В условиях роста грузоперевозок и ужесточения требований к безопасности железнодорожного транспорта инженерные расчёты играют важную роль в проектировании и модернизации подвижного состава, а также сопутствующих механизмов. Одним из критически важных аспектов является оценка ударных нагрузок, возникающих в автосцепках вагонов, например, при резком упоре вагона в стопор. От расчётов может зависеть не только сохранность груза, но и предотвращение повреждений конструкции, способных привести к аварийным ситуациям.

Специалисты АО «ЦИФРА» выполнили расчёт нагрузок, возникающих в автосцепках грузового состава, и выполнили проверку гипотезы о возможном слетании шкворневой балки вагона с колёсной тележки при ударе в вагон.

Проведённое исследование позволило выявить и количественно оценить динамические процессы без проведения дорогостоящих натурных испытаний. Такой подход обеспечивает возможность принимать обоснованные инженерные решения, минимизировать риски и оптимизировать конструкцию под реальные эксплуатационные условия.

Объект исследования

На первом этапе работы рассматривается состав загруженных вагонов, соединённых автосцепками и поглощающими аппаратами. Один из вагонов соединён с защитным механизмом. При срабатывании защитного механизма вагон упирается в жёсткий стопор и при этом воспринимает ударную нагрузку от остального движущегося состава. Рассмотрен ряд расчётных случаев, различающихся параметрами состава и поглощающих аппаратов.

На втором этапе выполнено моделирование удара методом конечных элементов в зафиксированный защитным механизмом вагон при наибольшей из сил удара, определённых на первом этапе.

Расчёт нагрузок от соударения

Для определения усилий между вагонами разработана математическая модель состава как системы сосредоточенных масс, соединённых упругими элементами с демпфирующими свойствами. В рамках работы разработана методика, позволяющая определять механические характеристики поглощающих аппаратов, такие как жёсткость, силы вязкого и сухого трения на основе данных ГОСТ 32913–2014 «Аппараты поглощающие сцепных и автосцепных устройств железнодорожного подвижного состава».

Разработанная математическая модель реализована в программном коде, осуществляющем интегрирование уравнений динамики вагонов состава. В результате расчётов с применением разработанной математической модели определены временные зависимости усилий в автосцепках для разных наборов параметров состава и поглощающих аппаратов.

Пример расчёта усилий в автосцепке между вагонами приведён на рисунке ниже.

Расчётная сила взаимодействия вагонов

Моделирование удара в закреплённый вагон

На основе предварительных расчётов определён худший случай нагружения среди всех расчётных случаев, определяемых по комбинациям параметров.

Полученное значение силы удара использовано для проверки технических гипотез о поведении состава вагонов при резкой остановке.

Для проверки гипотез разработана трёхмерная расчётная модель вагона, которая состоит из несущей рамы, образованной хребтовой, поперечными и шкворневыми балками, а также колёсных тележек.

Расчёт выполнен методом конечных элементом в постановке явной динамики. На рисунке ниже приведён пример аварийного поведения закреплённого вагона, при котором происходит слетание кузова вагона с колёсной тележки, сопровождающееся срезанием шкворня и скручиванием надрессорной балки.

Момент слетания кузова с колёсной тележки

Результаты расчёта позволяют принять технические решения при проектировании подвижного состава и его защитных механизмов.

Изображение заголовка Eugene Uhanov on Unsplash