Program PARTENERIATE

Subprogram “Proiecte Colaborative de Cercetare Aplicativă”

Raport ştiinţific şi tehnic

CONTRACT nr. 192/2012

”Soluţii pentru îmbunătăţirea performanţelor dinamice şi a securităţii la coliziuni a vehiculelor

de tracţiune feroviară pentru alinierea la cerinţele impuse de normativele europene”

acronim SIPDSI-VTF

FAZA 01

Studiu şi analiza privind metodele de determinare şi evaluare a performanţelor dinamice

şi a răspunsului la impact a vehiculelor de tracţiune feroviară pentru alinierea la normele

europene

Rezumatul fazei

Prezentul proiect vizează efectuarea de cercetări pentru realizarea unor soluţii inovative pentru

evaluarea şi optimizarea performanţelor dinamice, respectiv a siguranţei ghidării şi a calităţii

mersului la vehiculele de tracţiune feroviară fabricate de SC Softronic Craiova. De asemenea, se au în

vedere cercetări pentru evaluarea securităţii la coliziuni şi optimizării structurale prin utilizarea

analizei combinate, teoretică şi experimentală, conform noului normativ european SR EN 15227

„Railway applications – Crashwothiness requirements for railway vehicle bodies/ Aplicaţii feroviare –

Cerinţe de siguranţă pasivă contra coliziunii pentru structurile cutiilor de vehicule feroviare”. În

cadrul prezentei faze s-au desfăşurat o serie de cercetări teoretice privind factorii care determină

performanţele dinamice ale vehiculelor feroviare precum şi metodele care stau la baza aprecierii

calităţii de mers în conformitate cu reglementările internaţionale. Privind performanţele d inamice ale

vehiculelor s-au studiat o serie de aspecte determinante pentru cele două cerinţe de bază ale oricărui

vehicul de cale ferată, respectiv siguranţa ghidării în cale şi calitatea de mers. De asemenea, s-au

trecut în revistă metodele şi modelele actuale de evaluare a rezistenţei la impact, fiind prezentate

tehnicile posibile de evaluare a rezistenței la coliziuni şi cerințele internaționale de proiectare și

realizare a vehiculelor feroviare din punct de vedere al siguranţei pasive. S-au analizat sistematic

tehnicile moderne de asigurare a siguranței pasive pentru structurile vehiculelor feroviare şi practicile

internaționale privind realizarea de vehicule feroviare rezistente la coliziuni. De asemenea, a fost

prezentat pe larg stadiul actual al metodelor de analiză și evaluare a rezistenței la impact a

vehiculelor feroviare, ca şi stadiul actual al SC SOFTRONIC Craiova în domeniul realizării de

vehicule feroviar.

În cadrul fazei 01 s-au desfăşurat patru activităţi al căror conţinut se prezintă în cele ce

urmează.

Activitatea I.1

Elaborare studiu privind stadiul actual al metodelor şi modelelor utilizate pentru determinarea

şi analiza performanţelor dinamice şi a calităţii mersului vehiculelor de tracţiune feroviară

La activitatea I.1 s-au desfăşurat o serie de cercetări teoretice privind factorii care determină

performanţele dinamice în general ale vehiculelor feroviare precum şi metodele care stau la baza

aprecierii calităţii de mers în conformitate cu reglementările internaţionale. Privind performanţele

dinamice ale vehiculelor s-au studiat o serie de aspecte determinante pentru cele două cerinţe de bază

ale oricărui vehicul de cale ferată, respectiv siguranţa ghidării în cale şi calitatea de mers.

Astfel, s-au studiat:

I.1.1. Condiţiile de asigurare a ghidării osiilor la circulaţia peste aparatele de cale

Cercetările efectuate în cadrul UIC, referitoare la roţile cu diametru mic, de către comitetele

ORE D 72 şi C 70 în domeniul aparatelor de cale, de C 9 în domeniul osiilor şi şinelor din calea curentă

au arătat că formele de uzură ale profilurilor de roţi şi elementelor de cale se adaptează reciproc şi că

un profil unic constant de uzură se stabileşte pe suprafaţa de rulare a bandajului. Flancul exterior activ

al buzei nu tinde către un profil bine definit şi astfel depăşirea unor limite de uzură poate periclita

siguranţa circulaţiei, îndeosebi la trecerea peste aparatele de cale, care oferă prin construcţie

discontinuităţi ale suprafeţelor de ghidare şi de rulare în raport cu şinele căii curente.

Cu elementele aparatelor de cale, roata atacantă a unei osii poate veni în contact tangenţial sau

în contact secant. Contact tangenţial există atunci când punctul de contact dintre flancurile de ghidare

ale roţii şi ciupercii şinei este situat pe conturul aparent al roţii. Unghiul de flanc al suprafeţei

exterioare active a buzei determină înclinarea planului de tangentă roată - şină; cu cât acest unghi este

mai mare, cu atât şi forţa de ghidare este mai mare. Prin urmare, în cazul unui contact tangenţial al şinei

cu o buză uzată, securitatea contra deraierii este în general ameliorată în urma creşterii prin uzură a

unghiului de flanc al buzei.

Contactul secant se produce când conturul aparent al roţii, care se deplasează cu contact tangent

la şina normală, poate întâlni la macaze:

- vârful acului unui macaz, când există a întredeschidere qε între acesta şi contraac (întredeschidere

care variază între 3 şi 5 mm, după cum prevăd prescripţiile diferitelor administraţii de cale ferată); în

acest caz buza uzată prezintă cel mai mare risc; cu cât întredeschiderea este mai mare, cu atât pericolul

de căţărare a buzei pe flancul limbii de macaz devine mai mare şi aceasta mai ales la osiile orientabile,

care prezintǎ unghiuri mari de atac;

- un ac a cărui faţă superioară este deteriorată, iar contraacul este puternic uzat atât în înălţime, cât

şi lateral; în acest caz buza nouă prezintă cel mai mare risc.

În poziţia de atac a roţii, distanţa de decalaj longitudinal a punctului de contact se măreşte o

dată cu creşterea unghiului α de atac, astfel încât contactul este deplasat spre vârful buzei, unde unghiul

de flanc este mult mai mic.

Securitatea contra deraierii este asigurată atunci când punctul de contact A cu elementul de cale

se află pe suprafaţa buzei cu un unghi de flanc superior unei valori bine determinate (γA)min.

Experienţele efectuate pe standul de încercări la deraiere de la Minden, precum şi încercările efectuate

în circulaţie în cadrul ORE au stabilit că, pentru a se asigura siguranţa contra deraierii la trecerea peste

aparatele de cale, între forţa de ghidare a roţii Y şi sarcina pe roată Q trebuie să existe un raport admisibil Y/Q superior valorii de 0,4 (corespunzător unui coeficient de frecare μ = 0,3).

I.1.2. Siguranţa contra deraierii. Limita de deraiere

Siguranţa contra deraierii la un vehicul de cale ferată este determinată de capacitatea de ghidare

a osiei conducătoare, care reprezintă forţa maximă de ghidare pe roata atacantă la limita de deraiere.

Capacitatea de ghidare a osiei conducătoare rezultă din condiţiile de echilibru în plan vertical -

transversal al forţelor care acţionează asupra osiei.

În cazul bicontactului roţii atacante cu şina, creşterea forţei de ghidare Y1 face să crească în

punctul de ghidare A1 reacţiunea N1 şi, în consecinţă, va creşte şi acţiunea descǎrcătoare a componentei

T1yz a forţei de frecare, din care cauză se micşorează reacţiunea '1N din punctul de sprijin

'1A . Situaţia

în care se ajunge la '1N = 0, deci când punctul de sprijin

'1A este complet descărcat şi sarcina Q1 de pe

roata atacantă trece în întregime pe buza de ghidare a roţii în punctul A1, se numeşte limită de stabilitate

la deraiere sau limită de deraiere. Dacă faţă de această situaţie forţa Y1 va creşte în continuare, buza

roţii conducătoare se va urca pe flancul interior al şinei, producându-se deraierea.

În cazul monocontactului, se consideră că s-a ajuns la limita de deraiere atunci când punctul

unic de contact A1 a ajuns pe buză la un unghi de flanc maxim.

La limita de deraiere, din poligonul forţelor în punctul de contact rezultă că:

1

1

lim1

1

tg1

tg

Q

Y

relaţie cunoscută în literatura de specialitate sub numele de formula lui Nadal. În acastă relaţie γ1 este

unghiul de flanc din punctul de contact de pe roata atacantă şi μ coeficientul de frecare dintre roată şi

şină.

Coeficientul de frecare are o influenţă însemnată asupra capacităţii de ghidare a osiei. Cu cât

valoarea acestui coeficient este mai mică, cu atât va creşte capacitatea de ghidare a osiei. Şinele umede

sau ungerea buzei roţii sunt deci favorabile siguranţei contra deraierii.

Analizând procesul de deraiere, se remarcă faptul că formula lui Nadal s-a dedus numai din

forţele de contact de pe roata atacantă, fără a ţine seama de dependenţa care există între sarcina pe o

roată şi forţa de ghidare şi nici de influenţa efectului de spin în punctul de contact de pe buză asupra

coeficientului de frecare.

