Компоновка поездов, пассажирских и служебных помещений вагонов. Системы жизнеобеспечения пассажиров и поездного персонала
В настоящее время предъявляются достаточно высокие требования к интерьерам самолетов, автобусов, пассажирских вагонов. Обустройство и дизайн пассажирских салонов, наряду с внешним видом транспортных средств, во многом определяет имидж компании-перевозчика, влияет на ее конкурентоспособность. Для создания дизайн-проектов вагонов высокоскоростных поездов привлекаются ведущие фирмы, специализирующиеся в области промышленного художественного конструирования, которые на всех этапах создания нового подвижного состава работают в тесном контакте с проектировщиками поезда и заказчиками — железнодорожными компаниями, эксплуатирующими подвижной состав.
К кабине машиниста высокоскоростного поезда предъявляются повышенные требования с точки зрения рациональности размещения оборудования и приборов управления, эргономичности рабочего места машиниста, создания комфортных условий для работы локомотивной бригады. Кабины управления этих поездов выполняются герметичными с индивидуальными (независимо от пассажирских салонов) установками кондиционирования воздуха. В настоящее время на высокоскоростных магистралях Японии, европейских стран ведение поезда осуществляется, как правило, машинистом без помощника. В силу этого в последних моделях поездов кресло машиниста устанавливается по продольной оси кабины. На рис. 12.14 показан пример компоновки кабины машиниста современного высокоскоростного поезда.
|
|
Практически везде перевозки в высокоскоростных поездах осуществляются только на местах для сидения. Попытка создания спальных мест в виде люкс-купе с раскладывающимися креслами-диванами была предпринята в Японии в 80-е годы в поездах серии 100, в одном из вагонов которого располагались купе, рассчитанные на одного, двух или трех пассажиров (рис. 12.15). Однако на коротких маршрутах это предложение оказалось практически не востребовано пассажирами. Сегодня исключением являются несколько протяженных маршрутов в КНР, где эксплуатируются высокоскоростные поезда со спальными вагонами.
К настоящему времени в мире в большинстве компаний, осуществляющих высокоскоростные перевозки, сложилась практика разделения пассажирских салонов по уровню комфортности на два класса. Часто, вместо терминов «первый» или «второй» класс употребляют, видимо более демократичные по звучанию названия: «бизнес-класс» (в Японии его называют «зеленый класс») и «экономический класс» или «туристический» — названия, пришедшие из авиации (имеется в виду разделение по уровню оснащенности, комфортности мебели в салонах). Компании-перевозчи-
|
|
Рис. 12.14. Кабина управления высокоскоростным поездом I'astech 360S. Япония. 2005 г. |
Рис. 12.15. Двухместное и одноместное люкс-купе вагона высокоскоростного поезда серии 100. Япония. 80-е годы XX столетия |
В первых моделях немецких и испанских высокоскоростных поездов более комфортные места, как правило, располагались в изолированных купе для четырех-шести пассажиров. И сегодня в некоторых вагонах высокоскоростных поездов устраиваются люкс- купе (рис. 12.16). Однако к настоящему времени в вагонах высокоскоростных поездов доминирующим стало размещение пассажирских кресел в открытых салонах типа самолетных. Для снижения неприятного туннельного эффекта длинного салона его иногда разделяют на две или три секции легкими декоративными перегородками в виде арок без дверей. Иногда в вагонах первого класса с помощью легких перегородок, как правило, не доходящих до потолка, компонуются купе с различным числом мест, создающие ощущение обособления.
|
|
В вагонах японских высокоскоростных поездов, имеющих самую большую ширину кузова из всех эксплуатируемы в мире (около 3380 мм) в экономическом классе в ряд размещаются пять кресел по схеме 2 + 3 — два кресла, проход, три кресла), а в салонах первого класса — четыре кресла (2 + 2) (рис. 12.17). В вагонах европейских высокоскоростных поездов, ширина кузова которых уже, чем у японских поездов Син- кансэн (от 2814 до 3020 мм), в салонах экономического класса (рис. 12.18) в ряд располагают четыре кресла (2 + 2), а в салонах первого класса — три кресла (1 + 2). В китайских высокоскоростных поездах, ширина кузова которых больше, чем в европейских, в салонах второго класса размещают в ряд пять кресел. Также поступили и разработчики последней модели высокоскоростного поезда компании Talgo «Avril» (Испания), представленного общественности осенью 2012 г. За счет применения конструкции более коротких вагонов ширину кузова увеличили до 3200 мм и разместили во втором классе 5 кресел в ряд, при несколько уменьшенной ширине каждого сидения, что, безусловно, снизило комфортность проезда пассажиров.
В России пока воздерживаются от подобного уплотнения. Ширина вагонов поезда «Сапсан» близка по ширине к вагонам поездов Синкансэн — 3257 мм, но в российских вагонах, как бизнес-класса, так и экономического устанавливают в ряд четыре кресла.
|
|
Интересно отметить такой факт. В поездах серии 0 первого выпуска (1963 г.) в ва-
Рис. 12.16. Люкс-купе на четырех пассажиров в вагоне высокоскоростного поезда ЕТР500. Италия. 2008 г.
гонах, как первого, так и второго классов, ряды пассажирских кресел для удобства пассажиров размещались строго против окон в боковых стенках. Поскольку расстояние между рядами кресел в первом классе было принято больше, чем во втором, пришлось спроектировать и изготовить для вагонов первого и второго класса разные кузова, отличающиеся шириной окон и межоконных промежутков. Впоследствии, как в Японии, так и в других странах, пошли по пути унификации и практически полностью перешли на изготовление вагонов с одинаковой шириной окон и межоконных промежутков. Это привело к тому, что в вагонах современных поездов (например, «Сапсан» и других) часть кресел устанавливается в простенке между окон, однако перевозчики считают оправданным дискомфорт для нескольких пассажиров в интересах упрощения производства вагонов.
