Залізнична галузь є однією з основних галузей української економіки, що наповнюють національний бюджет. Стратегічна мета подальшого розвитку цієї галузі – оновити рухомий склад залізниць та інфраструктуру, щоб задовольнити потреби економіки України. Науковці Інституту технічної механіки Національної академії наук України і Державного космічного агентства України (ІТМ) з перших років існування цієї установи, тобто вже понад пів століття, вивчають процеси, які відбуваються у системі «поїзд – залізнична колія» загалом, а також в окремих підсистемах цієї системи. Нині цим напрямом опікується відділ статистичної динаміки і динаміки багатовимірних механічних систем ІТМ. Його фахівці мають великий досвід розроблення науково обґрунтованих рішень у галузі динаміки складних об’єктів. У відділі, серед іншого, створили ефективні методики дослідження стаціонарних і нестаціонарних випадкових коливань складних механічних систем і розробили математичні моделі та методи розв’язання задач статистичної динаміки транспортних засобів і вантажів, що перевозяться, безпеки руху поїздів. Використання цих методик допомогло вченим одержати чимало важливих теоретичних і практичних результатів. Враховуючи сучасні світові тенденції розвитку залізничних перевезень та орієнтуючись на євроінтеграцію України і європейські стандарти, науковці відділу останнім часом виконували дослідження для оновлення парку рухомого складу. Розвиток спільного європейського ринку транспортних послуг потребує технічних рішень, які посприяють експлуатаційній сумісності залізниць України та Європейського Союзу. Насамперед це стосується основних елементів транспортної системи – рухомого складу і колії.
 Ілюстрація: RailTarget.eu |
По-перше, потрібно створити умови для спільної експлуатації рухомого складу на українських і європейських залізничних коліях. Долати кордони між Україною та Європейським Союзом залізницею проблематично – через відмінність параметрів колій. Колії на пострадянському просторі й у країнах Європи суттєво різняться – не лише шириною (відповідно 1520 мм і 1435 мм), про що відомо багатьом, а й профілем головок рейок і нахилом рейок до горизонту (1/20 і 1/40). Перехід на колію іншого стандарту завжди супроводжували чималі труднощі – пересаджування пасажирів чи перевантаження вантажів до інших вагонів, замінення вагонних візків. Це потребує часу і незручно для пасажирів і перевізників. Тому нині найефективнішим способом подолання кордонів між країнами з різними залізничними стандартами вважають застосування розсувних колісних пар – системи, здатної, залежно від ширини колії змінюватися на спеціальних перекладних колійних пристроях, не зупиняючи руху поїзда. Відстань між колесами на таких пристроях змінюється лише за кілька хвилин для всього поїзда. Водночас, належною має бути сумісність пари «колесо–рейка» з огляду на профілі головок рейок Р65 (Україна) і UIC60 (Європа) та їхній нахил до горизонту. Над розв’язанням саме цієї проблеми й зосередилися науковці ІТМ.
Поліпшити експлуатаційну сумісність українських і європейських залізничних транспортних мереж можна за допомогою коліс із новим профілем обода, які б забезпечували найкращі показники динамічних якостей вагонів і умов їхньої взаємодії з рейками залізниць обох стандартів.
На основі чисельних розрахунків із застосуванням власного математичного забезпечення в ІТМ створили новий зносостійкий профіль обода коліс пасажирського вагона – ІТМ-73EP. Компромісний варіант учені обрали за двома критеріями: необхідний запас стійкості руху вагона на прямолінійних ділянках колій (за швидкостей до 160 км/год) і поліпшені показники взаємодії з коліями на криволінійних ділянках українських і європейських залізниць (щоб мінімізувати зношування).
Як передбачають науковці, використання коліс із профілем ІТМ-73EP у колісних парах пасажирських вагонів пришвидшить перехід поїздів на колію з іншими параметрами, гарантує високі показники динамічних якостей екіпажів і поліпшить їхню взаємодію з рейками під час спільної експлуатації на українських і європейських залізницях.
В ІТМ також розробляють форму профілю обода коліс для розсувних колісних пар вантажних вагонів і створюють універсальний профіль коліс пасажирського та вантажного рухомого складу. Впровадження цих профілів не лише відповідатиме нормативним вимогам до показників динаміки, взаємодії з колією та рівня безпеки руху поїздів на українських і європейських залізницях, а й суттєво пришвидшить довезення вантажів і пасажирів до пункту призначення.
 Фото: «Укрзалізниця» |
Крім того, в ІТМ дослідили нові конструкції вагонів – вагони зчленованої конструкції для пасажирського поїзда та вагони зі змінними кузовами для вантажних перевезень. Прогнозується, що завдяки використанню таких вагонів вдасться досягти значного економічного ефекту і підвищити швидкості й безпечність руху поїздів.