Ca urmare a experienţelor efectuate în cadrul Comitetelor ORE B 55 şi B 136, s-a recomandat

adoptarea valorii coeficientului de frecare μ = 0,36, considerată ca acoperitoare în cazul aplicării în

calculele de siguranţă contra deraierii a formulei lui Nadal.

Pe de altă parte, formula lui Nadal arată şi influenţa favorabilă a creşterii unghiului de flanc al

buzei γ1 asupra capacităţii de ghidare. Astfel, corespunzător valorii μ = 0,36, se obţine

2,1

lim

Q

Ypentru 701 , 85,0

lim

Q

Ypentru 601 ,

ceea ce arată avantajul unghiului de flanc de 70° al suprafeţei exterioare de ghidare a buzei roţii pentru

sporirea capacităţii de ghidare a osiei. Uzarea bandajelor, prin care se măreşte unghiul de flanc al buzei,

devine avantajoasă din punct de vedere al siguranţei contra deraierii.

Din formula lui Nadal se poate deduce unghiul de flanc 1 în funcţie de raportul (Y1 / Q1)lim:

arctgarctg

lim1

11

Q

Y .

Lucrările Comitetului ORE B 55 au arătat că, pentru a se evita deraierea vehiculului în linie

curentă, raportul Y1/Q1 trebuie să fie inferior valorii limită (Y1/Q1)lim = 1,2.

La circulaţia peste aparatele de cale, experienţele efectuate în cadrul Comitetelor C 9 şi C 70 au

permis să se tragă concluzia că la macaze

8,0

lim

Q

Y,

iar la contactul vârfului buzei cu vârful inimii de la încrucişări trebuie să se asigure un raport

4,0

lim

Q

Y.

I.1.3. Capacitatea de torsionare

Cele două fire ale căii nu formează niciodată un plan. Chiar pe porţiunile fără supraînălţare sau

cu supraînălţare prescrisă constantă, denivelările căii pe un fir sau celălalt produc abateri de la planul

ideal al celor două fire, adică torsionări ale căii.

Torsionarea căii face ca punctele de contact ale celor patru roţi de la un boghiu sau de la un

vehicul pe două osii să nu fie în acelaşi plan, ceea ce conduce la o repartizare inegală a sarcinilor pe

roţi; roata cea mai descărcată va fi aceea care s-a abătut pe verticală de la planul definit de punctele de

contact ale celorlalte roţi. Dacă roata cea mai descărcată este şi atacantă, aceasta poate să deraieze

atunci când osia respectivă depăşeşte limita capacităţii sale de ghidare.

Capacitatea de torsionare a vehiculului se defineşte ca valoarea limită a descărcării roţii

atacante care se produce la trecerea peste denivelările căii de rulare fără ca să se producă deraierea

vehiculului şi ea trebuie să asigure adaptabilitatea acestuia la descărcarea roţii atacante, adică la

torsionările căii. Prin urmare, între torsionarea căii şi capacitatea de torsionare a vehiculului trebuie să

existe o corelaţie bine determinată prin care, în primul rând, să se asigure securitatea circulaţiei şi

totodată suprasarcinile dinamice pe care le generează să devină cât mai puţin agresive pentru vehicul şi

cale.

La corelarea din punct de vedere al siguranţei circulaţiei trebuie să se ţină seama de următoarele

fenomene:

- descărcările maxime ale roţilor atacante se produc, de regulă, la viteze mici, sub 40 km/h, pe o

cale supraînălţată cu torsionări mari şi, în particular, la angajarea vehiculului pe rampa supraînălţării

unde torsionările căii sunt maxime;

- la viteze mici însă capacitatea de ghidare este influenţată nu numai de descărcarea roţii atacante,

ci şi de forţele de ghidare cvasistatice, care sunt dependente la diferite tipuri de vehicule de raza de

curbură efectivă a căii, adică raza nominală la care se adaugă toleranţele admise;

- tot la viteze mici mai intervine şi capacitatea geometrică de ghidare, determinată de cota qR ≥ 6,5

mm în corelaţie cu uzura laterală a şinei şi ecartamentul căii;

- la creşterea vitezei, descărcările roţii atacante sunt micşorate treptat prin acţiunea forţei centrifuge

necompensate şi, prin urmare, se micşorează importanţa torsionărilor căii din punct de vedere al

siguranţei circulaţiei. În schimb creşte importanţa vitezei de variaţie a pantei de torsionare care

generează suprasarcini dinamice (impulsuri de torsionare) şi care, la rândul lor, în funcţie de frecvenţa

de apariţie pe linie, contribuie la degradarea prematură a structurilor portante ale căii şi a vehiculelor prin efectul solicitărilor la oboseală.

I.1.4. Forţe dinamice produse prin şocul de atac

În curbele căii ferate pot apărea abateri de la dimensiunile nominale, sub formă de coturi

continue sau discontinue, ce produc forţe dinamice de interacţiune vehicul-cale în direcţie transversală,

care, pe lângă că înrăutăţesc calitatea mersului, pot periclita şi siguranţa ghidării vehiculelor.

Coturile continue ale căii sunt caracterizate prin abaterile de curbură cu variaţie continuă care,

suprapunându-se peste torsionările căii, duc la variaţia atât a insuficienţei de supraînălţare, cât şi a

acceleraţiei transversale a vehiculului. La C.F.R., coturile continue sunt limitate prin toleranţele admise

la săgeţile măsurate.

Coturile discontinue sunt caracterizate prin variaţia discontinuă a curburii, respectiv prin

apariţia în cale a unui punct unghiular. Acestea apar în mod accidental, de regulă în dreptul joantelor.

Prezenţa coturilor discontinue în cale amplifică efectele dinamice ale variaţiei insuficienţei de

supraînălţare, care se suprapun peste cele cvasistatice la circulaţia vehiculului în curbe.

Masa redusă mr , care este determinată de repartiţia maselor proprii ale vehiculului şi de starea

de încărcare a acestuia, se poate determina prin procedee destul de laborioase de calcul. Experimental,

aceasta poate fi uşor determinată măsurând în mers acceleraţiile transversale în două puncte de pe

şasiul cutiei, respectiv, al boghiului; se obţine astfel poziţia polului acceleraţiilor (polul de inerţie),

funcţie de care rezultă masa redusă care acţionează pe osia atacantă.

Constanta de rigiditate cy, care este influenţată şi de elasticitatea proprie a structurii de

rezistenţă a vehiculului, se poate determina experimental măsurând deplasarea osiei sub efectul unor

forţe transversale aplicate şasiului în dreptul osiei atacante.

Forţele de conducere a saşiului prezintă o importanţă practică deosebită, fiindcă determină

siguranţa la deriparea căii, solicitarea organelor de rulare ale vehiculului, precum şi siguranţa la deraiere.

I.1.5. Calitatea mersului la vehiculele feroviare

Calitatea mersului este determinată de comportarea dinamică a vehiculului pe calea de rulare.

Aceasta fiind un rezultat al interacţiunii dintre vehicul şi cale, pe lângă faptul că influenţează confortul

călătorilor şi integritatea mărfurilor transportate, determină şi un anumit grad de siguranţă a circulaţiei

şi de menajare a structurii portante a vehiculului.

Din aceste motive s-au efectuat numeroase cercetări teoretice şi experimentale cu privire la

definirea noţiunilor de calitate a mersului, cu privire la criteriile şi metodele practice de evaluare a ei,

cu scopul de a se putea îmbunătăţi continuu performanţele calitative ale vehiculelor.

La vagoanele de călători, vibraţiile produse în timpul mersului nu trebuie să influenţeze

nefavorabil starea psihofiziologică a călătorilor.

Cercetările efectuate, în general, asupra sensibilităţii organismului omenesc la vibraţii au scos la

iveală că amplitudinile mari ale deplasării, dacă sunt însoţite de variaţii mari de acceleraţii, produc

oboseală, deoarece impun eforturi variabile de echilibrare a corpului. De asemenea, s-a constatat că

organismul nu reacţionează la fel la toate frecvenţele. Omul este obişnuit să suporte foarte bine

frecvenţele cuprinse între 0,5 şi 1,5 Hz, deoarece în acest domeniu se situează de fapt pulsaţiile inimii

(60 ... 90 bătăi pe minut) şi ritmul mersului obişnuit pe picioare (1 ... 3 paşi pe secundă). La frecvenţe

mai mici de 0,5 Hz, majoritatea persoanelor capătă senzaţii de ameţeală şi greaţă, cunoscute în limbajul

obişnuit sub denumirea de “rău de mare”. La frecvenţe mai mari de 1,5 Hz se produc deranjamente ale

organelor auditive, manifestate de obicei prin “vâjâitul urechilor”. La frecvenţa de 5 Hz, se produce un

reflex al sistemului nervos, manifestat de regulă prin dureri de cap. Între 25 şi 40 Hz se produc

perturbaţii ale organelor vizuale, manifestate prin slăbirea vederii, iar la frecvenţa de 35 Hz, de regulă,

apare un reflex puternic al sistemului nervos, care se manifestă printr-o dublare a imaginilor vizuale.

