[02-2024] Аэродинамическое воздействие высокоскоростных поездов на напольное оборудование устройств ЖАТ
 

Аэродинамическое воздействие высокоскоростных поездов на напольное оборудование устройств ЖАТ

ТАТИЕВСКИЙ Станислав Александрович, ОАО «РЖД», Проектно-конструкторское бюро по инфраструктуре, отделение автоматики и телемеханики, технолог первой категории, Москва, Россия
ПЕНЗЕВ Пётр Васильевич, ОАО «ЭЛТЕЗА», Армавирский электромеханический завод, главный инженер, г. Армавир, Россия
МИНАКОВ Денис Евгеньевич, Российская открытая академия транспорта (МИИТ), доцент, канд. техн, наук, Москва, Россия
МИНАКОВ Евгений Юрьевич, Российская открытая академия транспорта (МИИТ), ведущий научный сотрудник, главный инженер проекта, канд. техн, наук, Г: Воронеж, Россия
Ключевые слова: высокоскоростная железнодорожная магистраль, аэродинамическое воздействие, ветровая нагрузка, электропривод стрелочный, светофор, скоростное и высокоскоростное движение поездов, расчет поперечных усилий
Аннотация. Скорость движения поездов с каждым годом существенно возрастает, в результате чего время нахождения в пути сокращается, что значительно улучшает транспортное обслуживание пассажиров. Согласно Стратегии развития железнодорожного транспорта России к 2030 г. общая протяженность линий со скоростями более 160 км/ч составит почти 11 тыс. км. Планируется модернизировать и построить восемь основных направлений новых железнодорожных линий со скоростями движения до 200 км/ч. В рамках федерального проекта «Развитие высокоскоростных железнодорожных магистралей» предусмотрена реализация мероприятий по строительству ВСЖМ-1 Санкт-Петербург - Москва со скоростями движения до 400 км/ч.


Организация и развитие в России скоростных и высокоскоростных железных дорог со скоростью движения поездов до 200-400 км/ч - одна из приоритетных задач, стоящих сегодня перед ОАО«РЖД».
К настоящему времени в зависимости от скорости движения поездов в Российской Федерации сложилась следующая классификация железнодорожных линий:

• обычные (традиционные) железные дороги (скорость движения до 160 км/ч);
• скоростные железные дороги (скорость движения от 161 до 200 км/ч);
• высокоскоростные железные дороги (скорость движения выше 200 км/ч).

