有軌電車與乘用車斜向碰撞的安全性及相容性分析*

任 陽 肖守訥 朱 濤 楊皓杰

(中鐵工程服務有限公司設計研究院，610015，成都//第一作者，碩士研究生)

隨著有軌電車應用日益廣泛，亟待開展其與乘用車碰撞的相關研究。文獻[1]針對美國新澤西州低地板有軌電車給出了耐碰撞性要求。文獻[2]認為有軌電車耐碰撞設計應考慮其他道路參與者的安全。文獻[3]通過試驗手段研究了有軌電車端部吸能結構與乘用車的碰撞。我國軌道車輛碰撞研究起步較晚，主要集中于對鐵路干線列車和地鐵列車的研究。文獻[4-5]對城市軌道交通車輛及其端部吸能裝置進行了大量仿真研究，其結論對有軌電車碰撞安全性研究具有一定的借鑒意義。文獻[6-7]參照EN 15227中的相關場景對有軌電車的碰撞被動安全性能進行了研究。目前，國內針對有軌電車與乘用車的碰撞研究較少。

1 有軌電車與乘用車斜向碰撞場景設計

事故統計[8-9]顯示，有軌電車與乘用車的碰撞事故占有軌電車總事故的比例高達46.00%～64.37%，且多發于有轉向沖突的平交路口。本文選用的算例場景為：有軌電車以16.5 km/h的速度左轉通過平交路口，與左側以40 km/h速度直行的乘用車發生碰撞，碰撞發生后兩車均采取緊急制動。根據碰撞位置設定碰撞工況，如圖1所示。

2 有軌電車與乘用車斜向碰撞響應分析

2. 1 碰撞變形及乘員生存空間

圖1中，工況1和工況2下有軌電車與乘用車發生“鉆碰”，有軌電車吸能裝置及底架結構侵入乘用車發動機機倉；工況3下乘用車沿有軌電車側滑一段距離后發生實質碰撞，隨后與有軌電車分離。各工況下的碰撞變形如圖2所示。

圖1 有軌電車與乘用車碰撞工況

3種工況下乘用車引擎蓋均發生嚴重變形并侵入擋風玻璃。其中工況1、工況2下乘用車發動機在有軌電車前端結構的擠壓下整體后移并侵入駕駛座，嚴重影響乘員逃生救援，具體情況見表1。而有軌電車承載結構基本無塑性變形，乘員生存空間未受影響。

表1 乘用車乘員生存空間侵害指標 mm

圖2 各工況下有軌電車與乘用車碰撞變形圖

2. 2 動力學響應

各工況下的碰撞界面力變化如圖3所示。碰撞位置越靠前，碰撞界面力上升越快且峰值越大，特別針對于縱向表現更為明顯；“鉆碰”導致工況1、工況2垂向碰撞界面力顯著高于工況3。

圖3 各工況下的碰撞界面力變化曲線圖

碰撞加速度能有效反映乘員遭受二次傷害的概率[13]。碰撞中，Tc1直接承受沖擊載荷，響應較為劇烈;M、Tc2經車之間的緩沖，響應較為平緩。通過對Tc1進行碰撞分析得到：隨著碰撞位置后移，縱向加速度的波動和峰值逐漸減小；各工況橫向加速度差異不大，工況3略小；工況1和工況2因“鉆碰”導致垂向加速度較大。Tc1各向加速度響應與碰撞界面力緊密相關，加速度響應隨碰撞位置前移而不斷加劇，縱向和垂向加速度變化特別顯著。Tc1縱向和垂向加速度變化如圖4所示。

(1)

(2)

式中：

a——瞬時加速度；

T——碰撞時間，即碰撞從開始到結束的時間；

圖4 Tc1縱向和垂向加速度變化曲線

t——時間。

表2為乘用車縱向加速度指標。由表2可知，工況1和工況2的加速度響應較為接近，均顯著高于工況3。

表2 乘用車縱向加速度指標 m/s2

速度變化是反映車輛間相對位置關系的重要指標。碰撞中，工況1和工況2下兩車出現卡接，速度變化趨勢基本一致；工況3乘用車發生側滑，而后與有軌電車趨向分離。工況3下乘用車與有軌電車碰撞中車速變化如圖5所示。

圖5 工況3下有軌電車及乘用車碰撞中的車速變化圖

2. 3 碰撞能量

在乘用車與有軌電車碰撞的3種工況下，碰撞能量變化趨勢相同，68%以上的碰撞能量以摩擦形式耗散，其中輪軌摩擦占80%以上；車輛結構塑性變形吸能僅25%，其中乘用車端部結構貢獻最大。有軌電車僅司機室頭罩變形吸能，吸能裝置幾乎未發揮作用；乘用車前端結構吸能較多，但吸能容量明顯不足。不同位置處的碰撞能量見表3。