Как правило, при оформлении салонов бизнес-класса придерживаются сдержанной,
Рис. 12.17. Интерьеры вагонов японских высокоскоростных поездов: а — салон первого класса вагона поезда серии 0 (ноль) — первого высокоскоростного поезда в мире. 1964 г.; б — экономического класса поезда серии 700. 1999 г. |
Рис. 12.18. Высокоскоростной поезд TGV R — салон вагона экономического класса. Франция. 2005 г. |
Внутренняя отделка вагона, как правило, основана на модульной концепции с использованием скрытых от глаз пассажиров средств фиксации (крепления) элементов стен, оконных рам и т.п. Обычно крепления включают в себя систему алюминиевых и пластмассовых выступов, запанель- ных соединений, переходов между панелями и перегородками, что позволяет производить быструю и эффективную сборку с минимальным числом операций. Все отделочные материалы вагонов высокоскоростных поездов должны удовлетворять требованиям пожарной безопасности, гигиены и санитарии.
Полки и стеллажи для багажа представляют собой либо простые конструкции из легких металлов, закаленного стекла с разнообразной отделкой, либо отделения для багажа с подвижной крышкой-лотком самолетного типа[8], так называемые полки «Боинг». Часто с каждой стороны вагона вблизи тамбура оборудуются специальные отделения (места) для багажа, вешалки для одежды. В последнее время проблема обеспечения сохранности вещей пассажиров заставила конструкторов переместить багажные стеллажи в центр салона, где вещи находятся под присмотром их владельцев. Так сделано, например, в вагонах последней модификации поездов ICE, Германия; TGV, Франция (рис. 12.21}.
Несмотря на то, что продолжительность поездки в высокоскоростных поездах редко превышает 3,5—4 часа, компании-перевозчики прилагают большие усилия по организации питания для пассажиров, видя в этом и важный элемент поднятия имиджа и возможность получения дополнительных доходов.
Рис. 12.19. Вагон класса «Люкс» с креслами, трансформируемыми в спальные места в общем салоне высокоскоростного поезда «Зефир 380». Компания Bombardier для КНР. 2012 г.
Рис. 12.20. Четырехместное купе высокоскоростного поезда «Зефир 380». 2012 г.
Рис. 12.21. Полка для багажа в средней части салона вагона поезда TGV R. Франция. 2005 г. |
На большинстве маршрутов сложилась следующая практика организации питания в высокоскоростных поездах: пассажирам бизнес-классов, чаще всего, предлагают питание на местах, его стоимость обычно включена в тариф билета. Помимо этого для пассажиров всех классов в поездах, как правило, устраивают вагон-ресторан, иногда называют: «вагон-буфет», «вагон-бистро» (рис. 12.22, 12.23'), часто в вагонах высокоскоростных поездах размещают автоматы по продаже закусок и напитков, включая горячий кофе, чай.
В вагонах высокоскоростных поездов, как правило, предусмотрены специальные места для проезда пассажиров с ограниченной подвижностью. Для этого в пассажирском салоне одного или нескольких вагонов в районе входной двери устанавливают специальные съемные кресла, а в полу устраивают анкерные крепления для колясок инвалидов, что позволяет пассажирам с ограниченной подвижностью безопасно разместиться с должным комфортом (рис. 12.24).
В настоящее время на мировом рынке кресел, сидений, специальной мебели — полок, столиков и т.п. для транспортных средств, представлена продукция нескольких десятков специализированных фирм. Большинство крупных компаний, выпускающих пассажирский железнодорожный подвижной состав, отказались от собственного производства, предпочитая осуществлять закупки этих изделий у специализированных компаний.
Размеры кресел для поездов стандартизированы, что позволяет максимально взаимно заменять их в пределах определенного набора, формируя интерьеры поездов. Кресла крепятся к полу и боковым стенам, почти всегда они имеют ножки, но пространство под ними сохраняют по возможности свободным для облегчения процесса уборки салона.
В большинстве случаев кресла оборудуют выдвижными столиками, укрепленными на спинках. В зависимости от класса вагона кресла покрывают различными тканями, искусственной кожей, имеются при-
Рис. 12.22. Зам вагона-ресторана поезда серии ETR500. Италия. 2005 г.
Рис. 12.23. Буфетная стойка вагона-бистро высокоскоростного поезда TGV R. Франция. 2005 г.
Рис. 12.24. В салоне вагона высокоскоростного поезда 700Т пассажир в коляске, расположенной на специальном месте, оборудованном креплениями. Тайвань |
меры использования натуральной кожи для кресел салонов первого класса. Все более широкое применение находят специальные, так называемые «антивандальные» ткани с металлической сеткой, которые невозможно разрезать ножом.
Несмотря на то, что практика дизайна мебели и аксессуаров для железнодорожных вагонов насчитывает около двух столетий, иногда случаются неудачные решения с точки зрения эргономики, эстетических представлений, а в некоторых случаях, опасные исходя из возможного причинения травм пассажирами. В качестве примера можно привести неудачную конструкцию откидного столика в салонах вагонов туристического класса высокоскоростного поезда «Аллегро» (рис. 12.25}. На фото видно, что отделанные металлом заостренные откидывающиеся крышки столика опасны при посадке пассажира в кресло. Закругление острых углов, придание им сглаженной формы, приближающейся к шарообразной, во многом ликвидировало бы этот недостаток. Этот пример показывает, насколько внимательно необходимо относиться к разработке интерьеров вагонов.
