出口突尼斯內(nèi)燃動(dòng)車組被動(dòng)性安全設(shè)計(jì)

徐鳳妹

（中國南車集團(tuán) 南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司 客車設(shè)計(jì)部，江蘇南京210031）

運(yùn)行的列車尤其是高速運(yùn)行的列車一旦發(fā)生碰撞事故，在碰撞瞬間列車所攜帶的巨大動(dòng)能將在瞬間以其他形式的能量耗散，將會(huì)造成巨大的財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡。列車碰撞的安全問題在現(xiàn)代車輛設(shè)計(jì)中日趨重要，它已經(jīng)成為當(dāng)今軌道車輛設(shè)計(jì)領(lǐng)域研究的一個(gè)熱點(diǎn)。國外一些國家，對車輛的耐碰撞性研究起步早，己經(jīng)取得了一定的成功經(jīng)驗(yàn)，并在一些高速列車、機(jī)車車輛、城市軌道車輛上得到了廣泛的應(yīng)用，少數(shù)國家進(jìn)行過實(shí)際列車撞車試驗(yàn)［2］。而我國隨著軌道車輛技術(shù)的引進(jìn)，在城軌車輛上已經(jīng)開始了車輛的被動(dòng)性安全設(shè)計(jì)，而鐵路客車領(lǐng)域更多的只是停留在引進(jìn)或研究階段，很少有車輛考慮車體的被動(dòng)性安全設(shè)計(jì)。

中國南車集團(tuán)南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司2010年承接了突尼斯國家鐵路的動(dòng)車項(xiàng)目，該項(xiàng)目《特別技術(shù)規(guī)范》要求對車體進(jìn)行被動(dòng)性安全（耐碰撞）設(shè)計(jì)。

列車發(fā)生碰撞時(shí)的安全防護(hù)技術(shù)可分為主動(dòng)防護(hù)技術(shù)和被動(dòng)防護(hù)技術(shù)兩類［3］。車體的被動(dòng)性安全設(shè)計(jì)屬被動(dòng)防護(hù)技術(shù)。當(dāng)列車發(fā)生碰撞事故時(shí)，通過設(shè)置在列車上的專用吸能裝置或頭車車體吸能結(jié)構(gòu)的變形等，來耗散巨大的撞擊動(dòng)能，從而最大限度地保護(hù)司乘人員和旅客生命安全及軌道車輛主體結(jié)構(gòu)的完好［2］。

突尼斯內(nèi)燃動(dòng)車組（以下簡稱動(dòng)車組）由于司機(jī)室后面緊挨著客室，司機(jī)室只有2 200mm長，比較短，頭車車體很難設(shè)置可變形區(qū)域作為吸能結(jié)構(gòu)。動(dòng)車組的整個(gè)車長方向，除了低地板部位的側(cè)門（上方設(shè)置了冷卻裝置）其余都是乘客區(qū)，設(shè)置車體吸能結(jié)構(gòu)也比較困難，因而在列車頭部設(shè)置了防爬吸能裝置。該項(xiàng)目《特別技術(shù)規(guī)范》要求動(dòng)車組的被動(dòng)性安全設(shè)計(jì)按照EN 15227－2008《車輛被動(dòng)性安全設(shè)計(jì)》標(biāo)準(zhǔn)中C－Ⅲ類車輛要求設(shè)計(jì)。

1 車體設(shè)計(jì)

1.1 車體設(shè)計(jì)概況

動(dòng)車組由兩輛動(dòng)車車輛組成一個(gè)單元，車體結(jié)構(gòu)主要分成車頂、底架、側(cè)墻、端墻、司機(jī)室、車鉤等幾大部分，如圖1所示。

1.1.1 防爬吸能裝置

防爬吸能裝置在底架部分，安裝在司機(jī)室前端底部，如圖2所示，防爬吸能裝置主要由吸能元件、連接元件及防爬器等組成。如圖3所示。吸能元件由外圍槽型板和吸能管組成如圖4所示；連接元件由厚板焊接而成，主要用來連接防爬器、吸能元件；防爬器在碰撞過程中主要作用是防止爬車。

圖1 車體結(jié)構(gòu)

圖2 司機(jī)室前端底部

圖3 防爬吸能裝置

圖4 吸能裝置

1.1.2 車鉤

動(dòng)車組的兩端安裝全自動(dòng)車鉤，單元內(nèi)部安裝半永久車鉤。表1是車鉤的性能參數(shù)