表3 乘用車與有軌電車不同位置處的碰撞能量 kJ

2. 4 有軌電車脫軌安全性

碰撞事故中，由脫軌產生的二次傷害不容忽視。文獻[11]提出了一種簡單而有效的方法，即通過車輪抬升量來判斷和評價列車脫軌行為。

工況1中，車端1#轉向架所有車輪的抬升量均遠超輪緣高度(22 mm)，車輪完全脫離了軌道約束導致脫軌。車輪抬升量變化如圖6所示。

圖6 工況1下車端1#轉向架車輪抬升量變化圖

工況1中乘用車發生“鉆碰”，有軌電車在慣性作用下沿乘用車前端發生“類爬車”，垂向力達200 kN，Tc1前端連帶1#轉向架被抬起，繼而在橫向力的作用下發生脫軌。

工況2中，1#轉向架左側車輪抬升量短時超過22 mm，而后回到安全位置，雖未發生脫軌，但潛在風險較大。工況2中的輪對抬升過程與工況1類似，但情況較為輕微，故未發生脫軌。工況1和工況2中有軌電車其他車輪抬升量均小于10 mm。值得注意的是，工況1和工況2中1#轉向架左側(受撞擊側)車輪抬升量均大于右側，故Tc1產生明顯側傾。

工況3中，乘用車沿有軌電車發生側滑，未發生“鉆碰”，對有軌電車的垂向作用力較小，故所有車輪抬升量均不超過10 mm，無脫軌風險。

3 有軌電車與乘用車斜向碰撞相容性分析

碰撞相容性問題是不同結構車輛間碰撞事故出現乘員傷亡的重要原因之一[12]。

3. 1 有軌電車與乘用車的質量比

據統計，有人員死亡的交通事故中，小質量車輛的乘員死亡率高達80%，碰撞能量絕大部分由質量和剛度均較小的車輛吸收[13]。根據公式Fmax=m1amax1=m2amax2，在碰撞界面力相同的情況下，amax與質量m成反比。本文所選取的有軌電車與乘用車的質量比為25.57，因乘用車最大加速度數倍于有軌電車，故乘用車乘員受傷概率大大增加。

3. 2 有軌電車與乘用車的等效剛度比

通過等效剛度換算[12]得知：乘用車前端等效剛度k1=32.40 N/cm2，當其均勻全面地發生碰撞接觸時阻抗力為400 kN；有軌電車前端吸能裝置穩態力為600 kN，因其結構斷面較小，等效剛度k2=238.66 N/cm2。由此可知兩車前端結構等效剛度比為7.37，根據公式Fmax=k1dmax1=k2dmax2，結構最大變形量(dmax)與等效剛度成反比。因此本文所選取的算例中，乘用車端部結構發生大幅變形；而有軌電車吸能裝置變形極小，承載結構幾乎未損傷。

3. 3 端部幾何形狀

有軌電車吸能裝置位置較高且剛度較大，與乘用車嚴重不匹配，因此極易侵入乘用車并導致出現“鉆碰”和“類爬車”等現象。

乘用車與有軌電車的質量、剛度和幾何形狀嚴重不匹配，這對乘用車乘員生存、乘用車變形、有軌電車脫軌及碰撞能量分配等均產生了不利影響。因此有軌電車被動安全性設計應充分考慮其他道路車輛的影響，建議在有軌電車前端設置鉆碰防護裝置或亞吸能結構，并注重其剛度和幾何形狀的匹配。

4 結論

(1) 初始碰撞位置對有軌電車和乘用車的碰撞響應影響巨大，隨著碰撞位置前移，有軌電車脫軌風險急劇增加，乘用車破壞程度也越發嚴重，乘員受傷概率隨之增大。

(2) 乘用車在與有軌電車的碰撞中處于極不利的地位，在碰撞中往往會造成車體結構嚴重變形。

(3) 有軌電車和乘用車前端結構不能滿足斜向碰撞的安全需求，極易出現“鉆碰”和“類爬車”等現象。

(4) 碰撞相容性不佳是造成乘用車變形嚴重、乘員生存空間受侵和有軌電車脫軌的重要原因。有軌電車設置鉆碰防護裝置或亞吸能結構將是改善其與乘用車碰撞相容性的有效手段。