Între 60 şi 90 Hz, la majoritatea persoanelor apare o rezonanţă a globurilor oculari.

Se face o prezentare generală a principalelor metode de apreciere a calităţii mersului, cu referire specială la evaluarea calităţii mersului pe baza timpului de oboseală.

I.1.6. Fenomenul de stick-slip

Mişcarea osiei motoare poate fi însoţită de anumite intermitenţe sau sacadări, fenomen cunoscut

în literatura de specialitate sub denumirea de stick - slip. Datorită stick - slip - ului se produc atât

suprasolicitări dinamice importante în osie şi în sistemul de antrenare al acesteia, cât şi variaţii ale

forţelor de tracţiune la periferia roţilor, care produc perturbarea mersului şi deci diminuarea

performanţelor de tracţiune ale vehiculului.

Aspectele legate de fenomenul de stick - slip vor fi analizate pentru cazul sistemului de

antrenare a osiei cu motor electric de tracţiune la care momentul motor se transmite angrenajului de

tracţiune prin intermediul unui arbore elastic ''de torsiune''.

Vibraţiile de stick - slip, a căror cauză primară rezidă în alura caracteristicii forţei de frecare

roată - şină şi a forţei de tracţiune, se produc la viteze mici de alunecare, în general la demarajul

vehiculului, când este posibilă patinarea osiei datorită depăşirii forţei limitate de aderenţă de către forţa

de tracţiune.

În general, vibraţiile care apar sub influenţa frecării uscate la contactul roată - şină prezintă

forme de manifestare diferite în funcţie de viteza de alunecare. Astfel, la viteze mici de alunecare,

mişcarea prezintă o fază de aderenţă (stick) şi o fază de alunecare (slip), adică se produce o alunecare

cu intermitenţă, când forţa de frecare variază între o valoare maximă Tmax care este limitată de aderenţă

şi o valoare minimă Tmin corespunzătoare coeficientului de frecare la viteza maximă de alunecare. La

viteze de alunecare mari se produc autovibraţii a căror amplitudine este mult mai mică decât în cazul

stick - slip - ului.

I.1.7. Variaţiile de sarcini pe osii la vehiculele de tracţiune

Problema distribuției greutății aderente Gad între roțile motoare apare la vehiculele motoare

electrice destinate remorcării (caz tipic este cel al locomotivelor). În acest caz, pe direcția deplasării,

asupra locomotivelor acționează forțele de tracțiune, dezvoltate la nivelul contactului roată-șină, a

roților motoare, cu rezultanta Ft și forța de reacțiune din partea convoiului remorcat, aplicată la nivelul

cârligului locomotivei Fcr. Cum cele două forțe sunt aproximativ egale, au aceeași direcție, dar au

sensuri opuse și punctele de aplicație diferite, ele produc un cuplu de rotire în jurul axei transversale

numit "cuplu de cabraj".

Sub acțiunea acestui cuplu de cabraj, are loc redistribuirea greutății aderente între osiile motoare

ale vehiculului. În consecință, în regim de tracțiune, roțile motoare din față vor dispune de o forță de

aderență mai mici fiind expuse riscului patinare.

a

ab

r

hb

H 1B1

O2 O1O3O4

B2

Fcr

F0/4 F0/4 F0/4 F0/4

Cc

Cb2

F0/2

v

Planul de contact cu

șina

Cb1

F0/2

Identificarea factorilor geometrici care

determină redistribuirea greutății aderente între osiile

motoare al aceluiași vehicul, va fi analizată pentru un

vehicul de tracțiune pe patru osii motoare (fig.1).

Ca și date mecanice și geometrice de plecare

ale problemei sunt:

- locomotiva (în tracțiune) are greutatea

aderentă Gad și viteza v;

- pe fiecare osie motoare se dezvoltă forțe de

tracțiune egale F0/4;

- cutia are greutatea GC și ampatamentul a;

- fiecare boghiu are greutatea GB și

ampatamentul ab;

Fig. 1. Apariția cuplului de cabraj la

vehiculele motoare cu boghiuri pe două osii

- față de suprafața de rulare, cârligul este situat la înălțimea H iar legătura cutie-boghiu la înălțimea

hb;

- se consideră o construcție simplificată, cu boghiuri libere, la care forțele de tracțiune dezvoltate de

fiecare boghiu (de mărime F0/2) se transmit prin cele două legături pivotante la șasiul locomotivei.

Pentru identificare, osiile motoare vor fi notate cu O1, O2, O3 și O4, începând cu osia din față în

sensul de mers, iar boghiurile vor fi însemnate B1, B2 ca în fig.1.

Metoda de analiză mecanică a problemei va fi cea a separării corpurilor studiindu-se separat

cabrajul cutiei (cu momentul Cc) și separat cabrajul boghiului (cu momentul Cb).

Cabrajul cutiei

Cutia locomotivei, izolată de convoi și de cele două boghiuri motoare ale sale (fig.2) este în

echilibru dinamic sub acțiunea forțelor de greutate Gc=Q (aplicată în centrul de greutate al cutiei), de

reacțiune și (aplicate vertical în punctele 1 și 2), de tracțiune și

(aplicate orizontal în punctele 1și 2) de reacțiune la cârlig (aplicată orizontal la aparatul de

tracțiune).

În staționare (când și ), datorită echilibrării statice a cutiei, reacțiunile

verticale și vor fi egale între ele, adică:

În tracțiune (când și ), datorită diferenței pe înălțime a punctelor de

aplicație, forțele orizontale și produc cuplul de cabraj (al cutiei) de moment Cc:

Gc=Q

Qb=Q/2

a

H

hg

2 1

-Qb1-Qb2

Fb2=F0/

2

Cc

v

–Fcr≅-F0

Qb=Q/2

hb

Planul de contact cu

șina

DQb2 DQb1

Fb1=F0/

2

Același moment Cc poate fi produs și de forțele

echivalente fictive aplicate

vertical în punctele 1 și 2 (fig.2). Din condiția de

egalitate a momentelor forțelor echivalente

rezultă:

Fig. 2 Cabrajul cutiei

iar prin suprapunere cu rezultă și mărimile reacțiunilor verticale și și :

Cabrajul boghiului

Din considerente de simetrie se va analiza numai primul boghiu.Boghiul 1, izolat de cutie și de

calea de rulare (fig.3) se află în echilibru dinamic sub acțiunea forțelor de greutate Gb, aplicată în

centrul de greutate al boghiului, de apăsare normală , aplicată vertical în punctul 1 (din partea

cutiei), de reacțiune aplicată orizontal în punctul 1 (din partea cutiei), de tracțiune F0/4 și

F0/4 aplicate orizontal roților în punctele A1 și A2, de reacțiune și aplicate vertical roților în

punctele A1 și A2.

În staționare (când și ), datorită echilibrării statice a boghiului, reacțiunile verticale pe

fiecare osie și vor fi egale și egale cu:

În tracțiune (când și ), din cauza diferenței pe înălțime între direcțiile forțelor

orizontale și asupra boghiului acționează cuplul de cabraj de moment Cb:

Același moment Cb poate fi produs și de forțele echivalente aplicate vertical

în punctele A1 și A2 (fig.3). Din condiția de egalitate a momentelor forțelor echivalente rezultă :

Forțele verticale și de mărime "descarcă" și respectiv "încarcă" suplimentar

osiile motoare 1 și 2 ale boghiului 1 (fenomene identice au loc și în boghiul 2). Prin urmare, mărimile

reacțiunilor verticale și (la apăsarea osiilor pe calea de rulare în punctele A1 și A2) vor fi date

de:

Qb1

Qr1

ab

r

hb

Qr2

1

A1A2

B1

DQr2Gb

DQr1

F0/4 F0/4

Cb

v

Fb1=F0/2

Planul de contact cu

șina

Fig.3 Cabrajul boghiului

unde este greutatea aderentă a locomotivei.

Pe baza acestora, variația greutății aderente pe osie (datorată cabrajului) poate fi exprimată cu

relația generală (i=1,2,3,4): semnifică osie "descărcată" iar semnifică osie

"supraîncărcată".

Din cauza efectelor cabrajului, în tracțiune situația cea mai defavorabilă o prezintă prima osie a

primului boghiu. Descărcarea acesteia este maximă și are valoarea:

Deși la prima osie efectele sunt cumulative și în plus, constructiv întotdeauna , din

cauza ampatamentelor diferite componenta cabrajului boghiului ( ) este mult mai mare

decât componenta cabrajului cutiei ( ). Din acest motiv, diverse soluții ingenioase (de proiectare și

de construcție a părții mecanice) urmăresc diminuarea la maximum a descărcării primei osii

(datorate cabrajului). Printre acestea amintim adoptarea la locomotivele moderne a "tracțiunii joase"

(unde cota este foarte mult redusă). Efectele fenomenului de cabraj pot fi eliminate și prin controlul

individual al motorului.