В вагонах скоростных и высокоскоростных поездов устанавливаются разнообразные двери: обычной конструкции с защелкивающимся замком, отделяющие пассажирские помещения от служебных и специальные — герметичные, повышенной прочности с электрическим или пневматическим приводом, особыми запорными устройствами и микропроцессорными системами управления. Такие двери, представляющие собой сложную и высокоточную конструкцию, используются в качестве наружных в боковых и торцевых стенках вагонов. Как уже было отмечено, кузов вагона испытывает значительные аэродинамические нагрузки в процессе движения по ВСМ, эти нагрузки воздействуют и на дверные устройства. В последние годы в качестве наружных дверей вагонов высокоскоростных поездов получили распространение так называемые плаг-двери[9]. Конструкция этих дверей при их закрытии сначала обеспечивает боковое перемещение до точного совмещения с дверным проемом, а затем — движение двери внутрь проема с опреде-
Рис. 12.25. Пример неудачного дизайнерского решения откидного столика — заостренные, отделанные металлом углы откидных элементов столешницы могут травмировать пассажиров |
Рис. 12.26. Наружная дверь вагона поезда «Сапсан». 2011 г.
Рис. 12.27. Схематическое изображение устройства наружных дверей вагона высокоскоростного поезда 1СЕ1 с электроприводом: 1 —узел замка; 2 — привод двери; 3 — поворотные петли; 4 — внутренний пульт управления с кнопками открытия и закрытия
ленным усилием, до плотного прилегания к стенке кузова. При открытии дверь сначала выходит наружу вагона, а затем отходит в сторону (рис. 12.26, 12.27). Двери открываются и закрываются с помощью электрических или пневматических приводов по команде машиниста, кондуктора или проводников вагонов.
Учитывая, что в Европе на некоторых ВСМ используются низкие платформы, причем отличающиеся в разных странах по высоте, конструкторам вагонов высокоскоростных поездов приходится в ряде случаев устраивать на входе в вагон внутренние лестницы для подъема с низких платформ. При этом для компенсации разницы в высоте между платформами в разных странах, нижние ступени делают выдвигающимися с помощью электрического или пневматического привода. Входные двери вагонов высокоскоростных поездов, обращающиеся на международных маршрутах, приходится оснащать выдвижными дополнительными ступеньками (площадками) для ликвидации большого зазора между краем кузова вагона и пассажирской платформой. Такая ситуация возможна, если отличаются габариты приближения строений железных дорог разных стран, и при использовании на станциях одной страны высоких платформ, а на станции другой — низких. В качестве примера на рис. 12.28, приведена наружная дверь вагона поезда «Аллегро», обращающегося по маршруту Санкт-Петербург — Хельсинки. Финляндский вокзал в Северной столице России имеет высокие платформы (рис. 12.28, а) и здесь для безопасности пассажиров у входных дверей вагонов поезда «Аллегро» выдвигается ступенька (площадка). На вокзале в столице Финляндии поезд прибывает к низким платформам и эта площадка не нужна, но необходима нижняя выдвижная ступенька (рис. 12.28, б).
Высокая скорость движения поездов заставила конструкторов обратить особое внимание на устройство безопасных и комфортных межвагонных переходов для пассажиров. Они должны быть герметичны, обеспечивать звуко- и теплоизоляцию, удобны для пассажиров всех категорий, включая инвалидов-колясочников, а также для обслуживающего персонала, пользующегося тележками для развозки еды, напитков и т.п. (рис. 12.29, 12.30).
В вагонах поездов ВСМ используются полностью закрытые окна с безосколочными стеклами, заключенными в герметичные стеклопакеты, что предотвращает проник-
а б |
Рис. 12.28. Вагон высокоскоростного поезда «Аллегро»: а — с выдвинутой ступенькой (площадкой) наружной двери у высокой платформы вокзала в Санкт-Петербурге; б — со спущенной выдвинутой нижней ступенькой у низкой платформы вокзала в Хельсинки. 2012 г. |
новение пыли и влаги в пространство между стеклами. В последнее время значительно ужесточились нормы МСЖД, определяющие прочность лобового остекления кабины машиниста. Для этих целей применяются многослойные закаленные стекла.
Системы жизнеобеспечения предназначены для создания в пассажирских салонах и помещениях для поездной бригады комфортных условий для проезда и работы: поддержание в заданных пределах температуры, влажности, давления и состава воздуха, установленного уровня освещенности, бесперебойного функционирования устройств водоснабжения и водоотведения.
Рис. 12.29. Внешний вид межвагонного перехода высокоскоростного поезда 1СЕ1. Германия. 1991 г. |
В вагонах высокоскоростных поездов, как правило, используется принудительная приточная общеобменная вентиляция мощностью не менее 1,2 кВт на вагон и суммарной производительностью: летом — не
Рис. 12.30. Интерьер межвагонного перехода высокоскоростного поезда ЕТР500. Италия. 2010 г. менее 5000 м3/ч, зимой — 1200 м3/ч. Работа установки автоматизирована и зависит от температуры воздуха в вагоне, которая контролируется термодатчиками в пассажирском помещении и в напорном воздуховоде.
В вагонах высокоскоростных поездов применяют одно- и двухканальные системы кондиционирования. Особенностью первых является то, что раздача подготовленного воздуха осуществляется по одному центральному напорному воздуховоду. При двухканальной системе теплый и холодный воздух подаются в пассажирское помещение по раздельным каналам.
