Для повышения безопасности движения пассажирских поездов предусмотрено усовершенствование конструкций локомотивов и вагонов и разработка способов защиты конструкций железнодорожных экипажей при аварийных ситуациях. С помощью методов математического моделирования проведено исследование влияния применения защитных устройств в виде деформируемых элементов на нагруженность конструкций экипажей скоростного пассажирского поезда, состоящего из локомотива и восьми вагонов, при наезде поезда на неподвижное препятствие и при столкновении поездов. Установлено, что оборудование вагонов и локомотива поезда защитными устройствами с соответствующими эксплуатационными характеристиками позволяет повысить защиту пассажиров, поездной бригады и обслуживающего персонала при сверхнормативных ударных нагрузках.

Разработан алгоритм исследования процесса деформирования элементов, предназначенных для пассивной защиты локомотива скоростного пассажирского поезда при аварийных столкновениях. Проанализированы особенности деформирования элементов пассивной защиты за пределом упругости с учетом физической и геометрической нелинейностей, а также влияния скорости деформации на физико-механические характеристики материала конструкции.

Приведены результаты анализа современных мировых тенденций и подходов к решению проблемы пассивной безопасности железнодорожных экипажей, в частности локомотивов, а также действующей в настоящее время в европейских странах нормативной базы, регламентирующей пассивную безопасность скоростных и высокоскоростных пассажирских поездов. Определены основные принципы создания пассивной защиты локомотива скоростного пассажирского поезда. Предложена концепция пассивной защиты локомотива нового поколения, предназначенного для скоростного железнодорожного движения по колее 1520 мм.

Показано можливості підвищення пасивної безпеки локомотива нового покоління при аварійних зіткненнях шляхом створення кабіни машиніста з жертовною зоною та пристроями поглинання енергії. Розроблено основні вимоги до пасивного захисту пасажирського локомотива нового покоління, конструктивно-компонувальну схему кабіни машиніста локомотива з системою пасивної безпеки, до складу якої входять два пристрою поглинання енергії в кінцевій частині рами кузова, жорстка лобова стінка, жертовна зона та зона безпеки. Запропоновано та запатентовано конструкцію пристрою поглинання енергії, виконано креш тест його експериментального зразка. Розроблено науково-методичне забезпечення та скінченно-елементні моделі для дослідження напружено-деформованого стану елементів конструкцій каркаса кабіни за умов статичного нормативного навантаження на елементи лобової стінки, а також при наднормативних ударах з урахуванням геометричної та фізичної нелінійностей, залежності межі плинності сталі від швидкості деформації, змінної контактної взаємодії між елементами механічної системи тіл, що співударяються. На основі результатів виконаних досліджень розроблено, виготовлено та впроваджено у виробництво на ВАТ "Виробниче об'єднання Новочеркаський електровозобудівний завод" модульну кабіну машиніста електровоза ЕП20 з елементами системи пасивної безпеки.

Отмечено, что приоритетным направлением развития железнодорожного транспорта Украины является внедрение скоростного пассажирского движения и обновление подвижного состава. Локомотив нового поколения должен иметь систему пассивной безопасности, которая в случае неизбежного столкновения обеспечивает преобразование энергии удара в механическую работу, связанную с контролируемым пластическим деформированием специальных устройств поглощения энергии (УПЭ), что позволит уменьшить тяжесть последствий аварии и сохранить жизни пассажиров и поездной бригады. Рассмотрена актуальная проблема разработки УПЭ для скоростного пассажирского локомотива на основе результатов математического моделирования пластического деформирования УПЭ при сверхнормативных ударах и натурных ударных испытаний (крэш-тестов) УПЭ на базе европейского стандарта EN 15227. Приведены результаты выполненного в испытательном центре TUV SUD Rail GmbH (Герлиц, Германия) крэш-теста опытного образца УПЭ коробчатого типа, содержащего сотовые пакеты. Конструкция УПЭ разработана в сотрудничестве Института технической механики Национальной академии наук Украины и Государственного космического агентства Украины с ООО "Проектно-конструкторское производственное предприятие МДС" и запатентована в Украине. Цель крэш-теста - экспериментальное исследование пластического деформирования исследуемой конструкции при ударе, определение характеристики контактного усилия между соударяющимися телами, оценка энергоемкости опытного образца УПЭ. Дано описание разработанного научно-методического обеспечения. Приведены результаты конечно-элементного моделирования крэш-теста опытного образца УПЭ. Выполнена верификация разработанной конечно-элементной модели путем сравнения по критериям европейского стандарта EN 15227 результатов, полученных расчетным и экспериментальным путями. Подтверждена достоверность результатов численных расчетов, выполненных с помощью разработанного научно-методического обеспечения.