I.1.8. Influenţa frânării asupra siguranţei circulaţiei şi a confortului călătorilor

Frânarea trenurilor este un proces complex, specific vehiculelor feroviare şi de o mare

importanţă prin contribuţia esenţială pe care o are asupra siguranţei circulaţiei. Această complexitate

este determinată de faptul că pe durata frânării se desfăşoară numeroase fenomene de natură diferită -

mecanică, termică, pneumatică, electrică, etc. - ale căror acţiuni se realizează în diferite puncte ale

vehiculului şi trenului, cu diverse intensităţi, toate trebuind să se intercondiţioneze în mod favorabil

scopului urmărit, acela de a asigura o frânare eficientă, corectă şi sigură.

Fenomenele dinamice care se dezvoltă la nivelul vehiculului şi în corpul trenului în timpul

frânării ca urmare a modului de comandă şi de intrare în acţiune a frânelor fiecărui vehicul în parte,

precum şi a modului de funcţionare, cu deosebire în fazele tranzitorii iniţiale, pe măsura propagării

undei de frânare şi până la atingerea presiunilor comandate în toţi cilindrii de frână ai vehiculelor,

determină dezvoltarea unor forţe dinamice longitudinale care afectează confortul călătorilor şi în

anumite condiţii pot deveni chiar periculoase pentru siguranţa circulaţiei.

În general, modelarea mecanică a trenului în asemenea studii se face printr-un sistem elastic

amortizat cu n -1 grade de libertate, format dintr-un număr finit de masa mi, unite între ele prin

elemente având caracteristici elastice ci şi de amortizare ρi bine definite.

Dacă se consideră că xi este spaţiul parcurs, ix.

viteza instantanee de deplasare şi ix..

acceleraţia

instantanee, asupra unui vehicul oarecare din compunerea trenului vor acţiona următoarele forţe (vezi

fig. 4): Ff,i forţa de frânare instantanee ce acţionează asupra vehiculului, Ri rezistenţa la înaintare, Pi-1,

Pi forţele care acţionează între masele 1i şi i, respectiv i şi 1i la nivelul aparatelor de ciocnire şi

legare dintre aceste vehicule, dependente de caracteristicile elastice şi de amortizare ale acestora. În

consecinţă, pentru un vehicul oarecare i supus influenţei forţelor exterioare, ecuaţia de mişcare este

(vezi fig. 4):

iiiifii PPRFxm 1,

..

cu i =1, 2, ... , n şi 0 no PP .

Aplicată tuturor vehiculelor componente ale trenului, relaţia anterioară constituie un sistem de n

ecuaţii diferenţiale neliniare de ordinul doi.

În general, principalii parametri care influenţează ansamblul problemei sunt:

- compunerea trenului, numărul de vehicule, masa (tara şi încărcătura) şi tipul acestora, precum

şi modul lor de repartizare în corpul trenului;

- caracteristicile sistemului de frânare al trenului;

- caracteristicile elastice şi de amortizare ale aparatelor de ciocnire şi tracţiune; - evoluţia

coeficientului de frecare dintre sabot şi roată, respectiv dintre garnitură şi discul de frână, eventual

dintre patina electromagnetică şi şină, în funcţie de echiparea vehiculelor componente ale trenului.

Pentru a evidenţia aspectele prezentate anterior, se prezintă rezultatele obţinute prin simularea,

pe baza unui program de calcul realizat în cadrul departamentului MRCF al Facultăţii de Transporturi

din UPB, unei frânări de urgenţă de la viteza de 180 km/h în cazul unui tren format dintr-o locomotivă

pe şase osii, cu masa de 120 t şi nouă vagoane de călători, fiecare cu masa de 45 t. S-a considerat că

vehiculele sunt echipate cu frână cu disc şi frână indirectă cu aer comprimat, distribuitoarele de aer

fiind caracterizate printr-un timp de umplere de 3,16 s, la limita inferioară corespunzător

reglementărilor naţiunale şi internaţionale în domeniu.

În fig. 5, a este prezentată evoluţia forţelor de comprimare şi de întindere evidenţiate în corpul

trenului pentru cazul studiat. Se poate constata că se ating valori importante ale acestor forţe, iar undele

propagate în lungul trenului determină variaţii inportante de forţe între vehicule, care conduc la variaţii

relative de viteză (vezi fig. 5, b). Acestea conduc la variaţii de acceleraţie la nivelul fiecărui vehicul,

determinând apariţia de şocuri care sunt resimţite şi de pasageri.

iixm. .

ix.

i

m

ifF

,

i

R

iP

1i

P

Sens de deplasare

Fig. 4. Forţele care acţionează asupra unui vehicul din corpul trenului aflat în regim de frânare.

Se face precizarea că un asemenea program de simulare poate fi dezvoltat în mod specific şi

pentru studii privind diverse situaţii şi scenarii de coliziune la vehiculele feroviare.

Activitatea I.2. Studiu privind stadiul actual al metodelor si modelelor pentru evaluarea

rezistentei la coliziuni a vehiculelor feroviare

Transportul feroviar reprezintă unul dintre cele mai sigure mijloace de transport public și de

marfă, aceasta datorându-se în principal controlului dirijat al traficului în asociere cu aplicarea de

măsuri de înaltă siguranță activă. Cu toate acestea, în ciuda tuturor măsurilor luate, accidentele

feroviare nu au putut să fie eliminate, determinând ca în ultimele două decenii obiectivul asigurării

siguranței transportului feroviar să fie orientat către siguranța pasivă, aceasta devenind o problemă de o

importanță tot mai mare, în industria feroviară.

Pornind de la aceste necesități, de dată relativ recentă a apărut un concept nou, Managementul

Energiei de Deformare, cunoscut sub abrevierea de CEM de la Crash Energy Management, care

reprezinta o strategie modernă de proiectare a vehiculelor feroviare ce include zone de deformare

controlată în locuri neocupate de pasageri sau de către personalul de deservire a vehiculului. Aceste

zone sunt concepute pentru a se zdrobi la niveluri de forță mai mici decât cele din compartimentele

ocupate de pasageri sau de mecanic. Printr-o inginerie adecvata a zonelor de deformare, energia de

coliziune este disipată în spațiile neocupate ale trenului, menținând astfel integritatea și siguranța

zonelor ocupate, iar în final având ca rezultat protejarea vieții pasagerilor și a personalului operativ.

În cadrul prezentului studiu atenția este orientată către masurile de protecție pasivă recomandate

de normativele internaționale și prioritar de standardul european EN 15227 „Railway applications -

Crashworthiness requirements for railway vehicle bodies” / SR EN 15227 „Aplicații feroviare –

Cerințe de siguranță pasivă contra coliziunii pentru structurile cutiilor de vehicule feroviare” care

începând din 2008 a devenit standardul de referință pentru noile generații de vehicule feroviare care

sunt admise pentru circulție în spațiul comunitar european..

I.2.1. Principii generale privind rezistența la coliziuni ale vehiculelor feroviare

Managementul energiei cinetice, felul cum aceasta este transformată în energie potențială de

deformare plastică a unor structuri convenabil alese sunt esențiale în diminuarea pagubelor.

Două legi fizice fundamentale reglementează răspuns global al structurii vehiculelor implicate

într-o coliziune: legea de conservare a impulsului și legea de conservare a energiei totale:

Fig. 5. Evoluţia reacţiilor dinamice longitudinale (a) şi a vitezelor relative (b)

dintre vehiculele unui tren format din locomotivă pe şase osii şi nouă

vagoane de călători, în regim de frânare.

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10-5

0

5

10x 10

4 forte din aparatele de ciocnire si tractiune

New

ton

secunde

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10-0.02

-0.01

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05viteze relative

met

ri/se

cund

a

secunde

a b

unde: M1, M2 – Masa vehiculelor; V1, V2 – Viteza vehiculelor înainte de ciocnire;V’1, V

’2 – Viteza

vehiculelor după de ciocnire; Ed - Energia disipată prin deformarea structurii în timpul impactului.

În cadrul prezentei abordări se neglijază energia disipată prin frecări și alte mecanisme de

disipare care sunt neglijabile comparativ cu energiile cinetice și de deformare schimbate în coliziune.

Se obține energia totală disipată în timpul coliziuni:

unde Vc reprezintă viteza relativă anterioară impactului.

Este de notat că Ed, energia totală absorbită în coliziune, poate fi interpretată ca un indicator al

potențialului de distrugere care poate fi provocat vehiculelor în coliziune.

Considerând cazul unei locomotive cu masa de 126.000kg, care are viteza de 36 km/h și se

tamponeaza frontal cu o locomotivă identică ce stă pe loc, rezultă o energie totală de 3.15 MJ care

treduie disipată în coliziune. Pentru cazul a două locomotive identice, cu masa de 126.000kg, care au

vitezele de 36 km/h și se tamponeaza frontal, rezultă o energie totală de 12.6 MJ care treduie disipată.

