Seminarium dr hab. Henryka Saneckiego

Transkrypt

Seminarium
IK Warszawa, 8.05.2012
BADANIA ODPORNOŚCI
ZDERZENIOWEJ
POJAZDÓW SZYNOWYCH
Henryk Sanecki
PROJEKTOWANIE I BADANIA POJAZDÓW
SZYNOWYCH Z UWAGI NA ODPORNOŚĆ
ZDERZENIOWĄ
Badania mają na celu określenie odporności na obciążenia
udarowe. Stosowane są różne podejścia i różne metody w
zależności od rodzaju pojazdu.
WAGONY TOWAROWE - Od wielu lat prowadzone są tzw.
nabiegania mające na celu zbadanie odporności wagonu na
rozrządzanie z górek. Dość często takie testy mają na celu po
prostu eksperymentalną weryfikację ogólnej odporności wagonu na
przeciążenia w strefie czołowej.
POJAZDY PRZEWOŻĄCE LUDZI - Badania dotyczą lokomotyw,
EZT, SZT lub innych pojazdów pasażerskich i prowadzone są w
celu zweryfikowania odporności zderzeniowej najczęściej ich kabin
dla zapewnienia tzw. bezpieczeństwa biernego. Wykonuje się to
eksperymentalnie jako crash-testy, ale - ze względu na wysokie
koszty - również metodami teoretycznymi.
1
BADANIA DYNAMICZNE
POJAZDÓW SZYNOWYCH
Jazdy po trasach kolejowych (powyżej 1000 km)
Testy zderzeniowe dla pojazdu bez ładunku
Testy zderzeniowe trwałościowe z ładunkiem
Testy zderzeniowe specjalne (np. dla
kontenerowców)
Dynamiczne badania wózków
Crash testy (dla zapewnienia bezpieczeństwa
biernego)
Seminarium, IK Warszawa, 8.05.2012
2
BADANIA ZDERZENIOWE
WAGONÓW
TOWAROWYCH
(NABIEGANIA)
3
TESTY ZDERZENIOWE
PRZEPROWADZANE NA
PROTOTYPACH WAGONÓW
TOWAROWYCH
BADAWCZA GÓRKA
ROZBIEGOWA
(BGR)
mała energia pochłaniana
vmax = 15 km/h (12 km/h)
masa tarana – 80 t
v
masa wagonu – 80, 90, 100 t
50-70 zderzeń dla 1
prototypu
TARA
automatyzacja testów
N
32 kanały pomiarowe
BADANY POJAZD
4
TESTY ZDERZENIOWE
PRZEPROWADZANE NA
PROTOTYPACH WAGONÓW
TOWAROWYCH
strefa nad wózkiem
strefa czołowa
wagonu
ostoja wózka
5
BADANIA ZDERZENIOWE NA
PRZYKŁADZIE CYSTERNY 451R
mBruttu = 90 t, V = 107 m3, p = 2.5 MPa, mTara = m1+2m2 = 35 t
Prędkość nabiegania - 15 km/h, (wagon taran, 80t), F1, F2 ≤ 1500
kN
6
BADANIA ZDERZENIOWE
CYSTERNA 451R
TENSOMETRY
7
BADANIA ZDERZENIOWE
CYSTERNA 451R
WYNIKI POMIARÓW
Wyniki wstępne:
F1, F2
czas
duże ‘piki‘ naprężeń wywołane złym
wykonaniem – asymetrią pojazdu ujawnioną
podczas innych badań
F1
σ4
σ8
czas
czas
σ4
Wyniki końcowe:
prawidłowe przebiegi
naprężeń oraz brak naprężeń
resztkowych uzyskane po
zmianie technologii
σ9
czas
8
Przypadki obciążeń do oceny
wytrzymałości pudła wagonu
wg EN 12663-2:2010, Tab. 22.