Прохождение скоростных и высокоскоростных составов подвергает любую конструкцию, расположенную около рельсовых путей, воздействию бегущей волны с переменным давлением и «всасыванием». Процесс вытеснения и уплотнения перед поездом воздушной среды сопровождается изменением ее плотности и давления. Величина воздействия главным образом зависит от следующих факторов: квадрата скорости движения поезда; аэродинамической формы поезда в основном лобовой части и межвагонных перекрытий; формы конструкции оборудования ЖАТ и его расположения (особенно от расстояния между транспортным средством и оборудованием ЖАТ).
Первые отечественные разработки по вопросам аэродинамического воздействия специалисты Научно-исследовательского института железнодорожного транспорта (АО «ВНИИЖТ») сделали на основе анализа результатов исследований аэродинамики скоростного пассажирского поезда с локомотивной тягой (ЧС200М) и электропоезда ЭР200, проведенных в 70-е гг. прошлого века. В Японии, Франции, Германии, Испании и других странах введение высокоскоростного движения сопровождалось исследованием параметров знакопеременной воздушной головной волны поезда, получившей название нестационарной аэродинамики. На железных дорогах России такие исследования провели ученые АО «ВНИИЖТ» в процессе подготовки к вводу в постоянную эксплуатацию высокоскоростного электропоезда «Сапсан» на линии Санкт-Петербург - Москва.
Проект высокоскоростной железной дороги между Москвой и Санкт-Петербургом протяженностью 664 км, реализованный ОАО «РЖД», успешно эксплуатируется с 2009 г. со скоростями движения поездов «Сапсан» до 250 км/ч. Помимо этого на линии между Москвой и Нижним Новгородом протяженностью 406 км эксплуатируются поезда «Ласточка» и «Сапсан» со скоростями до 200 км/ч. С момента начала коммерческой эксплуатации поездами «Сапсан» перевезены более 14 млн пассажиров, из них между Санкт-Петербургом и Москвой - более 11 млн, между Москвой и Нижним Новгородом - порядка 3 млн.
Развитие скоростного и высокоскоростного сообщения влечет изменения железнодорожной инфраструктуры, которая должна повысить надежность работы и обеспечить безопасность движения. В связи с этим возникла острая необходимость проведения технического перевооружения хозяйства автоматики и телемеханики с целью приведения устройств ЖАТ в соответствии с предъявляемыми современными требованиями по повышению скоростей движения поездов до 200 км/ч и выше (до 400 км/ч) на основе достижений науки, производства и технологий.
В последние годы авторы неоднократно обращались к теме организации скоростного и высокоскоростного движения поездов. Но это в большей степени касалось конструкторско-технологической документации, где описывались сами технические средства, условия их эксплуатации и обслуживания. В данной статье авторы ознакомят читателей с новыми аспектами аэродинамического воздействия высокоскоростных поездов на напольное оборудование устройств ЖАТ и вариантами их реализации.
При скоростях движения поезда до 160 км/ч при проведении аэродинамических расчетов напольного оборудования СЦБ (светофоров, заградительных брусьев переездных автошлагбаумов, релейных шкафов и др.) определяющими являются нагрузки, вызванные климатическими факторами, например ветровой нагрузкой. Но при движении поездов со скоростью свыше 160 км/ч преимущественными становятся возмущения, вызванные аэродинамическими процессами от прохода подвижного состава. Штормовой ветер в порыве может достигать скорости 50 м/с, а поезд, движущийся со скоростью 250 км/ч, способен создавать перемещение воздушного потока со скоростью 69 м/с, 300 км/ч - 83 м/с, а 400 км/ч - уже почти 110 м/с. К примеру, при скорости близкой к 70 м/с (250 км/ч) взлетает самолет.


Удельное давление на поверхность любого предмета, оказавшегося в зоне ветрового воздействия, определяется по формуле [1]
g = 0,5V2p, (1)
где g - удельное давление воздушного потока от ветровой нагрузки, кгс/м2;
V - скорость воздушного потока, м/с;
р - плотность воздуха, р = 0,12625 кгс ■ с-2/м4.
Если при скорости ветра V = 100 км/ч удельное давление составляет р = 63,13 кгс/м2, то при скорости V = 200 км/ч удельное давление уже увеличится до р = 195 кгс/м2, при скорости V = 250 км/ч возрастет до р = 395 кгс/м2, а при скорости V = 400 км/ч составит р = 780 кгс/м2 (увеличится более чем в 10 раз).
Фоновый щит проходного четырехзначного светофора, к примеру, имеет площадь S = 0,96 м2, площадь крышки стрелочного электропривода S = 0,300 м2, площадь откидного кожуха электропривода S = 0,11 м2. Нетрудно подсчитать, какое усилие воспринимается откидным кожухом электропривода, крышкой электропривода, светофором и другим напольным оборудованием в условиях ветрового воздействия от прохода поезда. Не будем приводить конкретные примеры, но в реальных условиях эксплуатации имелись случаи, когда при проходе поезда срывало кожух электропривода, срывало крышку электропривода ВСП-150, которая не была закреплена дополнительными болтами, и даже были случаи заваливания мачтовых светофоров.
На рис. 1 приведен график зависимости удельного давления воздушного потока на стоящий предмет от его скорости.
Учитывая эти результаты, при организации скоростного и высокоскоростного движения поездов очень важно провести оценку состояния напольного оборудования ЖАТ и разработать конструкцию, позволяющую выдерживать эти скорости без повреждений.
Движение высокоскоростной подвижной единицы сопровождается физическим явлением формирования головной воздушной волны. Процесс вытеснения и уплотнения перед поездом воздушной среды сопровождается изменением ее плотности и давления (рис. 2).
Характер изменения давления в головной воздушной волне наиболее четко проявляется на стенке, установленной вдоль железнодорожного пути. При прохождении электропоезда у стенки она испытывает знакопеременный импульс. Область избыточного давления Р+ возникает на расстоянии 15-20 м от головной части электропоезда и, достигнув амплитудного значения в сечении лобовой части, резко сменяется на разрежение Р-. Область разрежения Р- распространяется к хвостовой части тяговой единицы. Далее пограничный слой поезда характеризуется турбулентным потоком, имеющим более выраженную тенденцию к разрежению, т.е. подсосу, особенно в хвостовой области поезда. Амплитудные значения турбулентного потока и хвостовой волны меньше значений головной волны.
Условно область взаимодействия движущегося поезда и воздушной среды можно разделить на три зоны с различными аэродинамическими свойствами.