Considerând evenimentele pe durata de timp a realizării coliziunii, și considerând media

forțelor care realizează deformațiile plastice, utilizând relația de echivalență a energiei cinetice ca lucru

mecanic pentru realizarea deformațiilor, în lucare se ilustrează legăturile formale care se stabilesc între

vitezele de coliziune, accelerațiile de răspuns, a, ale structurilor aflate în coliziune și lungimile de

deformare, L, ale elementelor absorbante ale șocului de coliziune. Pentru cazul coliziunii a două

vehicule identice, dintre care unul stă pe loc, relația dintre cele trei mărimi este:

Nu se poate face evaluarea deformațiilor separate ale vehiculelor în coliziune, ci doar se poate

calcula o deformare global a celor două vehicule. Oricum, dacă cele două vehicule au structuri identice

și dacă nu s-a realizat încălecarea sau deraierea, atunci, deformarea structurală a celor două vehicule

este identică, iar deformarea individuală se poate scrie ca:

În acest caz special ecuația de mai sus devine:

I.2.2. Tehnici de evaluare a rezistenței la coliziuni

O evaluare corectă la coliziune trebuie să stabilească performanțele vehiculului în ceea ce

privește menținerea integrității structurale, capacitatea de gestionare a energiei cinetice, precum și

eficiența amenajărilor interioare de atenuare a efectelor datorate contactelor potențial periculose

caracteristice coliziunii secundare. Pe plan mondial sunt recunoscute trei tehnici de evaluare a

siguranței vehiculelor la coliziuni: experimentul(încercarea), analiza, tehnici combinate experiment si

analiză.

Tehnici experimentale (încercări)

O modalitate de evaluare a rezistenței la coliziuni a unui vehicul feroviar este de a-l încerca într-

un mediu similar coliziunii. În această abordare, vehiculul întreg sau o parte reprezentativă a acestuia

este supus la o condiție de încărcare dinamică, care încearcă să simuleze, în măsura posibilului,

condițiile inițiale de impact și de răspuns ulterior al vehiculului, în condiții care să aproximeze cât mai

mult condițiile reale de accident. Această abordare generală cuprinde două tehnici majore de încercare:

încercare la scară naturală și încercare pe componente. Din punct de vedere al modului de aplicare a

sarcinilor, încercările sunt: statice și dinamice.

Încercările statice se pot efectua pe întregul vehicul sau pe componente și furnizează informații

referitoare la comportarea structurii mecanice în zona deformațiilor liniare, sau intrarea structurii sau a

unor regiuni din structură în zona deformațiilor neliniare sau plastic. Încercările statice se efectuează în

condițiile aplicării în regim cvasistatic a sarcinilor de încercare și a măsurării și înregistrării tuturor

parametrilor de interes precum, forțe, deplasări, tensiuni mecanice în structură, etc. Înregistrările forțe-

deplasări sau forțe-tensiuni mecanice constituie date de calibrare și de validare pentru o analiză

teoretică detaliată.

Încercările dinamice se pot efectua pe întregul vehicul sau pe componente. Se efectuează în

condițiile aplicării în regim dinamic a solicitărilor prin utilizarea unor cilindri hidraulici sau vibrator

electrodinamic, care lucrează în regim dinamic, într-o gamă dată de frecvență, sau prin utilizarea unor

tehnici de încercare în care solicitările sunt aplicate în regim dinamic, într-o manieră asemănătoare

situațiilor de coliziune. Distribuția maselor și caracteristicile de elasticitate sunt evidențiate prin

frecvențele proprii și formele proprii de oscilație ale structurii sau echipamentului încercat.

Caracteristicile de amortizare sunt evidențiate prin factorii de amortizare care definesc fiecare mod

propriu de vibrație.

Încercările dinamice servesc la validarea modelului analitic realizat cu programe de calcul cu

elemente finite. Un model analitic validat prin date experimentale, obținute în regim static și dinamic

poate fi utilizat pentru evaluarea analitică a rezistenței structurale la scenarii date de coliziune.

Tehnicile analitice de evaluare a rezistenței la coliziuni a vehiculelor feroviare sunt recunoscute

și recomandate de normativele în vigoare, avându-se în vedere costurile și implicațiile încercării la

scară natural, doar prin utilizarea de modele analitice validate prin date experimentale. Aici se are în

vedere și faptul că încercarea pe componente nu poate fi utilizată pentru validarea întregului vehicul, ci

doar ca instrument care furnizează model parțial pentru un echipament, model care poate fi asamblat

analitic într-un model global al întregului vehicul.

Necesitatea validării modelului analitic prin date experimentale decurge din faptul că

materialele reale care intră în componența structurii fizice, diferă din punct de vedere al caracteristicilor

de material de materialele utilizate în realizarea modelului teoretic.

Datele experimentale obținute printr-o combinație de analize statice și/sau dinamice servesc la

calibrarea modelului analitic, care odată validat poate fi utilizat pentru evaluarea raspunsului

vehiculului la oricare scenariu de coliziune. O simulare realistă a coliziunii unui vehicul feroviar

trebuie să fie capabilă să modeleze următoarele fenomene: cinematica coliziunii, coliziunea primară,

coliziunile secundare.

De bază sunt două tehnici analitice de abordare a cinematicii unei garnituri feroviare sau a unui

vehicul individual implicat într-un scenariu de coliziune:

- analiza de tip ”mase concentrate”

- analiza cu elemente finite

Este de asemenea posibilă combinarea lor în vederea elaborării unor modele hibride economice

din punct de vedere financiar sau al timpului de elaborare și de calcul, în condițiile menținerii

pretențiilor referitoare la acuratețea răspunsului dinamic.

Analiza cu mase concentrate (LMA - Lumped Mass Analyses) este abordată pentru analiza la

coliziuni a unei întregi garnituri feroviare. Aceasta este modelată ca o serie de corpuri rigide cu masa

concentrată, conectate prin elemente deformabile, de masă nulă, cu rigiditatea neliniară uniaxial

distribuită. În sistem pot fi incluse elemente de amortizare pentru disiparea locală a energiei.

În cadrul analizei cu elemente finite structura vehiculului este divizată într-o grilă sau ochiuri

(mesh) de elemente simple de tip bare, plăci, elemente spațiale, prisme, etc, legate între ele printr -un

număr de puncte (noduri) și linii de-a lungul limitelor elementare de separare. Ca atare, reprezentarea

analitică a obiectului de analizat o constituie un model analitic asociat structurii reale, cu respectarea

geometriei, a proprietăților de material și a distribuției de masă. Fiecărui element îi sunt atribuite

caracteristici de elasticitate, forță-deformție, definite în conformitate cu teoria structurală clasică, cu

respectarea legilor de inerție și de echilibrul energetic intern și extern. Răspunsul întregii structuri la o

încărcare prescrisă se obține ca soluție a unui set complex de ecuații diferențiale care trebuiesc să fie

satisfăcute pentru o orice abatere a punctelor nodale. Cunoașterea acestor deformații elementare

permite calculul stării de tensiune în cadrul fiecărui element și a accelerației de răspuns pentru fiecare

punct material utilizat în modelare.

Există o largă varietate de programe de analiză cu elemente finite, multe dedicate satisfacerii

unor probleme consacrate de natură mecanică, termică, electrică, etc. Dintre ele, programe precum

ALGOR, ANSYS și MARC au capacitatea de a efectua analize mecanice dinamice în domeniul elasto-

plastic al deformațiilor mari și tranzitorii. Relativ recent au apărut generații noi de programe de analiză

care conțin module specializate pe analize de coliziuni la vehicule, în particular chiar la vehicule

feroviare. Dintre acestea se poate menționa ANSYS-LSDyna, PAM-CRASH și RADIOSS care pot

rezolva probleme de mare complexitate orientate pe coliziuni la vehicule cu deformații mari. Mai mult

decât atât, algoritmii cuprinși în aceste programe le fac aplicabile pentru utilizare în simularea unor

scenarii impuse de coliziune.

I.2.3. Cerințe internaționale de proiectare și realizare a vehiculelor feroviare rezistente la

coliziuni

Lucrarea prezintă o paralelă a cerințelor impuse de normativele americane și europene privind

condițiile de proiectare a unor vehicule feroviare rezistente la coliziuni. O comparație scoate în

evidență că, din punct de vedere al solicitărilor longitudinale, normativele americane sunt mai severe.

I.2.4. Cerințe actuale de siguranță pasivă privind rezistența la coliziuni pentru vehicule

feroviare

Standardul european EN 15227+A1/2011 „Aplicații feroviare – Cerințe de siguranță pasivă

contra coliziunii pentru structurile cutiilor de vehicule feroviare” reglementează cerințele pe care

trebuie să le satisfacă vehiculele feroviare, din punct de vedere al siguranței passive, pentru a fi admise

în circulație în spațiul feroviar comunitar european. Standardul se aplică noilor proiecte de locomotive

și vehiculelor feroviare destinate transportului de marfă și călători, definind categoriile de aptitudine,

C-I … C-IV din tabelul 1.