Przypadki
obciążeniowe i
naprężenia
dopuszczalne
NABIEGANIA
9
NAPRĘŻENIA DOPUSZCZALNE
WG EN 12663-2
Naprężenia dopuszczalne dla prób statycznych wg normy EN 12663-2:2010
Warunek wytrzymałościowy:
Wartość dopuszczalna, RL
Rd = σ'c < RL/S1 = RL/1.15,
Przykłady materiałów stosowanych
Rd = σ’’c < RL/S1 = RL/1.00
w budowie pojazdów szynowych (dla
elementów o grubości ≤ 16 mm, A = A5 ≥ 20 %)
Miejsce
podlegające
testowaniu
Materiał
badanego
elementu
Materiał
spoiny
Przypadek własności
Ogólnie
materiału
Stal S235
Stal S275
stal S355
Rm ≥ 340 MPa Rm ≥ 410 MPa
Rm ≥ 490 MPa
1
Rp < 0.8Rm
RL = Rp
RL = 235 MPa
RL = 275 MPa
RL = 355 MPa
2
Rp > 0.8Rm i A > 10 %
RL = R p
-
-
-
3
Rp > 0.8Rm i A < 10 %
RL = 0.8Rm
-
-
-
4
R`p < 0.8R`m
RL = R`p /1.1
RL = 214 MPa
RL = 250 MPa
RL = 323 MPa
RL = R`p /1.1
-
-
-
-
-
-
5 R`p > 0.8R`m i A` > 10 %
6 R`p > 0.8R`m i A` < 10 % RL = 0.8R`m /1.1
1
ODPORNOŚĆ
ZDERZENIOWA,
WYMAGANIA
STAWIANE POJAZDOM
PRZEWOŻĄCYM LUDZI
1
EN 15227: 2008
CRASHWORTHINESS DESIGN CATEGORIES OF RAILWAY VEHICLES
DESIGN COLLISION SCENARIOS
STRUCTURAL PASSIVE SAFETY
General principles
Overriding
Survival space, intrusion and egress
Deceleration limit/collision pulse
Obstacle deflector
VALIDATION OF CRASHWORTHINESS
ANNEX A. Parameters of design collision scenarios
ANNEX B. Requirements of a validation programme
Test specifications
Numerical simulations
ANNEX C. Reference obstacle definitions
80 tonnes wagon
C-III Reference obstacle
Large deformable obstacle
C-IV Corner collision obstacle
ANNEX D. Reference train definitions – Defined formations
....
EN 15227: 2008
KATEGORIE POJAZDÓW,
SCENARIUSZE
KATEGORI
E
DEFINICJE
PRZYKŁADY
C-I
Pojazdy przystosowane konstrukcyjnie do tras TEN1, do
sieci międzynarodowych, krajowych i regionalnych (z
przejazdami kolejowymi)
Lokomotywy (L),
wagony pasażerskie (PI) , zestawy wagonowe
(P-II)
C-II
Pojazdy szynowe miejskie dostosowane do
infrastruktury kolejowej nie krzyżującej się z ruchem
drogowym
Metro (P-III)
C-III
LRV2 przystosowane do sieci miejskich i/lub
regionalnych krzyżujących się ze sobą i z ruchem
drogowym
Pociągi tramwajowe /
aglomeracyjne (P-IV)
1
C-IV
TEN - Trans European Network - Sieć Transeuropejska
2 przystosowane do sieci miejskich krzyżujących
2 RLV
LRV
– Light Rail Vehicles - Lekkie Pojazdy Szynowe
P-II, P-III,
P-IV, P-V - oznaczenia zgodne z EN 12663:2010
sięL,z P-I,
ruchem
drogowym
Tramwaje (P-V)
SCENARIUSZE
1. Zderzenie czołowe dwóch jednakowych wagonów
2. Zderzenie czołowe z wagonem towarowym lub pociągiem regionalnym
3. Zderzenie jednostki z dużym pojazdem drogowym na przejeździe kolejowym
4. Uderzenie w niską przeszkodę (np. w samochód na przejeździe kolejowym, w zwierzę,
złom, ..)