У зчленованому пасажирському поїзді суміжні вагони спираються на розташовані між ними спільні візки. Це зменшує кількість візків, а отже, суттєво здешевлює вартість вагонів. Зчленованість вагонів робить поїзд цілісним і усуває поздовжні зусилля стиснення й розтягування в його складі. Тому рух стає значно плавнішим, а пасажири почуваються комфортніше. Крім того, навіть якщо один із вагонів зійде з рейок (що, втім, малоймовірно), поїзд не роз’єднається, а це гарантує додаткову безпеку. Здійснивши розрахунки, в Інституті напрацювали рекомендації, як обирати раціональні параметри системи ресорного підвішування ходових частин і шарнірного вузла для спирання зчленованого вагона. Оцінивши прогнозні динамічні характеристики зчленованого пасажирського поїзда, сформованого з вагонів із обраними параметрами вузлів, науковці дійшли висновку про безпечність його руху в усьому діапазоні дозволених швидкостей як у штатних режимах, так і під час аварійних зіткнень.
Ефективних технологій Україна потребує не лише у пасажирських, а й у вантажних перевезеннях. Одна з таких технологій – використання вагонів зі змінними кузовами. Щоб створити вантажні вагони зі змінними кузовами, раму потрібно відокремити від кузова вагона та приєднати до екіпажної частини. До кузовної ж частини вагона належатиме тільки кузов. Екіпажною частиною такого вагона є спеціальна платформа, а змінні кузови з’єднують з нею за допомогою спеціальних роз’ємних кріплень.
 Вагон зі змінним кузовом – новий вид вантажного рухомого складу залізниць |
Під час сезонного змінення вантажів порожній кузов одного призначення можна відокремлювати від екіпажної частини вагона й замінювати порожнім кузовом іншого призначення. У підсумку виходить новий спеціалізований вантажний вагон. Перевезення вантажів у вагонах зі змінними кузовами здешевить придбання й утримання рухомого складу, адже найвартіснішу частину вагона – платформу – експлуатуватимуть ефективно. До того ж, вагони не стоятимуть марно через сезонні змінення видів вантажів, а пошкоджені кузови можна буде швидко замінити.
Зваживши на різні схеми з’єднань кузова з рамою екіпажної частини вагона, наявність і відсутність зазорів у цих з’єднаннях, науковці ІТМ розробили математичні моделі просторових коливань вантажного вагона зі змінними кузовами за експлуатаційних режимів руху та скінченноелементні моделі для дослідження міцності його елементів під час нормативних навантажень. Виконавши комплекс досліджень за допомогою цих моделей, учені визначили раціональну схему беззазорних з’єднань кузова з рамою екіпажної частини вагона, підготували пропозиції щодо перспективної української конструкції вантажного вагона зі змінними кузовами, а також рекомендації щодо елементів кріплення, які убезпечують перевезення вантажів.
 Фото: PrzemoN / Shutterstock.com |
Нарешті, ще одним напрямом розвитку залізничного транспорту України, до якого доклалися науковці ІТМ, є створення сучасного швидкісного пасажирського рухомого складу з системами пасивної безпеки (СПБ) під час аварійних зіткнень. Фахівці Інституту зважили на те, що у нових конструкціях пасажирських локомотивів, головних і проміжних вагонів мають бути не тільки ефективні засоби активного захисту для запобігання зіткненням, а й системи пасивної безпеки – для захисту під час аварійних зіткнень поїздів із перешкодами. Завдяки контрольованому деформуванню пристроїв поглинання енергії, які входять до складу СПБ, знижуються поздовжні зусилля у міжвагонних з’єднаннях і прискорення вагонів. Ці системи роблять пасажирські перевезення безпечнішими, зменшують ризик травмування й загибелі пасажирів і бригади поїзда, а також пошкодження рухомого складу, та й загалом мінімізують наслідки аварії.
 Лобове зіткнення поїздів, один з яких (червоний) має систему пасивної безпеки, у Польщі |
Для пасажирського локомотива, головного вагона й міжвагонних з’єднань науковці ІТМ розробили пристрої поглинання енергії, що містять стільникові елементи, і наукову методику обрання параметрів цих пристроїв. Крім того, розроблено скінченноелементні моделі для дослідження пластичного деформування конструкцій під час удару, математичні моделі для дослідження динамічної навантаженості поїздів під час аварійних зіткнень, схеми встановлення пристроїв поглинання енергії. У своїх роботах учені врахували вимоги стандарту ДСТУ EN 15227 з пасивної безпеки (це впроваджений в Україні європейський стандарт). Прототип розробленого пристрою для локомотива випробувано у краш-тесті на випробувальному полігоні міста Ґьорліц (Німеччина).
 Краш-тест прототипу пристрою поглинання енергії для локомотива |
Здійснивши математичне моделювання динаміки еталонних поїздів під час аварійних зіткнень, науковці Інституту довели, що запропоновані пристрої захищають пасажирів і бригаду поїзда під час аварійних зіткнень. А також розробили рекомендації з пасивного захисту локомотива, головного вагона та проміжних вагонів пасажирських поїздів згідно з вимогами стандарту ДСТУ EN 15227.
 Фото: Укрзалізниця – Ukrzaliznytsia / facebook.com |
Загалом здобуті результати теоретичних і експериментальних досліджень щодо оновлення парку рухомого складу й розвитку залізничних перевезень з орієнтацією на євроінтеграцію та європейські стандарти сприятимуть створенню сучасного українського залізничного комплексу і його інтеграції в європейські транспортні мережі.
За інформацією Інституту технічної механіки НАН України і ДКА України