Tabel 1. Categorii de aptitudine la coliziune a vehiculelor feroviare

Categorie Definiție Exemple de tipuri de vehicule

C-I Vehicule proiectate pentru exploatarea pe itinerarii

TEN, rețele internaționale, naționale și regionale (cu

pasaje la nivel)

Locomotive feroviare fixe, vagoane de

călători și unități

C-II Vehicule urbane proiectate pentru exploatare numai

pe o infrastructură feroviară specifică, fără interfață cu traficul rutier

Vehicule de metrou

C-III Vehicule feroviare ușoare proiectate pentru

exploatarea pe rețele urbane și/sau regionale, exploatate pe căi partajate și interfațate cu traficul

rutier

Trenuri de tramvai, tramvai

preurban

C-IV Vehicule feroviare ușoare proiectate pentru

exploatarea pe rețele urbane specifice și interfațate cu

traficul rutier

Vehicule de tramvai

Scenarii de proiectare la coliziune reglementate de EN 15227+A1/2011

1) Coliziune frontală între două unități feroviare identice;

2) Coliziune frontală cu diferite tipuri de vehicule feroviare;

3) Coliziune frontală cu un vehicul rutier de mare tonaj la un pasaj de nivel;

4) Coliziune cu un obstacol scund (de exemplu, un autoturism pe un pasaj de nivel, un animal,

obstacole oarecare etc.).

Tabel 0. Scenarii de coliziune și obstacole de coliziune

Scenariu de

coliziune

Obstacol de coliziune Caracteristici operaționale cerute Vitezăde coliziune – km/h

C-I C-II C-III C-IV

1 Unitate feroviară identică Toate sistemele 36 25 25 15

2

Vagon de 80 t Trafic mixt cu vehicule echipate cu

tampoane laterale

36 n.a. 25 n.a.

Tren regional de 129 t Trafic mixt cu vehicule cu cuplă

automată centrală n.a. n.a. 10 n.a.

3

Obstacol deformabil de 15 t TEN și exploatare similară cu pasaje de

nivel

Vlc – 50

≤110

n.a. 25 n.a.

Obstacol rigid

de 3 t

Linie urbană neizolată de traficul rutier n.a. n.a. n.a. 25

4 Obstacol mic

scund

Cerințe de îndeplinit pentru plugul de

obstacole tabel 2.3 n.a.

tabel

2.3 n.a.

Tabel 1. Cerințe de performanță pentru pluguri de obstacole

Viteză operaționalăa ≥160 km/h 140 km/h 120 km/h 100 km/h d80 km/h

Încărcare staticăla centrub 300 kN 240 kN 180 kN 120 kN 60 kN

Încărcare static la o distanță laterală față de

centru de 750 mmb

250 kN 200 kN 150 kN 100 kN 50 kN

a Pentru viteze operaționale de valori diferite date, valorile de forță și de energie pot fi interpolate

b Detalii pentru aplicarea acestor încărcări și caracteristicile de performanță ale plugului de obstacole sunt date în

2.5.3.5.

Validarea aptitudinii la coliziune

În măsura în care este nerealistă evaluarea comportării unui tren complet prin încercări,

realizarea obiectivelor trebuie să fie validată prin simulări dinamice corespunzătoare scenariilor de

referință pentru coliziune. Utilizarea numai a unei simulări numerice este suficientă doar pentru o

previzionare a comportamentului structural pentru zonele în care deformația este liniară.

Pentru zonele cu deformare mare, în zona deformațiilor plastice, programul de validare trebuie

să cuprindă validarea modelelor numerice prin încercări adecvate (metoda combinată). Conformitatea

cu cerințele scenariului 4 poate fi demonstrată direct prin încercări.

Principalele etape ale metode combinate pentru un proiect nou de vehicul sunt indicate mai jos:

Etapa 1 : Încercare pe dispozitive absorbante de energie și zone deformabile: pentru a verifica

performanțele elementelor în ceea ce privește aptitudinea la coliziune și pentru a furniza date de intrare

pentru readaptarea modelelor, trebuie efectuate încercări pe machete de încercare în mărime reală.

Configurația de încercare trebuie definită luând în considerare următoarele obiective: reproducerea pe

cât posibil a unuia din scenarii; realizarea ușoară a calibrării; utilizarea capacității maxime de absorbție

a energiei; demonstrarea unei comportări specifice adaptată proiectului.

Etapa 2 : Calibrarea modelului numeric al structurii: după efectuarea încercării la scară

naturală, descrisă la etapa 1, trebuie realizară recalibrarea modelul numeric prin compararea

rezultatelor încercării cu cele ale simulării numerice corespondentă.Validarea modelului trebuie să

pună în evidență două condiții esențiale pentru comparația între încercare și simularea numerică:

comportarea elementelor de absorbție a energiei, a zonelor deformabile și secvența fenomenului de

absorbție a energiei; analiza detaliată ale tuturor rezultatelor încercării și în special ale nivelului forțelor

și deplasărilor elementelor importante ale structurii.

Etapa 3 : Simularea numerică a scenariilor de coliziune: trebuie creat un model tridimensional

pentru fiecare tip de structură de vehicul supus la o deformație permanentă. Acest model trebuie să

includă modelul calibrat al cabinei de conducere sau al structurilor deformabile de la capătul

vehiculului rezultat din Etapa 2, precum și un model complet 3D al restului vehiculului. Uzual numai

primul sau primele două modele de vehicul trebuie să cuprindă elemente absorbante de energie și

structura supusă deformațiilor cu un nivel ridicat de detaliere.

Celelalte vehicule ale unității feroviare pot fi reprezentate prin sisteme concentrate masă -arcuri

care echivalează comportarea lor globală. Dacă structurile cutiilor sunt simetrice față de axa

longitudinală centrală, este permisă considerarea unui semi-model.

Cu modelul analitic calibrat se realizează simularea scenariilor de coliziune (cu excepția cazului

în care sunt demonstrate direct prin încercări) pentru a obține omologarea vehiculelor în raport cu

cerințele standardului European EN 15227+A1/2011. Modelul complet a unității feroviare trebuie să

conțină modele vehiculelor validate după cum s-a descris mai sus. Utilizarea unui program redus de

validare trebuie să fie justificată. Această justificare trebuie să demonstreze că programul utilizat este

echivalent cu un program complet de validare cum s-a indicat.

I.2.5. Tehnici de asigurare a siguranței pasive pentru structurile vehiculelor feroviare

În momentul de față, există o mare varietate de soluții constructive abordate de marii fabricanți

de vehicule feroviare rezistente la coliziuni. Toate soluțiile constructive reprezintă varietăți ale

acelorași trei soluții de disipare a energiei de coliziune prin:

cupla automată / tampoane pentru modelele europene,

absorbitorul primar de energie al structurii deformabile, amplasat uzual la nivelul șasiului

absorbitorul secundar de energie al structurilor deformabile, amplasat uzual la nivelul acoperișului.

Tampoane: lider mondial în domeniul fabricării de tampoane pentru vehicule feroviare este EST

Eisenbahn-Systemtechnik. Începând cu anul 2003 a început fabricarea tampoanelor EST Duplex G1.A1

care combină, într-o singură componentă, un tampon lateral standard, pentru vehicule feroviare, cu un

element de deformare plastică pentru absorbția de energie.

Funcționarea tampoanelor EST Duplex G1.A1 se realizează în două etape successive:

În prima etapă tamponul este reversibil, se utilizează sisteme elastice și de amortizare care absorb

până la 40 kJ de energie la o cursă de max 100 mm și o rată de amortizare de 50 %.

Etapa a doua corespunde deformării plastic, ireversibile care realizează o deformare controlată

pentru situații de coliziune severă. În funcție de versiunea de proiectare și de utilizare, de obicei, în

această etapă se disipă o cantitate de energie de până la 1.7MJ.

Cupla automată are rolul de conectare mecanică și pneumatică a două vehicule feroviare aflate

față în față, fără intervenție manual în vederea asigurării forțelor de trage sau de împingere.

Sisteme tubulare de absorbție a energiei primare de coliziune: cel mai utilizat dispozitiv de

absorbție a energiei de coliziune este un tub metalic gol, cu secțiunea circulară sau pătrată, care suferă

deformarea sub încărcarea unor forțe axiale. Această abordare este o relativ simplă și puțin costisitoare

și este utilizată pe scară largă în aplicații variate de transport feroviar, rutier și în aviație.

I.2.6. Practici internaționale privind realizarea de vehicule feroviare rezistente la coliziuni

Practica Stadler Rail pentru GTW DMU/EMU II : Gelenk-Trieb-Wagen (“GTW”) este un tren

regional realizat pentru a acoperi cele mai noi standarde în domeniul feroviar, incluzând standardele

EN15227 și EN12663-1, pentru categoria PII de vehicule feroviare. Capetele motoare ale trenului

GTW DMU/EMU II sunt prevăzute cu cuplă automată, o pereche de module absorbante de energie

(absorbție în două etape) și o structură de protecție. Principalele elemente ale GTW DMU/EMU II

pentru satisfacerea necesităților privind rezistența la coliziuni sunt:

Cupla automată cu absorbție de energie,

O pereche de blocuri absorbante de energie (crash module) cu posibilități de interblocare,

Structură superioară de ranforsare pentru protecția acoperișului cabinei mecanicului contra

coliziunii,

O pereche de bare verticale (A-pillar) și un perete frontal rigid al cabinei (crash wall) pentru

protejarea mecanicului în caz de coliziune frontal,

O pereche de elemente absorbante de energie (crash boxes) amplasate între peretele absorbant

de energie (crash wall) și șasiu.