表1 車鉤性能參數(shù)

《特別技術(shù)規(guī)范》要求當(dāng)一列空車以不超過5km／h的速度撞擊另一列施加了停放制動(dòng)的空車時(shí)，車鉤緩沖裝置，吸收撞擊能量，車鉤不發(fā)生損壞；當(dāng)一列空車以不大于15km／h的速度撞擊另一列施加了停放制動(dòng)的空車時(shí)，車體不損壞，車鉤的過載保護(hù)不動(dòng)作。當(dāng)速度大于15km／h速度時(shí)，車鉤的過載保護(hù)起作用，車鉤脫落，防爬吸能裝置吸能。

1.2 車體耐碰撞性能仿真計(jì)算工況

根據(jù)EN 15227－2008標(biāo)準(zhǔn)中C－Ⅲ類車輛要求設(shè)計(jì)，碰撞計(jì)算工況如下：

工況1：一列動(dòng)車組以25km／h的速度與另一列靜置的相同動(dòng)車組相撞。

工況2：一列動(dòng)車組以25km／h的速度與配備側(cè)緩沖器的鐵路車輛相撞。該鐵路車輛是質(zhì)量為80t的4軸貨車。

工況3：一列動(dòng)車組以10km／h的速度與一輛129 t的鐵道貨車相撞。

工況4：一列動(dòng)車組以25km／h的速度與靜止的15 t可變形障礙物發(fā)生碰撞。

為了實(shí)現(xiàn)動(dòng)車組的耐碰撞功能，在設(shè)計(jì)中采用多級能量耗散的設(shè)計(jì)方式，實(shí)現(xiàn)了沖擊能量被分級有序地吸收和消耗。

動(dòng)車組正常連掛（沖擊速度不大于5km／h）、正常運(yùn)行過程中產(chǎn)生的沖擊能量，由可復(fù)原的車鉤橡膠緩沖器來吸收。

工況1～4碰撞產(chǎn)生的能量由車鉤吸能原件、防爬吸能裝置來共同吸收。

1.3 車體被動(dòng)安全性能

根據(jù)EN 15227－2008標(biāo)準(zhǔn)的要求，發(fā)生碰撞后，動(dòng)車組車體應(yīng)滿足以下條件：

（1）無論是在車組的兩端還是中間任何一節(jié)，都必須限制爬車現(xiàn)象。允許碰撞車組間產(chǎn)生一個(gè)垂向錯(cuò)動(dòng)，其垂向錯(cuò)動(dòng)位移限制為≤40mm。

（2）沖擊能量全部由可復(fù)原和不可復(fù)原能量吸收元件吸收，不造成車體結(jié)構(gòu)的損壞，客室結(jié)構(gòu)應(yīng)該是安全和穩(wěn)定的，乘務(wù)人員具有足夠的安全空間，弱剛度結(jié)構(gòu)的可變形區(qū)域最大變形量一般不超過100mm，車輛上的設(shè)備不會(huì)脫離約束和產(chǎn)生重大變形。

（3）傳遞到乘客身上的加速度值在允許極限范圍內(nèi)，第1、2、3工況允許的最大加速度值為5g，第4工況允許的最大加速度值為7.5g，車輛的平均減速度的確定方法是碰撞列車上的凈接觸力超過零開始再次下降到零為止的時(shí)間相對應(yīng)。

2 仿真模型

計(jì)算仿真采用ANSYS軟件高級分析技術(shù)，ANSYS／LS－DYNA軟件的算法基礎(chǔ)和使用方法。模型中采 用 的 單 元 類 型 為 shell63、shell64、beanm161、mass166和剛性單元。

由于動(dòng)車組車體兩側(cè)對稱，為簡化計(jì)算模型和運(yùn)算的順利進(jìn)行，在不影響計(jì)算要求和精度的前提下，分析時(shí)取半車進(jìn)行碰撞仿真分析。結(jié)合碰撞仿真計(jì)算的要求及碰撞結(jié)構(gòu)變形的特點(diǎn)，對仿真模型進(jìn)行了結(jié)構(gòu)針對性離散。即司機(jī)室端結(jié)構(gòu)單元采用尺寸較小，車體中部采用單元尺寸較大，從而提高仿真分析可靠性和時(shí)效性。車體有限元模型見圖5。