При проектировании локомотива нового поколения необходимо предусмотреть наличие интегрированной в его конструкцию системы пассивной безопасности (СПБ), которая должна обеспечить защиту пассажиров и персонала поезда при наиболее вероятных аварийных столкновениях. Рассмотрен сценарий столкновения эталонного поезда и грузового вагона массой 80 т со скоростью 36 км/ч. Эталонный поезд состоит из локомотива, оборудованного СПБ с устройствами поглощения энергии (УПЭ), и грузового вагона массой 80 т. Такой сценарий предусмотрен европейским стандартом EN 15227. Цель исследований - разработка УПЭ для скоростных пассажирских локомотивов нового поколения массой 90 - 123 т. Исследование динамической нагруженности локомотива для определения интегральных параметров УПЭ, в частности его энергоемкости, проведено в рамках дискретно-массовой математической модели. Новизной этой модели является усовершенствование силовой характеристики взаимодействия экипажей с учетом работы поглощающих аппаратов сдвигаемых автосцепных устройств и УПЭ, а также возможности возникновения в конструкциях УПЭ и экипажей пластических деформаций. Приведено также описание новой конечноэлементной модели пластического деформирования УПЭ при ударе, с помощью которой разработана конструкция УПЭ с энергоемкостью 0,95 МДж и выбраны ее параметры. Показано, что установка двух таких УПЭ в концевых частях локомотива обеспечивает выполнение сценария столкновения эталонного поезда с грузовым вагоном в соответствии с европейским стандартом EN 15227 и разработанной концепцией пассивной безопасности пассажирского подвижного состава железных дорог колеи 1520 мм.

Актуальною проблемою вітчизняного залізничного транспорту є оновлення моторвагонного рухомого складу, підвищення швидкостей та безпеки його руху у відповідності до діючих вітчизняних стандартів ДСТУ EN 12663 та ДСТУ EN 15227, які регламентують відповідно міцність конструкцій вагонів пасажирського поїзда в експлуатації та його пасивну безпеку при аварійних зіткненнях з різними перешкодами. Спираючись на світовий досвід, в Інституті технічної механіки Національної академії наук України і Державного космічного агентства України розроблено концепцію пасивного захисту вітчизняних швидкісних пасажирських поїздів при аварійних зіткненнях, що відповідають сценаріям стандарту ДСТУ EN 15227, пропозиції щодо пасивного захисту вітчизняного головного вагона моторвагонного поїзда, стільникові конструкції пристроїв поглинання енергії нижнього (ППЕ 1) і верхнього (ППЕ ВР) рівнів для лобової частини головного вагона, а також пристрої нижнього рівня (ППЕ 2 і ППЕ 3) для установки в міжвагонних з'єднаннях. Конструкції захисних пристроїв верхнього та нижнього рівнів для вагонів вітчизняного моторвагонного поїзда розроблено на основі результатів скінченно-елементного моделювання з використанням попереднього досвіду розробки пристрою пасивного захисту для швидкісного пасажирського локомотива та результатів успішного креш-тесту прототипу цього пристрою. Для сценарію 3, що характеризує зіткнення еталонного моторвагонного поїзда зі швидкістю 110 км/год на залізничному переїзді з великим транспортним засобом масою 15 т, розроблено згідно з вимогами ДСТУ EN 15227 модель великогабаритної перешкоди, що може деформуватися (ВПД). Розроблено також скінченно-елементні моделі, за якими визначено силові характеристики взаємодії запропонованих елементів пасивного захисту головного вагона з ВПД. Мета статті - визначення динамічної навантаженості екіпажів моторвагонного поїзда, обладнаного засобами пасивного захисту, при зіткненні поїзда з великим транспортним засобом. На основі математичної моделі зіткнення ідентичних моторвагонних поїздів розроблено математичну модель зіткнення еталонного поїзда з великим транспортним засобом на залізничному переїзді (сценарій 3) з урахуванням визначених силових характеристик взаємодії перешкоди з двома ППЕ 1 нижнього рівня, двома ППЕ ВР верхнього рівня та роботи конструкції головного вагона при зіткненні. Проведено аналіз динамічної навантаженості екіпажів еталонного поїзда з системою пасивної безпеки (маса головного вагона 80 т, маси проміжних вагонів 50 т або 64 т) при його зіткненні згідно з умовами сценарію 3. Дослідження проведено для двох схем розміщення ППЕ в лобовій частині головного вагона. Установлено, що запропонований пасивний захист вагонів еталонного поїзда для обох схем згідно з визначеними варіантами використання ППЕ нижнього та верхнього рівнів в залежності від мас проміжних вагонів відповідає критеріям ДСТУ EN 15227 для сценарію 3.