Дослідження особливостей та перевірка можливості застосування гвинтової стяжки європейського зразка в реальних умовах та навантаженнях при експлуатації на залізницях України

Abstract

Магістерська робота присвячена дослідженню можливості масовоговикористання гвинтової зчіпки (зтяжки) на вагонах колії 1520 мм. Забезпечення надійності та безпеки роботи зчіпних пристроїв є одним з основних чинників ефективності та безпечності залізничного транспорту. Зчіпні системи визначають механічну взаємодію рухомого складу, впливають на поздовжню динаміку поїзда, величину ударних навантажень, плавність ходу та загальний рівень безпеки експлуатації. В умовах поступової інтеграції української залізничної галузі до європейського транспортного простору зростає актуальність дослідження можливості застосування гвинтової стяжки європейського зразка — стандартного зчіпного пристрою на залізницях країн ЄС, який відповідає вимогам EN 15566, EN 15551, EN 16019, TSI LOC&PAS та TSI WAG. На сьогодні залізниці України здебільшого використовують автозчеп СА-3, який характеризується високою міцністю і широко застосовується у вантажному русі. Проте для пасажирського рухомого складу, що курсує в міжнародному сполученні, а також для забезпечення інтероперабельності з залізницями колії 1435 мм виникає потреба у вивченні технічних, нормативних і практичних аспектів впровадження гвинтової стяжки. Об’єктом дослідження є зчіпні пристрої залізничного рухомого складу, зокрема гвинтові стяжки європейського стандарту та їх взаємодія з конструкцією вагонів в умовах експлуатації на залізницях України. Предмет дослідження становлять особливості роботи, конструкційні параметри, силові та експлуатаційні характеристики гвинтової зтяжки, а також умови її застосування та адаптації відповідно до вимог нормативних документів ЄС і України. Метою роботи є комплексне дослідження особливостей роботи гвинтової зтяжки, оцінка її міцності та експлуатаційної придатності в українських умовах, а також розроблення технічних та організаційних рекомендацій щодо її впровадження. Для досягнення поставленої мети у роботі розглянуто чотири змістовні розділи. У розділі 1 виконано аналіз науково-дослідних робіт, нормативних документів та технічних стандартів, що регламентують конструкцію, функції та експлуатаційні параметри зчіпних пристроїв. Розглянуто європейський та світовий досвід застосування гвинтових стяжок, а також методи оцінювання поздовжньої динаміки поїздів і поведінки зчіпних систем під дією експлуатаційних навантажень. У розділі 2 систематизовано вимоги нормативних документів Європейського Союзу (TSI LOC&PAS, TSI WAG) та стандартів EN 15566, EN 15551, EN 16019 до конструкції, міцності, енергопоглинання та геометрії зчіпних пристроїв. Визначено ключові параметри, які мають бути забезпечені для гарантованої інтероперабельності рухомого складу. У розділі 3 проведено розрахунково-аналітичне дослідження гвинтової стяжки європейського зразка відповідно до EN 15566. Розраховано напружено-деформований стан гвинта, визначено запас міцності, порівняно отримані значення з нормативними обмеженнями та оцінено можливість її застосування на мережі українських залізниць з урахуванням реальних експлуатаційних навантажень. У розділі 4 сформовано практичні рекомендації щодо адаптації гвинтових стяжок для використання в Україні. Визначено організаційні та технічні заходи, необхідні для гармонізації нормативної бази, модернізації ремонтної інфраструктури, розроблення методик випробувань, а також для поетапного впровадження гвинтових стяжок на поїздах міжнародного та внутрішнього сполучення. Структура магістерської роботи забезпечує логічний перехід від аналізу нормативної та наукової бази до технічного обґрунтування можливості застосування гвинтової стяжки в умовах Укрзалізниці та формування комплексних рекомендацій. Отримані результати можуть бути використані при модернізації рухомого складу, підготовці технічних стандартів, проєктуванні нових транспортних рішень та розвитку міжнародних залізничних коридорів України.The Master’s thesis is devoted to the assessment of the feasibility of large-scale implementation of the European-type screw coupling on 1520 mm-gauge railway vehicles. Ensuring the reliability and operational safety of coupling devices is one of the key factors determining the effectiveness and safety of railway transport. Coupling systems define the mechanical interaction between vehicles, influence the longitudinal train dynamics, the magnitude of impact forces, ride smoothness, and the overall safety of rolling-stock operation. In the context of Ukraine’s gradual integration into the European railway transport space, the question of applying the European-standard screw coupling—widely used on EU railways and compliant with EN 15566, EN 15551, EN 16019, TSI LOC&PAS and TSI WAG—has become increasingly relevant. Ukrainian railways traditionally employ the SA-3 automatic coupler, which is characterized by high strength and is well adapted to intensive freight service. However, for passenger rolling stock operating on international routes, as well as for achieving interoperability with the 1435 mm European railway networks, it is necessary to investigate the technical, regulatory, and practical aspects of implementing the screw coupling. The object of the research is railway rolling-stock coupling devices, in particular screw couplings of the European standard and their interaction with carbody structures under operating conditions on Ukrainian railways. The subject of the research includes the operational features, structural parameters, force characteristics, and performance indicators of the European-type screw coupling, as well as the conditions of its application and adaptation to EU and Ukrainian regulatory requirements. The purpose of the study is to provide a comprehensive analysis of the operational behaviour of the screw coupling, evaluate its strength and suitability for use under real operating loads on Ukrainian railways, and develop technical and organisational recommendations for its implementation. To achieve this goal, the thesis consists of four thematic chapters. Chapter 1 presents an analysis of scientific studies, regulatory documents, and engineering standards governing the design and functional behaviour of railway coupling devices. The chapter summarizes European and international experience in the application of screw couplings and discusses approaches to evaluating longitudinal train dynamics and coupling-system behaviour under operational loads. Chapter 2 systematizes the requirements of European Union regulations (TSI LOC&PAS, TSI WAG) and standards EN 15566, EN 15551 and EN 16019 regarding the design, strength, energy-absorption capability, and geometric parameters of coupling devices. Key performance indicators ensuring the interoperability of rolling stock with EU networks are identified. Chapter 3 provides a calculation-analytical assessment of the European-type screw coupling according to EN 15566. The stress-strain state of the screw pin is evaluated, the safety margin is determined, the obtained values are compared with normative limits, and the feasibility of applying the screw coupling under operating conditions of Ukrainian railways is analysed, taking into account actual load regimes and dynamic effects. Chapter 4 formulates practical recommendations for adapting the screw coupling for use in Ukraine. Organisational and technical measures required for harmonising national regulations with EN standards are proposed, including the modernisation of maintenance infrastructure, development of testing procedures, personnel training, and step-by-step implementation for international and domestic passenger services. The structure of the Master’s thesis ensures a logical transition from the analysis of scientific and regulatory backgrounds to the technical justification of the applicability of the screw coupling under Ukrainian railway conditions, followed by comprehensive implementation guidelines. The research findings can be applied in the modernisation of rolling stock, development of technical standards, design of new transport solutions, and enhancement of Ukraine’s international railway corridors.