Классическими являются одноканальные системы кондиционирования воздуха, включающие в себя приточно-вытяжную вентиляцию с возможностью подогрева воздуха, дополненную воздухоохладителем и системой рециркуляции.
В отопительный сезон такие установки кондиционирования воздуха осуществляют приточно-вытяжную вентиляцию с подогревом воздуха и рециркуляцией. Летом, при умеренной температуре окружающей среды, они могут работать без термообработки подаваемого в вагон воздуха, а при повышенной температуре включается в работу воздухоохладитель. Чаще всего воздухоохладителем является испаритель холодильной машины, выполненный подобно воздухоподогревателю системы вентиляции и образующий с ним единый калориферный блок. В высокоскоростных поездах используются две системы кондиционирования: традиционные для железнодорожного транспорта, в установках которых применяются экологически чистые хладагенты, не содержащие хлора или фреона-12, или самолетного типа, где в качестве рабочего тела системы охлаждения используется воздух.
В вагонах высокоскоростных поездов кузов делается герметичным, а установки вентиляции и кондиционирования воздуха объединяются с системой защиты пассажиров от резких скачков давления наружного воздуха вблизи вагонов при встрече поездов на высокой скорости или при проходе тоннелей.
С этим явлением впервые столкнулись японские инженеры при испытании прототипа высокоскоростного поезда и в первый период эксплуатации ВСМ между Токио и Осака. Резкие скачки давления воздуха в пассажирских салонах при встрече двух поездов на высокой скорости или при входе поезда в тоннель вызывали у пассажиров болезненные ощущения, даже кровотечения из носа и ушей. Потребовались большие усилия конструкторов по доработке подвижного состава: прежде всего, герметизации пассажирских салонов и установке автоматических клапанов в системе вентиляции, обеспечивающих во время рейса поддержание в пассажирских салонах небольшого избыточного давления воздуха.
Системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха высокоскоростных поездов оснащены устройствами управления и регулирования на базе микропроцессорной техники, включенными в общую структуру управления поездом. Благодаря этому они в состоянии, с одной стороны, обеспечить пассажирам высокий 31
уровень комфорта независимо от населенности вагона, а с другой — делают возможной быструю передачу по поездной информационной шине сигнала о начале подъема давления воздуха вне вагона, что вызывает срабатывание защиты.
Вагоны высокоскоростных поездов оснащаются гигиеничными экологически чистыми туалетами, обязательно с замкнутой системой сбора отходов, что дает возможность пользоваться туалетами и в период нахождения поездов на станциях. Наибольшее распространение получили вакуумные устройства сбора отходов (рис. 12.31} и конструкции с использованием для смыва жидких обеззараживающих химических реагентов. Сточные воды из туалетов и моечных устройств буфетов или вагонов-ресторанов собираются в герметичные емкости, которые опорожняются и дезинфицируются на специальных автоматизированных и механизированных установках в депо после окончания рейса. В одном или двух вагонах поезда обязательно устройство туалетов для пассажиров с ограниченной подвижностью, имеющих большую площадь и снабженных дополнительными поручнями, позволяющими использовать коляску.
В систему жизнеобеспечения современного пассажирского вагона высокоскоростного поезда входят емкости для хранения запасов воды для технических нужд и питья с устройствами водоразбора, кипячения, подогрева или охлаждения воды, а в некоторых случаях — ее доочистки и обеззараживания.
Создание оптимальных условий для проезда требует эффективной и многофункциональной по назначению системы освещения пассажирских салонов и служебных помещений. При ее проектировании приходится решать ряд противоречивых задач. С одной стороны, уровень освещенности на пассажирских местах должен быть достаточно высок для того, чтобы пассажиры имели возможность по желанию читать, писать, работать на портативных компьютерах и т.п. Вместе с тем общая освещенность в салонах не должна быть чрезмерной, в поле зрения сидящих пассажиров необходимо исключить попадание ярких источников света (нить накаливания лампы, отражатель зеркального рефлектора и т.д.), поскольку многие пассажиры предпочитают в пути отдых, сон. В пассажирских вагонах устраивается несколько независимых систем освещения со своими светильниками и обособленной электропроводкой.
Обычная система общего освещения (нормальная рабочая) салонов, купе, служебных помещений, тамбуров, межвагонных переходных устройств, как правило, имеет несколько режимов функционирования: дневной, вечерний, ночной. Перевод из одного режима в другой может осуществляться как автоматически (бортовым компьютером), в зависимости от уровня наружного освещения, так и в ручном режиме работниками поездной бригады.
Аварийная система освещения, действующая от резервного источника питания (как правило, аккумуляторных батарей), обеспечивает достаточный уровень освещенности для передвижения по салону при любых обстоятельствах, в том числе и при необходимости экстренного выхода пассажиров из вагона в чрезвычайных ситуациях.
В салонах устраиваются общее рассеянное мягкое освещение с использованием светильников отраженного света (рис. 12.32} и индивидуальные точечные регулируемые источники света для каждого пассажира, которые можно самостоятельно включать и отключать, независимо от времени суток (рис. 12.33}.
Строго индивидуально, на основании ди- зайн-проектов, расчетов и экспериментов подбирается освещение для служебных помещений, в первую очередь для кабины машиниста, а также санитарных блоков, зоны тамбуров и переходных площадок.
В последние годы предпочтение отдается экономичным люминесцентным, галогеновым или светодиодным лампам, имеющим сбалансированный спектральный состав излучаемого света, выбранный в соответствии с гигиеническими требованиями, а также исходя из концепции общего цветового оформления салонов, тона обшивки стен, обивки кресел и т.д.
