам расчетов и анализа конструкции предложены варианты усиления слабого узла кресла. Предложено добавить одно или два соединительных звена, снижающих нагрузку на болты.


Оптимизация конструкции. Элементы для увеличения несущей способности конструкции пассажирского кресла

Оптимизация конструкции. Результаты динамического нагружения усиленного кресла

Расчет усиленной модели пассажирского кресла под действием тех же нагрузок в 3,0g показал, что, несмотря на разрушение некоторых элементов, полная конструкция выдержала удар и остановила тело, полностью поглотив энергию удара. Такой вариант, несомненно, является удовлетворительным в аварийной ситуации.

Необходимо отметить, что подобное усиление не решает всех проблем, поскольку остается еще одно слабое место – крепление основания к полу и сам фанерный пол, что подтверждается фотографиями с места крушения.

 

Выводы

Удар по креслу дополнительной летящей массой не пристегнутого пассажира обладает наиболее разрушительными последствиями для конструкции кресла, чем простое статическое надавливание. Динамический анализ позволяет обнаружить действительные слабые места конструкции, а так же увидеть максимально эффективные способы усиления и доработки конструкции с точки зрения трудоемкости.

Результаты расчетов показывают необходимость существенной доработки, как самих кресел, так и узлов крепления кресла с настилом пола. Усилить кресло можно достаточно простым способом, однако, для усиления пола вагона необходимо пересмотреть конструкцию кузова вагона.

Таким образом, очевидна необходимость динамического исследования конструкций применяемых в железнодорожном транспорте, так же как в авиации и автомобилестроении.

ООО «Хекса» по заказу ОАО «РЖД»





Rambler's Top100Rambler's Top100Рейтинг@Mail.ru