圖5 車體有限元仿真模型

3 動(dòng)車組車體碰撞仿真計(jì)算結(jié)果分析

3.1 工況1

一列動(dòng)車組與一列靜置的同類動(dòng)車組以25km／h速度碰撞，碰撞過程中端部車鉤首先發(fā)生碰撞，并開始吸收能量，當(dāng)碰撞界面力達(dá)到車鉤剪切銷剪斷力時(shí)（碰撞發(fā)生78ms左右），車鉤開始脫離。這時(shí)防爬吸能裝置開始接觸并開始吸收能量，吸能元件在碰撞發(fā)生300 ms左右時(shí)基本上達(dá)到其有效行程，并吸收最多能量，在碰撞結(jié)束后，司機(jī)室、客室，車端均未出現(xiàn)塑性變形。

碰撞過程中，列車之間連接界面處的垂向錯(cuò)動(dòng)位移都小于標(biāo)準(zhǔn)要求的40mm，車體結(jié)構(gòu)內(nèi)的任何部位的最大變形量都沒有超過100mm。

碰撞過程中，各車輛的加速度曲線如圖6所示，速度曲線如圖7所示。

圖6 兩列動(dòng)車組碰撞過程中的加速度—時(shí)間曲線

圖7 兩列動(dòng)車組碰撞過程中的速度—時(shí)間曲線

由上圖可知，兩列車從發(fā)生碰撞到230ms這個(gè)時(shí)間段內(nèi)兩列車是碰撞接觸，超過230ms后兩列車開始脫離，被動(dòng)車運(yùn)行速度變快而主動(dòng)車運(yùn)行速度變慢。其加速度的變化也是類似的，超過230ms后主動(dòng)車的減速度逐漸減小，被動(dòng)車的加速度也是逐漸減小，最大減速度值為4.28g，最大加速度值為2.69g。

由仿真分析得知，碰撞動(dòng)能由初始1 247.8kJ到碰撞結(jié)束后剩余的動(dòng)能為571.5kJ。碰撞完成后，兩列車共吸收能量為437.4kJ，這些能量主要由車鉤、防爬器吸能裝置、中間車鉤吸收。接觸面的滑移耗散能也相當(dāng)可觀，達(dá)到224.5kJ。模型中的沙漏能14.4kJ，占總能量的1.16%。

3.2 工況2

以25km／h的速度與裝有側(cè)緩沖器的80t鐵路車輛（如圖8所示）碰撞。

碰撞過程中首先發(fā)生碰撞的是防爬吸能裝置，當(dāng)防爬吸能裝置壓縮到一定程度后，車鉤與貨車發(fā)生碰撞，并當(dāng)車鉤界面力達(dá)到車鉤剪切銷剪斷力時(shí)，車鉤開始脫離。這時(shí)防爬吸能裝置繼續(xù)吸收能量，當(dāng)碰撞時(shí)間達(dá)到95ms左右，吸能元件達(dá)到有效行程，這時(shí)防爬器吸能裝置的導(dǎo)向段產(chǎn)生變形吸收能量。在碰撞結(jié)束后，司機(jī)室、客室，車端均未出現(xiàn)塑性變形。

圖8 帶有側(cè)緩沖器的鐵路車輛連接面

動(dòng)車組與鐵路貨車之間的垂向位移，車體結(jié)構(gòu)內(nèi)的任何部位的最大變形量都沒有超過100mm。

動(dòng)車組與80t的鐵路車輛碰撞后，各車輛的速度和加速度曲線如圖9所示，速度和時(shí)間曲線如圖10所示。

圖9 碰撞過程中的加速度—時(shí)間曲線

圖10 碰撞過程中的速度—時(shí)間曲線

由仿真分析得知，碰撞動(dòng)能由初始1 247.8kJ到碰撞結(jié)束后剩余的動(dòng)能為652.02kJ，碰撞完成后動(dòng)車組及貨車共吸收能量為490.6kJ，能量主要由車鉤、吸能防爬器吸收。接觸面的滑移耗散能98.53kJ，模型中的沙漏能6.65kJ，占總能量的0.53%。