EN 15227: 2008
SCENARIUSZE
Przeszkoda
vc
C-I, C-II, C-III, lub C-IV
vc – prędkość kolizji, km/h
WYMAGANIA ZWIĄZANE ZE
SCENARIUSZEM
C-I
C-II
C-III
C-IV
Wszystkie systemy
36
25
25
15
80t - wagon
towarowy
Ruch mieszany – pojazdy ze zderzakami
bocznymi
36
-
25
-
129t - pociąg
regionalny
Ruch mieszany - pojazdy ze sprzęgami
centralnymi
-
-
10
-
vlc–50
≤110
-
25
-
-
-
-
25
Tab. 3
-
Tab. 3
-
SC
PRZESZKODA
1
Pojazd identyczny
2
3
4
15t – przeszkoda
elastyczna
TEN i podobne z przejazdami kolejowymi
3t – przeszkoda
sztywna
Linia miejska nie odizolowana od ruchu
drogowego
Przeszkoda mała,
niska
Powinny być spełnione wymagania co do
zgarniacza przeszkód
vlc – maks. prędkość na przejeździe kolejowym (level crossing), vlc = min(vtrain, vline)
BADANIA ZDERZENIOWE
POJAZDÓW
PRZEWOŻĄCYCH LUDZI
(CRASH-TESTY)
1
TYPOWE KONFIGURACJE
CRASH–TESTÓW
1. Zderzenie czołowe dwu jednakowych pojazdów
2. Zderzenie pojazdu z wagonem lub pociągiem towarowym
3. Uderzenie w masywną przeszkodę – np. w ciężarówkę
1
WYSOKOENERGETYCZNE TESTY
ZDERZENIOWE W SKALI 1:1
IK, ŻMIGRÓD KOŁO WROCŁAWIA
Testy zderzeniowe w skali 1:1 dla ORE B165,
1990
SAFETRAIN, 1.08.1997 - 31.07.2001
SAFETRAM, 1.07.2001 - 31.10.2004
Lokomotywa TRAXX Bombardier Transportation
EMU V250, ANSALDOBREDA
EMU ED74 firmy PESA
Współpraca z ośrodkami europejskimi i
światowymi
Współpraca z KRRI, Korea Płd.
Inne wysokoenergetyczne testy
Opiniowanie projektów teoretycznych
(EZT 19WE NEWAG,
EZT 22WE, 27 WE i 32WE PESA, ...)
Wrocław
1
PRZYKŁADY POJAZDÓW PODDANYCH
CRASH–TESTOM W IK
SafeTrain cabin
BR185 – Bombardier
EMU V250 cabin
AnsaldoBreda
Periurban Tram (Bombardier)
EMU ED74 – PKP/
PESA Bydgoszcz
City Tram Citadis © (Alstom)
EMU - Electric Multiple Units
1
SAFETRAIN, SAFETRAM
1997 - 2004, IK - ŻMIGRÓD
EU BRITE EURAM SAFETRAIN 1.08.1997 - 31.07.2001
Odporność na zderzenia i ochrona pasażerów w europejskich pojazdach
szynowych (Train crashworthiness for Europe railway vehicle design and
occupant protection). Project BE-3092 – Contract no. BRPR-CT97-0457
16 partnerów z 6 krajów europejskich
1 z 7 finalistów nominowanych w 2001 roku do prestiżowej Nagrody
Kartezjusza (EC's Descartes Prize)
SAFETRAM 1.07.2001 - 31.10.2004
Bezpieczeństwo bierne tramwajów w Europie (Passive safety of
tramways for Europe). (E.C. contract G3RD-CT-2001-00492)
Grant KBN
Test 1 – tramwaj miejski (City Tram) - 5 Listopad 2003
Test 2 - tramwaj aglomeracyjny (Periurban Tram) – 7 Listopad 2003
7 krajów europejskich,12 partnerów
1
SAFETRAM PROJEKT
1.07.2001 - 31.10.2004, UCZESTNICY
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
(DB) Deutsche Bahn AG
(SNCF) Société Nacionale des Chemins de Fer Français
(RATP) Régie Autonome des Tranports Parisiens, France
(BTP) Bombardier Transportation, Portugal - Project coordinator
(BTN) Bombardier Transportation, Nuremberg, Germany
(AB) Ansaldo Breda, S.p.a, Italy
(ALS) Alstom Transport S.A., France
(ALC) Alcan Alesa Engineering Ltd, Switzerland
(CNTK) Centrum Naukowo – Techniczne Kolejnictwa, Poland
(MIRA) MIRA Ltd, United Kingdom
(IST) Instituto Superior Técnico, Lisboa Portugal
(TUB) Technische Universität Berlin
WYNIKI
WYNIKI SAFETRAIN
SAFETRAIN II SAFETRAM
SAFETRAM WYKORZYSTANO
WYKORZYSTANO M.IN.
M.IN.