Рис. 12.31. Схематическое устройство вакуумного туалета высокоскоростного поезда ICE1 (а):
1 —унитаз; 2 — кнопка приведения в действие вакуумного туалета; 3 — подача воды под высоким давлением; 4 — сжатый воздух для привода в действие запорных клапанов; 5 — запорные клапаны;
6 — вакуумная труба, соединяющая унитаз с сифоном; 7 — соединение с вакуумным насосом; 8 — сифон; 9 — сборный бак; 10 — патрубок для опорожнения сборного бака в депо; б — туалет для людей с ограниченной подвижностью
Важным элементом создания комфортных условий поездки является информационное обеспечение пассажиров. Через бортовые компьютеры поезда на многофункциональных дисплеях по «бегущей строке» пассажирам передаются сведения о ближайших станциях, режиме движения поезда, скорости в данный момент, прогноз погоды и т.п. [рис. 12.34). Получают все большее распространение информационные системы, работающие в интерактивном режиме по индивидуальным запросам пассажиров. Эти устройства взаимодействуют с железнодорожными сетями управления и могут предоставлять пассажирам справки о станциях пересадок, расписании поездов и других видов транспорта, дают возможность бронирования гостиниц и билетов для дальнейшей поездки и т.д.
Наряду с поездной громкоговорящей трансляцией, необходимой для передачи сообщений и объявлений, пассажирские места в вагонах высокоскоростных поездов, как правило, оснащаются индивидуальными аудиоустройствами — микротелефонами, с помощью которых возможно прослушивание по выбору одной из нескольких развлекательных радиопрограмм или звуковое сопровождение к видеофильмам, которые демонстрируются на телевизионных мониторах, размещенных в салоне в нескольких местах. В вагонах первого класса некоторых поездов применяются жидко-кристаллические телевизионные экраны, вмонтированные в спинки кресел предыдущего ряда.
Рис. 12.32. Освещение салона вагона с помощью светильников, расположенных за потолочными карнизами и за багажными полками. Высокоскоростной поезд «Сапсан». Германия для России. 2009 г. |
Рис. 12.33. Индивидуальные точечные светильники, размещенные в спинке кресла пассажира. Вагон высокоскоростного поезда TGV PSE (после реновации). Франция. 2005 г. |
Рис. 12.34. Информационные указатели в пассажирских салонах: а — стрелочный указатель скорости в салонах вагонов первых поездов Синкансэн серии 0. 1964 г.; б — информационное табло в вагоне высокоскоростного поезда Velaro CRH 3 показывает: номер поезда, текущее время, номер вагона, скорость в данный момент. КНР. 2010 г. |
Глава 13
Механическая часть высокоскоростного подвижного
состава: основные понятия и технические решения[10]
13.1. Динамика и взаимодействие подвижного состава и пути. Аэродинамика подвижного состава
Динамика подвижного состава изучает движение локомотивов, вагонов и поездов в зависимости от действующих на них сил и является частным разделом динамики механических систем. Движение подвижного состава определяется направлением и скоростью.
Направления поступательных и угловых перемещений отдельных тел рельсовых экипажей (кузова, тележек, колесных пар и т.п.) определяются по отношению к осям х, у, z (рис. 13.1), движущихся со скоростью экипажа, — инерционная система. Ось х направлена вперед по направлению движения вдоль оси пути, осьу направлена поперек оси пути (обычно вправо), ось zнаправлена вертикально вниз.
Вращениям вокруг осей х, у, zсоответствуют угловые перемещения. Колебания тел называют: по оси х — подергивание, по
vZ |
Вторичное подвешивание |
Рис. 13.1. Система координат железнодорожного экипажа, основные обозначения перемещений и углов поворота |
Первичное подвешивание |
Продольный амортизатор ударов (поглощающий аппарат) Рельсовый путь
оси у — относ, по оси z — подпрыгивание. Повороты тел называют: вокруг оси х — боковая качка, вокруг осиу — галопирование, вокруг оси z — виляние.
Характеристиками движения подвижного состава являются ускорения, скорости и перемещения отдельных тел экипажа во время движения вдоль пути. Тяговое, тормозное усилия, силы сопротивления и воздействия на путь определяют эксплуатационные свойства подвижного состава.
При изучении колебаний подвижного состава их иногда разделяют на три группы: вертикальные — колебания в вертикально-продольной плоскости по координатам z и <р; продольные — по координате х и поперечные — по координатам у, 0, ф. Строго говоря, в силу специфики связей и асимметрии системы все эти колебания взаимно связаны, но опыт показывает, что многие важные выводы можно сделать, рассматривая их отдельно.
Для исследования динамики подвижного состава составляют его механическую модель из твердых тел в виде масс, соединенных с помощью жестких упругих и диссипативных элементов. Жесткие элементы не допускают относительных линейных или угловых перемещений между телами в одном или нескольких направлениях. В упругих элементах возникающие в них силы зависят от относительных перемещений, а в диссипативных элементах — от скорости относительных перемещений. Зачастую применяются упруго-диссипативные элементы, силы в которых зависят как от взаимного перемещения, так и от скорости этого перемещения. Инерционные свойства твердых тел характеризуются массами и моментами инерции.
Модель подвижного состава дополняется моделью пути, которая в зависимости от задачи может представлять путь в виде жесткой поверхности, упругого основания или сложной конструкции, включающей рельсы, шпалы и балласт.
Для анализа динамических процессов высокоскоростного состава необходимо иметь модель внешних возмущений, обусловливаемых неровностями пути.