3.3 工況3

動(dòng)車組以10km／h的速度與一輛129t的鐵道貨車如圖11所示碰撞。

圖11 鐵道貨車障礙物

碰撞過程中車鉤首先與129t貨車發(fā)生碰撞，并開始吸收能量，當(dāng)碰撞界面力達(dá)到車鉤剪切銷剪斷力時(shí)（碰撞發(fā)生280ms左右），車鉤開始脫離。這時(shí)防爬吸能裝置開始接觸并開始吸收能量，由于碰撞速度低，吸能元件基本沒有產(chǎn)生變形，也沒有吸收能量。在碰撞結(jié)束后，司機(jī)室、客室、車端均未出現(xiàn)塑性變形。

碰撞過程中，車體結(jié)構(gòu)內(nèi)的任何部位的最大變形量都沒有超過100mm，動(dòng)車組最大減速度值為1.78g。

由仿真分析得知，碰撞動(dòng)能由初始192.67kJ到碰撞結(jié)束后剩余的動(dòng)能為45.04kJ，碰撞完成后吸能元件吸收的能量為87.4kJ。這些能量主要由車鉤、吸能防爬器吸收，接觸面的滑移耗散能為55.79kJ，模型中的沙漏能4.44kJ，占總能量的2.3%。

3.4 工況4

動(dòng)車組以25km／h的速度與15t可變形障礙物如圖12所示碰撞。

在動(dòng)車組與15t可變形障礙物的碰撞中，車鉤及防爬吸能裝置基本不起作用，主要產(chǎn)生碰撞部位為司機(jī)室前腰梁。從發(fā)生碰撞到障礙物的脫離基本上都是上腰梁與障礙物的上部產(chǎn)生碰撞接觸。在碰撞結(jié)束后，司機(jī)室、客室、車端均未出現(xiàn)塑性變形。

碰撞過程中，車體結(jié)構(gòu)內(nèi)的任何部位的最大變形量都沒有超過100mm。

動(dòng)車組以25km／h的速度與靜置的15t可變形障礙物發(fā)生碰撞后，速度就開始下降，但下降速率較低，這也說明了減速度變化較小。其減速度值為1.92g。

由仿真分析得知，碰撞動(dòng)能由初始1 185.9kJ到碰撞結(jié)束后剩余的動(dòng)能為667.3kJ，動(dòng)車組及可變形障礙物共吸收能量為98.97kJ。接觸面的滑移耗散能達(dá)到了396.8kJ。模型中的沙漏能22.83kJ，占總能量的1.9%。

圖12 可變形障礙物

4 結(jié)論

一般仿真要求沙漏能占總能量的比例小于5%，以上4個(gè)工況計(jì)算結(jié)果中沙漏能占總能量的比例均小于5%。保證了計(jì)算結(jié)果的可靠性。

（1）在4種碰撞工況下，轉(zhuǎn)向架的輪對與鋼軌始終保持接觸狀態(tài)，碰撞車組間產(chǎn)生的垂向錯(cuò)動(dòng)位移都小于40mm，沒有發(fā)生爬車現(xiàn)象。車體結(jié)構(gòu)內(nèi)的任何部位的最大變形量都沒有超過100mm。

（2）在4種碰撞工況下，司機(jī)室座椅前后左右的安全逃生空間滿足大于750mm的要求，具有足夠的生存空間。

（3）在工況第1、2、3碰撞下，動(dòng)車組沖擊能量全部由可復(fù)原和不可復(fù)原能量吸收元件吸收，車體結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生塑性變形，客室結(jié)構(gòu)是安全和穩(wěn)定的，司乘人員具有足夠的安全空間，車輛上的設(shè)備沒有脫離約束。

（4）在4種碰撞工況下，傳遞到乘客身上的加速度值均在各自允許極限值范圍內(nèi)。

綜合上述結(jié)論，突尼斯內(nèi)燃動(dòng)車組的耐碰撞性能完全能夠滿足EN 15227－2008標(biāo)準(zhǔn)的要求。

［1］EN 15227－2008.車輛被動(dòng)安全設(shè)計(jì)［S］.

［2］王萬靜，田紅旗，等.出口伊朗吸能車體設(shè)計(jì)及撞擊分析［J］.鐵道機(jī)車車輛，2003，23（3）：17－20.

［3］趙洪倫，王文斌，廖彥芳.城市軌道車輛動(dòng)車組耐撞擊設(shè)計(jì)研究［J］.鐵道車輛，2003，41（12）：1－4.