DO
DO OPRACOWANIA
OPRACOWANIA NORMY:
NORMY:
EN
EN 15227
15227 Railway
Railway applications
applications –– Crashworthiness
Crashworthiness
requirements
requirements for
for railway
railway vehicle
vehicle bodies
bodies
2
1. KONFIGURACJA CRASH–TESTÓW
WAGONY TESTOWE
2
2. KONFIGURACJA CRASH–TESTÓW
WAGONY TESTOWE
2
SAFETRAIN. WAGONY
TESTOWE
Test 1 - 45t, 73km/h
Test 2 -
45t,
36km/h
2
SAFETRAM. WAGONY
TESTOWE A-CTE, B-PTE, C, D
PTE
CTE
Przegrody
WAGON C
ŻWIR
WAGON D
2
BADANIE ZDERZENIOWE - DUŻE
PRZEDSIĘWZIĘCIE
ORGANIZACYJNE
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Wstępna konfiguracja testu – negocjacje ze zleceniodawcą
Wstępna symulacja dynamiczna układu badawczego (0)
Projekt zamocowania modelu kabiny lub innych testowanych
elementów na wagonach testowych – dobór czujników sił
Dobór systemu balastów w celu spełnienia wymagań co do mas,
środków ciężkości, momentów bezwładności i innych parametrów
pojazdów testowych
Symulacja dynamiczna całego układu badawczego (1)
Obliczenia wytrzymałościowe wagonów testowych
Zmiany konstrukcyjne struktur nośnych wagonów testowych –
wzmocnienia, dostosowanie wymiarowe itp.
Symulacja dynamiczna całego układu badawczego (2)
Symulacja po crash-testach – weryfikacja wyników (3)
2
POMIARY
1
2 ·F h
2
3
1
A
2
4
3
B
b
b
A -A
h2
D
w
G
P
g
l
2 ·F h
h
h1
LG
L
d
L
Czujnik sił
Prędkość:
radar i fotokomórki
Siły:
4 lub 6 czujników
Przyspieszenia:
ok. 10 czujników
Odkształcenia:
ok. 20 tensometrów
Przemieszczenia:
ok. 50 odległości
Rejestracja obrazów: 4 lub więcej kamer
Radar 2
Laser
photocells
Laser
photocells
Radar 1
2
SAFETRAM. TEST 2.
PRĘDKOŚCI POJAZDÓW
Flash (109ms)
Obstacle: wagon D
PTE+wagon B
30
25
Speed, km/h
20
15
10
5
0
100
200
300
400
500
600
700
800
Time, ms
2
SAFETRAM. PERIURBAN-TRAM
BILANS POCHŁANIANEJ ENERGII –
0.8MJ
2
TEST KABINY POCIĄGU DUŻEJ
PRĘDKOŚCI
BILANS POCHŁANIANEJ ENERGII 5.8 MJ
4000
a)
Siła, kN
3500
P = 3500 kN
3000
2500
2000
1500
1000
500
0
0
200
400
600
800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 Skok,
2200 2400
mm
7000
E = 5.8 MJ
Energia, kJ
b)
6000
5000
4000
3000
2000
1000
0
0
200
400
600
800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 Skok,
2200 2400
mm
2
SAFETRAIN. PO ZDERZENIACH
Test 1 - 45t,
73km/h
Test 2 - 45t, 36km/h
3
SAFETRAM. PO ZDERZENIACH
Kabina tramwaju
aglomeracyjnego PTE
(55t, 25km/h, 586
kJ/786kJ)
Kabina tramwaju miejskiego
CTE (35t, 14km/h, 132.6
kJ/135kJ)
3
WNIOSKI
Wytrzymałość ostoi i nadwozia wagonu testowego silnie zależy od sposobu rozmieszczenia
czujników sił – stąd ważne są wstępne ustalenia co do konfiguracji testów
Lokalne deformacje plastyczne struktur nośnych wagonów testowych są dopuszczalne, ale
nie mogą powodować przejmowania energii zderzenia
Symulacja dynamiczna - oprócz elementów badanego obiektu (kabina, absorbery) - powinna
również uwzględniać strukturę pojazdów nośnych. Model kinematyczny układu badawczego
powinien uwzględniać masy, środki ciężkości, momenty bezwładności oraz charakterystyki
usprężynowania
Balasty w postaci materiałów sypkich wykazują efekt podobny do ‘sloshingu’ – zjawisko to
powinno być uwzględnione w symulacjach lub zredukowane konstrukcyjnie
Prace przygotowawcze do testów zderzeniowych wykonuje wielu partnerów, stąd istnieje