Practica Bombardier: Locomotiva TRAXX F140 AC2 realizată de firma Bombardier, este

parte componentă a familiei TRAXX, fiind o locomotivă pentru transport pasageri care poate atinge o

viteză de 160 km/h. Ea a fost realizată în regim de rezistență la coliziuni, conform normativului

EN15227/2011. Conceptul de rezistență la coliziuni a fost implementat prin integrarea in structura de

preluare a șocului de coliziune a unui sistem de absorbție a energiei constând din tampoane EST

Duplex G1.A1 și o zonă deformabilă plastic, plasată în partea frontală a cabinei mecanicului.

Absorbția energiei de coliziune se face în trei trepte distincte: în prima etapă acționează

elementele reversibile ale tampoanelor EST Duplex G1.A, asigurând preluarea unei cantități de energie

de până la 30...60 kJ pe element. În acest sadiu se asigură preluarea solicitărilor care se realizează în

regimul current de utilizare, la tamponări cu o viteză de maximul 12km/h. În acest stadiu nu este

necesară repararea, ci doar inspecții periodice. În etapa a II-a, cu ajutorul elementelor de deformare

plastică ale tampoanelor EST Duplex G1.A1 se poate absorbi o cantitate de energie de până la 1,7 MJ

pe tampon, la ambele capete de vehicule. În etapa a III-a, se poate absorbi o cantitate de energie de

până la 3 MJ prin acționarea structurilor deformabile controlat, amplasate în partea din față a cabinei

mecanicului și a șasiului.

Structurile deformabile includ următoarele elemente:

- Plug de obstacole, care are o construcție masivă fiind capabil să suporte forțe de 300 kN și

este conceput pentru a se deforma într-o manieră controlabilă,

- Dispozitiv anti-cățărare care satisface o forță minimă de 150 kN la fiecare cap al locomotive.

- Un sistem de traverse metalice în fața cabinei mecanicului care oferă rezistență la o forță static

de minim 700kN

- Un sistem traverse metalice deasupra ramei ferestrei care rezistă la o forță statică minimă de

300 kN

- Un perete frontal antipenetrare, peste întreaga fereastră a cabinei mecanicului, care are

menirea de a proteja mecanicul contra pătrunderii obiectelor / corpurilor exterioare.

- O placă protectoare la peretele din spatele cabinei, care se întinde în spatele spațiului de

refugiu al mecanicului și servește pentru prevenirea pătrunderii de obiecte străine în situația

coliziunilor frontale.

Practica Acela (Statele Unite): Trenul ACELA a fost proiectat de Bombardier și operează în

Statele Unite. Vagonul motor este prevăzut cu o cuplă automată cu absorbitor integrat de energie la

care se cunoaște că poate să disipe o energie de până la 1 MJ. De asemenea vagonul motor include o

zonă deformabilă pentru disiparea unei energii de coliziune de 4MJ la o lungime de deformare de 1m.

În acest fel vagonul motor al trenului ACELA poate disipa o cantitate totală de energie de 5MJ.

Vagoanele tractate de asemenea include cuple automate care pot să disipe o energie de până la 1 MJ.

Practica TGV (Franţa): Trenul de mare viteză TGV Duplex, este un tren de pasageri cu

vagoane etajate. Trenul constă din câte un vagon motor la fiecare capăt, cuplat de vagonul adiacent cu

o bară de tracțiune și sistem de tampoane. Elementele de preluare a impactului sunt localizate la partea

frontală a vagoanelor motor. Există trei zone distincte pentru disiparea controlată a energiei: una la

partea frontal a vagoanelor motor, una la partea spate a vagoanelor motor, catre vagonul purtător şi -

una la partea dinspre vagonul motor a primului vagon purtător.

Partea frontală a fiecărui vagon motor cuprinde o structură rigidă, protectoare pentru cabina

mecanicului, în fața căreia există trei tuburi absorbante de energie din oțel, dintre care două sunt la un

unghi dat față de axa longitudinală. Aceste tuburi continuă partea terminală a șasiului. Un bloc de

aluminiu de tip figure este localizat chiar deasupra părții terminale a șasiului.

Din documentația avută la dispoziție rezultă o capacitate de absorbție de energie de cca. 2.7MJ

la o lungime de deformare de cca. 1m pentru fiecare parte frontală a vagonului motor.

I.2.7. Stadiul actual al metodelor de analiză și evaluare a rezistenței la impact a

vehiculelor feroviare

Având în vedere particularitățile fenomenelor de coliziune, masele și vitezele mari implicate

putând avea ca rezultat deformații mari, duse în zona deformațiilor plastice, normativul EN

15227+A1/2011 recomandă utilizarea unor metode analitice bazate pe programe care să aibă

capabilități de lucru în zona deformațiilor plastic mari și tranzitorii. Ca regulă generală, un model

teoretic trebuie calibrat și validat prin date obținute prin încercări pe structura reală.

În general, pentru calibrarea unui model analitic utilizat pentru analize la solicitări statice

complexe, sunt suficiente încercări statice, care oricum trebuiesc să fie efectuate ca efect al

recomandărilor standardului EN 12663-1 - Railway applications - Structural requirements of railway

vehicle bodies - Part 1: Locomotives and passenger rolling stock

Probleme mai complicate apar atunci când modelul analitic se dorește a fi utilizat pentru analize

dinamice, cum este cazul analizei la coliziuni. Dinamica unei structuri mecanice, în special în situații

de solicitări tranzitorii, implică cunoașterea unor caracteristici dinamice precum, frecvențe proprii,

factori de amortizare, forme modale, care nu pot fi determinate prin încercări statice. Carcateristicile

structurale legate de dinamica vehiculului se determină prin încercări specifice precum analize

vibratorii, analiză modală, răspuns la solicitări la impact, răspuns la solicitări treaptă, etc.

Caracteristicile statice alături de caracteristicile dinamice, determinate prin încercări pe vehicule

feroviare, sau pe structuri componente ale acestora, constituie date experimentale de intrare necesare

pentru calibrarea și validarea unui model analitic complex care astfel devine capabil a fi utilizat pentru

evaluarea și certificarea rezistenței la coliziuni în conformitate cu cele mai înalte standarde în domeniu,

precum standardul European EN 15227+A1/2011 sau reglementarea Nord Americană ‘Technical

Criteria and Procedures for Evaluating the Crashworthiness and Occupant Protection Performance of

Alternatively-Designed Passenger Rail Equipment for Use in Tier I Service’.

Prin normativele actuale privind siguranța în transportul feroviar, s-a adoptat soluția asigurării

măsurilor de siguranță pasivă ca ultimă soluție atunci când toate măsurile de siguranță activă au fost

epuizate. Conform acestei abordări, atunci când coliziunea nu mai poate fi evitată, vehiculul feroviar ar

trebui să se deformeze într-un mod controlat, în așa fel încât deformare structurală să progreseze de la

capăt către interior, fără a afecta regiunile unde sunt localizați pasagerii și personalul operativ.

Conform normativului EN 15227+A1/2011 certificarea rezistenței la coliziuni se face prin

simularea numerică a tuturor scenariilor de impact, pe model analitic calibrat prin date experimentale.

Pentru fiecare scenariu de impact se evaluează:

- Energia disipată pe elementele de disipare: cuplă/tampoane, absorbitorii de șoc, etc.;

- Starea deformată, la finalul coliziunii, a elementelor de disipare a energiei;

- Integritatea spațiului de supraviețuire din jurul scaunului mecanicului;

- Distribuția accelerației de coliziune în cabina mecanicului, și compartimentele pasagerilor.

I.2.8. Stadiul actual al SC SOFTRONIC Craiova în domeniul realizării de vehicule

feroviar

Trenul Electric Regional SB-EMU se află în faza de execuție prototip și va fi o unitate electrică

multiplă de transport persoane formata din 4 vagoane interconectate, două motor, de capăt, și două

purtăror, la mijloc. Pe parcursul realizării, pe componente, și la final de execuție, pe prototip, Trenul

Electric Regional SB-EMU va fi supus unor complexe încercari pentru determinarea performanțelor

funcționale și va trebui să corespundă tuturor normativelor europene din punct de vedere al dinamicii,

al calitații mersului și al siguranței în transportul pe calea ferată.

Fiind un proiect de concepție nouă, Trenul Electric Regional SB-EMU, a fost conceput pentru a

satisface cerințele privind rezistența la coliziuni, în conformitate cu normativul EN 15227+A1/2011.

Aceste cerințe vor trebui certificate, pe durata derulării proiectului, prin încercări și analiză.