Далее, пользуясь методами механики, выполняют математическое описание модели в виде дифференциальных уравнений движения. Для этого обычно использовался принцип Даламбера или уравнения Лагранжа И рода. Затем полученные уравнения интегрируются и определяются динамические показатели подвижного состава при различных скоростях движения. В настоящее время этот процесс автоматизирован и существует ряд программных продуктов, позволяющих создавать математические модели и проводить их исследования.
Взаимодействие колеса и рельса является ключевым в динамике подвижного состава, в нем заключается основное отличие от динамики других механических систем. Правильно организованное взаимодействие колеса и рельса допускает высокие скорости. С другой стороны, неправильно сконструированное и не обеспеченное в достаточной мере техническим обслуживанием и ремонтом, взаимодействие колеса и рельса может привести к быстрому износу элементов системы и поставить под угрозу безопасность пассажиров.
Ходовые части скоростных вагонов оснащены колесными парами с колесами, жестко установленными на общей оси (рис. 13.2). Колесные пары с независимыми вращающими колесами в ограниченной мере используются, например, в вагонах типа «Talgo». Поверхность катания колеса обрабатывается так, что создается конус с углом у к оси колесной пары. Для ограничения перемещений поверхность катания завершается гребнем (конусом с большим углом а).
Поверхность катания новых колес характеризуется углом наклона к оси колесной пары, определяемым коничностью (отношение приращения радиуса колеса к длине рабочей поверхности катания), или конусностью (отношение приращения диаметра колеса к длине рабочей поверхности катания).
Для обычных вагонов колеи 1520 мм поверхность катания, начиная от гребня выполняется с коничностью 1:20, а затем 1:7. Для скоростных вагонов колеи 1520 мм вблизи круга катания имеется меньшая ко-
Рис. 13.2. Колесная пара: 2L — расстояние между кругами катания колес; 2В — расстояние между серединами шеек осей; Ro— радиус колеса по кругу катания; у — угол наклона рабочей поверхности; а — угол наклона гребня |
Железнодорожный путь состоит из двух рельсов, уложенных на шпалы с обеспечением ширины колеи (рис. 13.3). Рельсы наклонены внутрь колеи под углом р к поверхности шпал так, чтобы их положение соответствовало углу у профиля катания коле-
Рис. 13.3. Колея железнодорожного пути: р — угол подуклонки рельсов для колеи: 1520 мм уклон 1:20; для 1435 мм 1:40 (возможны 1:50 и 1:60)
са (так называемая «подуклонка»). Такое устройство пути способствует предотвращению вкатывания колеса гребнем на рельс, так как формирует нормальную реакцию в контакте колеса с рельсом, линия действия, которой, проходит через подошву рельса. При контакте стального колеса со стальным рельсом обеспечивается низкое сопротивление качению. Геометрия колесной пары математически описывается как двойной конус, что придает колесной паре уникальное свойство самоустановки, т.е. обеспечивает самоцентрирование при движении в прямой (рис. 13.4). При отклонении направления движения колесной пары, например, влево от направления рельсовой колеи, левое колесо начинает катиться по кругу катания с большим радиусом, а правое с меньшим. В результате колесная пара разворачивается и возвращается к центру рельсовой колеи. При отклонении в другом направлении все происходит наоборот.
В кривой (рис. 13.5) при отклонении колесной пары относительно пути на величинуу наружное колесо катится с большим радиусом R + уу и за каждый оборот оси проходит большее расстояние, чем внутреннее колесо, что вызывает поворот колесной пары вслед за осевой линией пути.
Колесная пара с правильно выбранными связями обладает также способностью компенсировать различия в диаметрах колес, смещаясь в поперечном направлении.
-1 | Ф г | h -- | |
-------- .1 V-—--- | |||
ф | Р |
Рис. 13.4. Самоцентрирование колесной пары при движении по прямому участку пути
»4- 1 1 | 1 .7 | 1 1 1 1 1 |
| ||||
1 . | |||||||
1 | |||||||
4 Середина | Л ширины ' колесной пары | 1 Осевая линия пути | 1 1 1 1 1 и |
Рис. 13.5. Положение колесной пары в кривой: Rc— радиус кривой; у — отклонение колесной пары относительно оси пути
Однако эти возможности реализуются не всегда. Существует критическая скорость, при которой колесная пара теряет устойчивость и начинает вилять.
Движение колесной пары прямолинейно относительно пути только при определенных условиях. Граница устойчивости зависит от скорости движения, конусности, параметров связей колесной пары с рамой, массы, а в общем случае и от амплитуд колебаний. На рис. 13.6 показаны движения колесной пары в случае асимптотической устойчивости (7), наличия предельного цикла (2) и неустойчивости (3).
Причина возникновения неустойчивости связана с силами крипа. Продольный крип возникает при качении деформируемого колеса по деформируемому рельсу. Под крипом понимают продольную деформацию или, что то же самое, относительную продольную скорость скольжения в зоне контакта
с/х-Го^Ф V0-Q)T0
где dx — продольное перемещение колеса; rod<p — перемещение колеса вследствие чистого качения; v0— продольная скорость колеса; (ог0— скорость вследствие чистого качения.
Касательную реакцию называют силой крипа и определяют как
F = /c(£J;
б |
Рис. 13.6. Поперечная устойчивость колесной пары: а — поперечное движение; б — траектории: 1 — области асимптотической устойчивости; 2 — предельный цикл; 3 — область неустойчивости |
в линейной теории: где кх — коэффициент продольного крипа, зависящий от кривизны контактирующих поверхностей в точке контакта, нагрузки и упругих постоянных взаимодействующих тел.