В первой, лобовой зоне, движущийся поезд вызывает большое ускорение воздушной массы, которое является причиной головной волны сжатия. Из-за свойства неразрывности воздушной среды сразу за волной сжатия следует волна разрежения. При больших скоростях движущегося поезда амплитуды этих волн могут достигать больших величин.
На рис. 3 показан характер изменения ветровой нагрузки при прохождении поезда со скоростью 200 км/ч в зоне его лобовой части.
Во второй, боковой зоне, ускорение воздушной массы определяется вязкостным трением воздуха о стенки состава. Известно, что по причине прилипания скорость частиц воздуха, непосредственно прилегающих к стенке, всегда равна скорости стенки. Таким образом, за счет вязкости движущийся поезд тянет за собой определенную массу воздуха. При этом у движущейся стенки формируется пограничный слой, в котором скорость воздуха изменяется от скорости поезда (на стенке) до нуля на границе пограничного слоя. При достаточно высоких скоростях пограничный слой обычно турбулентный.
На рис. 4 показан характер изменения ветровой нагрузки в зависимости от удаленности от боковой поверхности подвижного состава.
В третьей, хвостовой зоне, в кильватере поезда из-за той же вязкости уничтожается энергия потока воздушной массы, созданного силами давления и трения. В этой зоне порой далеко позади поезда наблюдается высокая скорость перемещения воздушных масс.
При организации высокоскоростного движения поездов на участке Москва - Санкт-Петербург перед учеными была поставлена задача - провести оценку аэродинамической устойчивости напольных устройств СЦБ при движении поездов со скоростями до 300 км/ч и обеспечение их надежной работы. Особенными условиями является тот факт, что на этом участке протяженностью 664 км уже имеется напольное оборудование, обеспечивающее эксплуатационную работу поездов со скоростями до 200 км/ч.
В рамках подготовки к эксплуатации высокоскоростных поездов «Сапсан» учеными РОАТ РУТ (МИИТ) совместно с ПГУПС в 2007-2009 гг. были проведены исследования по определению величины фактического воздействия аэродинамического давления воздушной массы на устройства ЖАТ при проходе скоростных поездов [1,2]. Особый вклад в эту работу внес руководитель стрелочной лаборатории кафедры «Железнодорожный путь» ПГУПС, лауреат Государственной премии СССР В.И. Абросимов.
Полученные при исследованиях результаты позволили составить диаграмму распределения аэродинамического давления на устройства ЖАТ при проходе скоростного поезда ЭР200 со скоростью 200 км/ч (рис. 5).
Анализируя полученную диаграмму можно сделать следующие выводы.
Наибольшая величина избыточного давления воздуха реализуется в зоне последней трети состава и на высоте уровня автосцепки подвижного состава (1,0-1,6 м выше уровня головки рельса) и достигает 20 кгс/м2 при скорости движения поезда 200 км/ч.
Высота 1,1-1,5 м выше уровня головки рельса -уровень наивысшей точки воздействия избыточного давления воздуха на оборудование СЦБ при максимально приближенной их установке к оси пути (1470 мм). Это карликовые светофоры, релейные и батарейные шкафы.
Величина избыточного давления воздуха на поверхности релейных или батарейных шкафов, находящихся на расстоянии 2,5 м от ближнего рельса, составляет 8,5-10 кгс/м2, на расстоянии 3,5 м и более оно воспринимается на уровне естественных (погодных) значений, а потому шкафы не требуют усиления при эксплуатации на участках обращения высокоскоростных поездов.
Кабельные муфты, путевые и трансформаторные ящики, дроссель-трансформаторы, устанавливаемые вблизи пути (минимальное расстояние не менее 1180 мм) воспринимают избыточное давление воздуха не более 18 кгс/м2, что в итоге приводит к суммарным усилиям, значительно более низким, чем их прочностные ограничения. В связи с этим кабельные муфты, путевые и трансформаторные ящики, дроссель-трансформаторы, устанавливаемые вблизи пути, не требуют дополнительного усиления при эксплуатации на участках обращения высокоскоростных поездов.