konieczność ich zsynchronizowania i wykonywania zgodnie z harmonogramem. Jednak, ze
względu na możliwość wystąpienia zakłóceń - harmonogram musi uwzględniać różne
warianty zdarzeń
3
BADANIA ZDERZENIOWE
POJAZDÓW
UWAGI KOŃCOWE
3
SYMULACJE NUMERYCZNE
I. KALIBRACJA NUMERYCZNEGO MODELU PRZEZ PORÓWNANIE Z
WYNIKAMI EKSPERYMENTALNYCH TESTÓW ZDERZENIOWYCH
II. KALIBRACJA ELEMENTÓW SKŁADOWYCH SYSTEMU ABSORBERÓW
III. UZUPEŁNIENIE WYNIKÓW POZOSTAŁYCH SCENARIUSZY
IV. UZYSKANIE PEŁNEGO OBRAZU ODKSZTAŁCEŃ
V. BADANIA MODYFIKACYJNE – ANALIZA WRAŻLIWOŚCI,
OPTYMALIZACJA
VI. SYMULACJE NUMERYCZNE ZASTĘPUJĄCE TESTY ZDERZENIOWE
(potrzebne: dokładne odwzorowanie geometrii, zachowania się
materiałów, nieliniowy kontakt; kalibracja modelu poprzez porównanie z
testami lub z udokumentowanymi wynikami podobnych badań)
3
NOWE TRENDY
Pasażerskie klatki bezpieczeństwa
dla pociągów dużej prędkości, wg [12]
TESTY ZDERZENIOWE.
DOKUMENTY REFERENCYJNE
1. „TSI” - Dyrektywa 2001/16/WE PE i Rady UE z 19.03.2001 w sprawie interoperacyjnosci
transeuropejskiego systemu kolei konwencjonalnych.
2. EN 12663-1,2: March 2010. Railway applications. Structural requirements of railway vehicle
bodies Part 1: Locomotives and passenger rolling stock and alternative method for freight
wagons. Part 2: Freight wagons.
3. Raport ERRI, B12 RP17 wyd. 8. Wagons. Programme of tests to be carried out on wagons with
steel underframe and body structure (suitable for being fitted with automatic buffing and draw
coupler) and on their cast steel bogies. Utrecht, 1997.
4. EN 15227. Railway applications - Crashworthiness requirements for railway vehicle bodies.
5. SAFETRAIN Project, Train Crashworthiness for Europe, Railway Vehicle Design and Occupant
Protection. BRPR-CT97-0457, BE-3092.
6. SAFETRAM Project, Passive safety of Tramways for Europe. G3RD-CT-2001-00492. 5PR KE
(Competitive and Sustainable Growth Programme).
7. Carl F.B., Schneider S., Wolter W., Crashworthy locomotives – special requirements and their
practical application on example of the locomotive family TRAXX of Bombardier Transportation.
ZEVrail Glasers Annalen 128 (2004) 9 September.
3
TESTY ZDERZENIOWE.
DOKUMENTY REFERENCYJNE
8.
H. Sanecki, Metodyka przygotowywania pojazdów testowych do wysokoenergetycznych badań
zderzeniowych kabin pojazdów szynowych. Zeszyty Naukowe Instytutu Pojazdów, Politechnika
Warszawska 2 (61)/2006 ISSN1642-347X, str. 161-170.
9.
Sanecki H., Experience in Full Scale Tests of Passive Safety Assessment of Rolling Stock,
SAMNET. Workshop on Railway Safety Management Systems Warsaw, June 30th 2005.
10. Groll W., Sanecki H., Crash tests - theory and practice. BUSAN (S. Korea), UNESCAP
Ministerial Conference on Transport 2006, November 8-9th 2006.
11. Sanecki H., Cichocki Z., Walczak S., Urbańczyk P., Jeleśniański Z., Zbieć A,, Wysocki G.,
Rozwój metod badawczych własności mechanicznych taboru w 60 letniej historii Instytutu
Kolejnictwa. Problemy Kolejnictwa, Z. 153 (2011). Str. 93-116.
12. T. Kuczek, M. Mrzygłód, Crashworthiness optimization of car body for high speed trains. 9th
World Congress on Structural and Multidisciplinary Optimization. June 13-17, 2011, Japan.
3
KONIEC
3

Seminarium dr hab. Henryka Saneckiego

Komentarze

Transkrypt

Podobne dokumenty