Согласно линейной теории Ж. Калкера, при стационарном качении продольная Fx, поперечная Fсилы крипа, а также момент М2 сил поворотного крипа выражаются через проекции на координатные оси скоростей скольжения в точках контакта и угловой скорости верчения, от отнесенных к скорости движения с помощью коэффициентов крипа кх,ку, 1<^у, к^, определяемых по формулам контактной теории упругости:
где ^у, — продольный, поперечный и
поворотный крипы соответственно.
Подробное вычисление этих сил приводится в работах Калкера, реализовано в компьютерной программе «Fastsim» и изучается в курсах динамики вагонов и локомотивов. Впервые на значение крипа применительно к движению железнодорожных экипажей было указано в работах Ф.В. Картера, в которых было определено понятие продольного и поперечного крипа [51].
Силы крипа являются неконсервативными, и за их счет часть энергии поступательного движения рельсового экипажа может преобразовываться в энергию боковых колебаний. Интенсивные боковые колебания могут привести к недопустимо большим нагрузкам на путь. Однако самым опасным будет возможность вкатывания гребня колеса на поверхность катания рельса при больших горизонтальных силах, прижимающих гребень к головке рельса, что может привести к сходу колесной пары с рельсов и крушению поезда. Определение критической скорости подвижного состава является чрезвычайно актуальным.
В области устойчивого движения переходные процессы в системе экипаж—путь, вызванные случайными отклонениями пути стремятся затухнуть. Движения механической системы считается устойчивым, если при малых возмущениях (например, при изменениях начальных условий) отклонения возмущенного движения механической системы от ее невозмущенного движения остаются малыми сколь угодно долго. Если отклонения при возмущенном движении асимптотически стремятся к невозмущенному, то такое движение называется асимптотически устойчивым. Еще в 1960-е годы известные советские ученые В.А. Лаза- рян и М.Л. Коротенко [21] показали, что железнодорожный подвижной состав необходимо конструировать с такими параметрами, чтобы уравнения его движения имели асимптотическую устойчивость нулевого решения. В таком случае в системе обеспечивается затухание колебаний, вызванных случайными неровностями пути. Так как условием отсутствия самовозбуждающих колебаний является устойчивое движение рельсового экипажа, то задача нахождения условий устойчивости является первейшей при конструировании ходовых частей высокоскоростного подвижного состава.
Исследование условий устойчивости динамических систем связано с применением теории устойчивости движения, созданной выдающимся русским ученым А.М. Ляпуновым. Основная задача исследования динамики рельсового экипажа состоит в том, чтобы определить параметры движения по начальному состоянию и заданным действующим силам. Движение рельсового экипажа описывается с помощью систем обыкновенных дифференциальных, зачастую нелинейных уравнений и задача динамики сводится к решению называемой в высшей математике задачи Коши: интегрированию системы дифференциальных уравнений движения при заданных начальных условиях.
Многие годы о качестве рельсовых экипажей судили с помощью теоремы Ляпунова об устойчивости по первому приближению, т.е. с помощью линеаризованных уравнений. Вместо применения трудоемких методов численного интегрирования вопрос сводился к применению (?/?-алгоритма определения собственных чисел матрицы.
Оценка устойчивости по первому приближению оказывалась весьма простой и быстрой:
- применялись хорошо разработанные методы решения известной в математике полной проблемы собственных значений;
- имелась возможность применения методов оптимизации и выбора параметров, обеспечивающих устойчивость подвижного состава.
Однако по мере появления возможности сопоставить данные теории и эксперимента стало очевидным, что систематическое использование данной теории затрудняется отсутствием эффективных критериев малости, как возмущений, так и нелинейностей. Для оценки хода высокоскоростных поездов необходимо исследование переходных процессов и установившихся автоколебаний, а для этого необходимы решения нелинейных уравнений движения и линеаризованными уравнениями обойтись не удается [44]. Для анализа устойчивости и автоколебаний нелинейных систем, которыми и являются локомотивы и вагоны, существенным является анализ фазовых траекторий и предельных циклов. Автоколебательное движение локомотива или вагона может являться устойчивым, однако это будет устойчивость предельного цикла нелинейной системы. Для подвижного состава наблюдается несколько предельных циклов. Зачастую устойчивые предельные циклы чередуются с неустойчивыми. Некоторые предельные циклы характеризуются малыми отклонениями (менее 1 мм), но могут иметься и предельные циклы, имеющие физический смысл регулярных ударов гребней при набегании колеса на боковую грань головки рельса. Для правильного выбора конструкции рельсового экипажа методами математического моделирования определяют влияние упругих связей колесных пар с рамами тележек, конусности поверхностей катания колес, моментов трения и других характеристик тележек на устойчивость движения.
Математические методы определения критической скорости действующими в Российской Федерации документами, регламентирующими конструирование и производство подвижного состава, не оговариваются; регламентируют только отношение критической скорости движения к конструкционной — не менее 1,1.
Требования к ходовым качествам. Повышение скорости движения выше уже достигнутой вызывает необходимость ответа на вопрос: безопасно ли увеличение скорости? Ведь метод проб и ошибок здесь не допустим!
Создатели нового подвижного состава используют многолетний успешный опыт работы железных дорог. Естественно предположить, что если существующий подвижной состав при достигнутых скоростях движения успешно работает при известных показателях ходовых качеств и воздействия на путь, то и новый подвижной состав на еще неизведанных скоростях будет работать успешно, если показатели ходовых качеств и воздействия на путь будут лучше или, по крайней мере, не хуже уже достигнутых.