Под поездом относительная скорость воздуха по всей длине состава в средней части между днищем вагона и верхним слоем балластной призмы примерно равна 0,3V состава. Очевидно, что это создает значительное динамическое давление воздуха на оборудование СЦБ, находящееся под движущимся составом, величина которого при скорости 250 км/ч может достигать величины более 3000 Н/м2 (именно с такой максимально разрешенной скоростью движется поезд «Сапсан» на участке Москва - Санкт-Петербург). Устройства ЖАТ (внешние замыкатели, стрелочная гарнитура, рельсовые соединители и перемычки, стрелочные электроприводы), устанавливаемые в этой зоне, по допустимым прочностным свойствам значительно превышают усилия, возникающие при эксплуатации на участках обращения высокоскоростных поездов, а потому дополнительного усиления не требуют. Однако крышки, кожухи и прочие устройства требуют надежного их закрепления.
Учитывая изложенное, сегодня напольные устройства ЖАТ для установки на участках скоростного и высокоскоростного движения (включая стрелочные электроприводы, стрелочную гарнитуру, рельсовые соединители, кабельные муфты и другое оборудование СЦБ, а также защитные кожухи, крышки и откидные технологические заслонки, устанавливаемые в зоне аэродинамического воздействия от проходящего подвижного состава) выпускаются в конструктивном исполнении надежно зафиксированными. На рис. 6-8 приведены примеры надежной фиксации устройств ЖАТ от аэродинамического воздействия от проходящего подвижного состава (электропривод ПС-236Н(К) и откидной кожух к нему, фундаменты ФТС (а) и ФВС (б) для мачтовых светофоров с глубоким погружением.
Чтобы оценить влияние аэродинамического воздействия на устройства ЖАТ, предлагаем вместе с читателями провести математическое моделирование и расчет аэродинамического воздействия, а также теоретическую оценку механической устойчивости оборудования СЦБ от аэродинамического воздействия при прохождении высокоскоростного состава на примере оценки прочностных свойств аэродинамической устойчивости мачтовых светофоров при эксплуатации на участках движения высокоскоростных поездов.
На рис. 9 приведена конструкция типового шестизначного входного мачтового светофора типа Л-69ФСПУБ XIX-8935 на металлической мачте с указанием скорости, маршрутным указателем, пригласительным сигналом и трансформаторными ящиками.
Произведем расчет поперечных усилий и изгибающих моментов, возникающих вдоль оси мачты шестизначного входного светофора (см. рис. 8) [3, 4] при крейсерской скорости движения поезда (V = 250 км/ч и V = 300 км/ч).