Locomotive electrice: în momentul de față, SC SOFTRONIC Craiova, are în portofoliul de

fabricație două tipuri de locomotive electrice: Phoenix, locomotivă electrică de 5100 kW, și

TransMontana, locomotiva electrică de 6000 kW. Actualmente locomotivele electrice fabricate la SC

Softronic Craiova nu au certificare privind rezistența la coliziuni.

I.2.9. Strategia de derulare a proiectului în domeniul analizei rezistenței la coliziuni a

vehiculelor feroviare realizate de SC Softronic Craiova

Strategia de derulare a proiectului în domeniul analizei rezistenței la coliziuni a SB-EMU

Cerințele privind analiza rezistenței la coliziuni vor trebui să fie demonstrate prin metode

combinate de încercări și analiză teoretică. Pe durata derulării proiectului se va efectua modelarea

analitică a structurii SB EMU utilizând programul de analiză cu elemente finite ce va fi achizitionat

prin proiect. Se vor efectua încercări pentru determinarea performanțelor funcționale ale componentelor

majore ale SB EMU și se va efectua calibrarea modelului analitic prin compararea răspunsurilor

parțiale ale modelelor analitice și componentele încercate. La final, pe modelul analitic de Trenul

Electric Regional SB-EMU, calibrat prin date experimentale, se vor simula situațiile de impact

prevăzute în EN 15227+A1/2011.

Pentru modelarea dinamicii trenului la scenariile de coliziune se va utiliza un model de vehicul

feroviar în care doar primul vagon motor și primul vagon purtător sunt elemente deformabile, celelalte

două fiind considerate ca elemente rigide cu masa egală cu masa corespunzătoare vagoanelor, deci se

va utilize un model analitic hibrid. Pe modelul analitic vor fi simulate următoarele scenarii: Coliziune

cu tren identic aflat în staționar, coliziune cu vagon feroviar de 80 000kg, coliziune cu obstacol mare

deformabil de 15 000kg

Pentru fiecare scenariu se vor evalua: energia disipată pe elementele de disipare: cuplă,

absorbitorii de șoc; starea deformată, la finalul coliziunii, a elementelor de disipare a energiei;

integritatea spațiului de supraviețuire din jurul scaunului mecanicului; distribuția accelerației de

coliziune în cabina mecanicului, și compartimentele pasagerilor.

Strategia de derulare a proiectului în domeniul analizei rezistenței la coliziuni a locomotivelor

electrice de 5100kW și 6000kW

În stadiul actual ambele locomotive electrice de 5100kW și de 6000kV sunt realizate în

configurația clasică, cu șasiu rigid, singurele elemente de preluare a șocurilor fiind o pereche clasică de

tampoane EST-G1-200 și plugul de obstacole. În vederea aliniarii locomotivelor electrice de 5100kW

și de 6000kV la cerințele standardului european EN15227+A1/2011, se au în vedere următoarele

măsuri:

- Adoptarea unui sistem de tampoane EST Duplex G1.A1,

- Optimizarea structurală a plugului de obstacole,

- Adoptarea unor măsuri constructive la partea frontală a carcasei care să conducă la creșterea

capacității de absorbție a energiei și la protecția mecanicului.

- Abordarea, în cadrul proiectului a unor cercetări aplicative pentru realizarea unui dispozitiv de

amortizare cu lichide magnetoreologice și integrarea acestuia în structura de absorbție a energiei.

Activitatea I.3. Elaborare documentaţie de achiziţie a echipamentelor pentru sistemul de măsură

şi analiză pentru determinarea performanţelor dinamice şi analiza calităţii mersului

Pentru realizarea obiectivelor proiectului, în cadrul prezentei faze a fost realizată documentația pentru achiziția următoarelor echipamente, software și materiale:

- Amplificator multi-canal pentru masuratori efectuate cu ajutorul calculatorului.

- Amplificator dinamic in punte DQ430

- Marci tensometrice.

- Marci tensometrice cu fire de conectare: Se bazeaza pe seria Y de marci tensometrice..

- Inregistrador cu 4 canale la care se poate atasa senzori de vibratii sau zgomot.

- Analizor de vibratii, colector de date si instrument de echilibrare intr-un singur aparat.

- Sistem de achizitie de date si evaluare uEEP-12.

- Analizor de vibratii portabil cu analiza FFT VA – 12.

- Aparat pentru masurarea nivelului de zgomot si analiza in timp real in 1/3 octava-.NA28

- Placa de achizitie externa cu port USB: USB 4761 cu 8 canale

- Traductoare de deplasare liniara tip LVDT.

- Traductoare de deplasare liniara rezistive:

- Traductoare de forta (celule de forta).

- Senzori de rotatie fara contact.

- Senzori de rotatie rezistivi: .

- Inregistrator electronic fara hartie dotat cu un afisaj LCD color de 6,1" si maxim 18 canale

analogice.

- Traductoare de vibratie (accelerometre) Hansford: cu semnal in curent alternativ

- Sensori de turatie.

- Celule de forță.

- Pachet software de analiză cu elemente finite.

- Laptop.

Activitatea I.4. Elaborare documentatie de achiziţie a echipamentelor şi software pentru

sistemul de evaluare a rezistentei structurale şi a raspunsului la impact al vehiculelor de

tractiune feroviară

Pentru realizarea obiectivelor proiectului, în cadrul prezentei faze a fost realizată documentația pentru achiziția următoarelor echipamente, software și materiale:

- Pachet software de analiză cu elemente finite.

- Instalatie pentru încercarea la vibratii si analiza structurala.

- Echipament pentru controlul vibratiilor si analiza structurala.

- Materiale electrice pentru incercarea la vibratii si analiza structurala experimentala.

- Stație grafică.

- Laptop.

Bibliografie selectivă

C116/RP 8F – „Methodes d’appreciation du confort d’un vehicule”, Utrecht, 1977

UIC 528 - „Organes de tamponnement des voitures”, 1991

Sebeşan, I. – „The study of the wheel diameter influence over the loading capacity of a railway

vehicle”, Conferinţa Academiei de Transport, Harkov, Ucraina, 2009

Sebeşan, I., Mazilu, T.- „Vibraţiile vehiculelor feroviare”, Ed. MatrixRom, 2010

Sebeşan, I, Dumitriu, M., Tudorache, C., - „Considerations to the study of the elastic constants for

suspension used on high speed steering bogies”, 19th International Scientific Conference Transport

2009, Sofia, Bulgaria, in Academic Journal – Mechanics Transport Communication, issue 3, 2009

ISSN 1312-3823, pp. VI. 30-34

Sebeşan, I. - „Bogies with radial steering axles running in curves”, in Academic Journal –

Mechanics Transport Communication, issue 2, 2008 ISSN 1312-3823

Moreau, A., Courtin, J. „Methodes d’appreciation du confort vibratoire”, Revue Generale des

Chemins de Fer, oct, 1981

Muller, S. – „Linearized Wheel-rail Dynamics – Stabilty and Corrugation”, Fortschritt Berrichte

VDI, Dusseldorf, 1998

Scheffel, H. – „Die Konstruktion der Kreuzanker – Drehgestelle der Sudafrikanischen Einbahnen”,

Glasers Analen, H 6/7, 1986

Nielson, J.B. – „New development in the theory of wheel/rail contact mechanics”, Thesis Lyngby

IMM PHD, 1988

Borgeaud, G. – „Die Fuhrung des Fahrzeuges in Geleises und die Vorgange zwischen Rad und

Schiene”, SLM Technische Mitteilungen, iulie 1970

Fujioka, M., Tmasakuzu, I. – „Design strategy for wheel and rail profiles in order to decrease the

wear of wheels and rails”, Proceedings of 9th IAVSD Symposium Linkoping University, Sweden, June

2428, 1985

Sebeşan, I., Craciun, C. – „Aspects regarding braking flat wagons with small wheels”, VII

International Scientific Conference Transport, Sofia, Bulgaria, Academic Journal – Mechanics

Transport Communication, issue 3, 2007 ISSN 1312-3823, pp. VI. 42-48

Zobory, I., Reimerdes, H.G., Bekefi, E., Marsolek, J., Nemeth, I. – „Longitudinal dynamics of train

collisions” – Crash Analysis, Proceedings of the 7th

Mini Conference on Vehicle System Dynamics,

Identification and Anomalies, Budapest, 2000, pp. 89-110

Cruceanu, C. – „Braking Systems for Railway Vehicles”, Reliability and Safety in Railway, Dr.

Xavier Perpinya (Ed.), ISBN: 978-953-51-0451-3, InTech

Cruceanu, C., Oprea, R., Spiroiu, M., Craciun, C., Arsene, S. – „About the Influence of Mass

Distribution on the Dynamic Longitudinal Reactions along a Short Passenger Train during Braking

Actions”, Recent Researches in Mechanics, Transportation and Culture, The 6th WSEAS Int. Conf. on

APPLIED and THEORETICAL MECHANICS, Vougliameni, Athens, Greece, Dec. 28-30, 2010,

ISSN 1792-5460, 1792-7293, 1792-7358, WSEAS Press, pp 129-134