Оценка ходовых качеств высокоскоростного состава производится по основным показателям, прежде всего:
— коэффициенту запаса устойчивости Кус колесной пары от схода с рельсов по условию вкатывания гребня колеса на головку рельса;
— показателям плавности хода в вертикальном и поперечном направленияхwBи wr, а также ожидаемым уровням виброускорений в заданных диапазонах частот и зависящим от них времени утомляемости;
— коэффициенту вертикальной динамики Кав и рамной силе Нр;
— вертикальным и горизонтальным ускорениям ав и аГ;
— коэффициенту запаса поперечной устойчивости Куо от опрокидывания в кривой под действием боковых сил;
— степени сдемпфированности форм колебаний;
-устойчивости от схода с рельсов по условию вкатывания гребня колеса на головку рельса.
В ряде случаев при выяснении причин крушений и аварий поездов на головке рельса в зоне катастрофы неоднократно обнаруживались ясно видимые следы (царапины и даже борозды), которые начинались с внутренней стороны рельса и по диагонали переходили на внешнюю сторону, показывая траекторию движения гребня колеса после вкатывания на рельс. Непосредственной причиной схода является сочетание двух факторов: снижение давления на колесо в вертикальном направлении (так называемая «обезгрузка») и действие силы в поперечном направлении. Колесо может вползти своим гребнем на рельс только в том случае, когда равнодействующая сил, действующих на него, преодолевает силу трения между гребнем колеса и рельсом.
Для определения запаса устойчивости используют формулу:
К = tg^ Ц -^->Гк 1,
усl+ptgp РбL yd
где [3 — угол наклона образующей гребня колеса с горизонталью (в зависимости от профиля поверхности катания колеса [3 = 60...70°) ц — коэффициент трения поверхностей колес (принимается ц = 0,25 ); Рв — вертикальная нагрузка от набегающего колеса на рельс; Рб — боковое усилие взаимодействия гребня набегающего колеса и головки рельса; ^ycJ — допустимое значение коэффициента запаса устойчивости.
Из формулы следует, что запаса устойчивости не будет при Кус = 1.
В целях безопасности в России для пассажирских вагонов коэффициент запаса ус
тойчивости принят |
с учетом |
этого, по Нормам, действующим в Российской Федерации, поперечные силы должны быть меньше вертикальных примерно на 8—36 % [табл. 13.1).
|
Таблица 13.1 |
Предельные значения Р6/Рв по условию вкатывания колеса на рельс |
* Значения определены расчетным путем, согласно указанным нормам, в которых эти значения не устанавливаются. Примечание: Рв и Р6 — вертикальная нагрузка и боковое усилие от набегающего на рельс колеса. |
Согласно стандартам, установленным во Франции, боковая сила должна быть меньше вертикальной на 20 % в кривых радиусом более 300 м для любых типов вагонов и локомотивов. Величины вертикальных и боковых сил — Рв и Рб выбирают или из теоретических расчетов методами математического моделирования, или определяют через коэффициенты динамики и рамные силы, полученные при эксперименте.
Плавность хода, уровни вибраций. С повышением скорости движения на железнодорожном транспорте необходимо уделять еще большее внимание вопросам уменьшения колебаний подвижного состава. Энергия возмущения, вносимая в динамическую систему «вагон—путь», увеличивается пропорционально скорости. Это связано с тем, что при высоких скоростях все более длинные неровности могут вызывать резонансные колебания подвижного состава; у длинных неровностей и амплитуда больше.
Плавным можно назвать такой ход подвижного состава, при котором пассажир не испытывает неприятных ощущений и не утомляется даже при длительном путешествии. Неприятные ощущения, а в связи с этим и утомляемость, вызываются колебаниями, толчками, вибрациями и шумом. Опыт показывает, что человек по-разному переносит колебания, действующие в различных направлениях и в разных диапазонах частот.
Вибрации оказывают разностороннее действие на физиологические функции и органы человеческого организма, в том числе на слух, зрение и даже на работу мозга. Органы, воспринимающие вибрации, делятся на две группы: органы равновесия (вестибулярный аппарат) и органы осязания, зрения, слуха. При передаче вибраций одни частоты усиливаются, другие — ослабляются. Некоторые из частот, воздействующие на вестибулярный аппарат (~1 гц), вызывают укачивание, другие (4—8 гц) могут вызывать резонансные явления органов в теле человека.
ч0,15 |
Плавность хода и методы ее оценки давно являются объектом исследований в различных странах. На основе испытаний по воздействию вибраций на организм человека разработаны несколько методик оценки комфортности поездок в железнодорожном экипаже. Наибольшее распространение получили оценки: по показателю плавности хода; по нормам ISO; по времени утомляемости; по уровню ускорений.
Показатель плавности хода по Шпер- лингу [60] связывает раздраженность органов чувств пассажира с некоторой физической величиной, характеризующей колебательный процесс. В качестве этой величины принят условный параметр ш, представляющий собой функцию от произведений максимума перемещения на максимумы второй и третьей производной перемещения.
wИ М=К0)5'
где а0 — амплитуда перемещений; <о — частота колебаний; кг — эмпирический коэффициент.
Колебания подвижного состава обычно носят случайный характер, поэтому метод Шперлинга (табл. 13.2) не дает строгого математического алгоритма определения показателя плавности хода. Однако в силу традиции им продолжают пользоваться. Вместе с тем, предложены другие способы определения плавности хода, регламентирующие замену случайного процесса гармоническим.
Таблица 13.2
Дата добавления: 2019-11-16; просмотров: 901; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!