Рассмотрим квазистатическую упругую задачу изгиба мачты светофора (трубы) в плоскости при воздействии указанных нагрузок. Расчетная схема (математическая модель) приведена на рис. 10.
Парусность элементов конструкции светофора будем учитывать следующим образом: элементы 1 и 3, имеющие сравнительно небольшую площадь, будут передавать на несущую балку сосредоточенные усилия:


Максимальное отклонение вершины мачты от вертикали достигает величины примерно А = 40 см, а угол наклона верхнего сечения приближается к 7 = 3,5°.
Прочностной расчет дает максимальное расчетное напряжение в сечении стр = 259905,290 кПа, что при стандартной величине допускаемого напряжения [с] - 200 МПа [4] оказывается недопустимым.
Таким образом, при скорости движения состава, составляющей предельную величину 300 км/ч, стандартный размер поперечного сечения мачты оказывается непригодным.
Инженерное решение проблемы может заключаться в использовании трубы с более толстой стенкой. Расчетами и результатами проведенных испытаний [1, 3] рекомендовано конструкцию светофора выполнять из трубы толщиной стенки равной 8 мм при сохранении внешнего диаметра мачты неизменным.
Другим решением проблемы может быть полный отказ от мачтовых светофоров.
Результаты расчетов зависимости силовых параметров конструкции мачтовых светофоров (Л-69ФСПУБ XIX-8935 входной и ЛЯ-41 VIII-7700 проходной четырехзначный) от скорости ветровой нагрузки приведены в таблице.
Анализ полученных расчетным путем данных усиленного варианта мачты светофоров позволяет установить следующее. Исходя из допускаемого напряжения в [о]

[топ] 200 МПа, определим коэффициент запаса прочности для самой напряженной точки трубы (на ее внешней поверхности):
пр

[8]/5р. (7)
Сравнивая результаты расчетов при обеих крейсерских скоростях движения поезда, можно установить, что средний эксплуатационный запас прочности оказывается в районе п = 2. Данная величина является экономически целесообразной по причине возможного и нежелательного удорожания стоимости производства светофора за счет увеличения массы расходуемого материала при применении трубы большего диаметра.


Таким образом, при использовании стандартного линзового светофора в условиях эксплуатации высокоскоростного подвижного состава его конструкция нуждается в модификации, заключающейся в замене несущей мачты диаметром 140 мм и толщиной стенки 4 мм на мачту диаметром 140 мм при толщине стенки 8 мм. Возможны также другие пути усиления конструкции, в частности за счет укрепления нижней трети мачты ребрами жесткости, жесткими вставками, а также дополнительными выносными силовыми элементами. Однако это не является рациональным и только усложняет конструкцию и удорожает изделие в целом.
Коэффициент надежности по ветровой нагрузке Yj следует принимать равным не менее yf > 1,4 [1,5]. С учетом важности конструкции по обеспечению безопасности движения поездов рекомендуется принимать при проектировании напольных устройств ЖАТ коэффициент надежности не менее [1]
Yf> 1,4 + 1. (8)
Мачтовые светофоры на мостиках и консолях с усиленными мачтами проходили опытную эксплуатацию на станции Бологое Октябрьской дороги. Изделия приняты в постоянную эксплуатацию и рекомендованы для применения на сети дорог ОАО «РЖД».

СПИСОК источников

1. Отчет по научно-исследовательской работе «Проведение прочностных расчетов и расчетов на аэродинамическую устойчивость напольного оборудования СЦБ от воздействия высокоскоростных поездов» [Текст] / Научн. рук. Минаков Е.Ю. М. утв. 29.08.2007. Протокол №16. РГО-ТУПС, 2007. - 84 с.
2. ГОСТ 9238-2013 Габариты железнодорожного подвижного состава и приближения строений.
3. Горелик А.В. Методы обеспечения безопасности перевода, замыкания и контроля положения стрелок. Монография / А.В. Горелик, Д.Е. Минаков. - Москва: РУТ (МИИТ). 2021.-142с.
4. Артоболевский И.И. Теория механизмов и машин / И.И. Артоболевский - М.: Наука. 1988. - 640 с.
5. СП 20.13330.2016 Нагрузки и воздействия. Актуализированная редакция СНиП 2.01.07-85* (с Изменениями №1,2, 3).