臨界碰撞速度下的編組列車耐撞性研究*

劉鵬飛，王晉樂，朱 濤

（1 中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司 技術(shù)中心，山東青島266111；2 西南交通大學(xué) 牽引動力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都610031）

隨著我國軌道交通產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，運(yùn)營環(huán)境復(fù)雜、車輛種類眾多、運(yùn)營速度等級差異大等特點(diǎn)日益突出。雖然主動安全保護(hù)和被動安全保護(hù)作為2種最重要的運(yùn)營保障手段，在列車運(yùn)營過程中時刻發(fā)揮著重要作用，但是列車碰撞安全事故仍時有發(fā)生。

目前車輛被動安全的研究主要有理論計算、實(shí)際試驗(yàn)及仿真分析3種。理論計算可以得出車輛整體的動力學(xué)性能，但是無法準(zhǔn)確得到某具體位置的力學(xué)響應(yīng)，而列車碰撞安全與端部結(jié)構(gòu)及吸能緩沖裝置關(guān)系密切［1］，因此純理論計算有一定的局限性。實(shí)際的部件級試驗(yàn)，其規(guī)模小、邊界條件簡單，可在精度和經(jīng)濟(jì)間取得平衡［2］，但列車級試驗(yàn)于各方面都實(shí)現(xiàn)困難。仿真分析介于上述兩者之間，且現(xiàn)如今計算機(jī)的計算能力足以得到滿足精度要求的近似解，因此仿真分析在碰撞研究中的應(yīng)用較為廣泛。

列車碰撞的有限元數(shù)值模擬以其經(jīng)濟(jì)便捷、操作性強(qiáng)、周期短和可重復(fù)性成為目前最常用的結(jié)構(gòu)耐撞性設(shè)計與驗(yàn)證手段之一，研究最多的是車體結(jié)構(gòu)耐撞性，包括：吸能元件設(shè)計與仿真［3］、結(jié)構(gòu)薄弱位置設(shè)計改進(jìn)［4］、碰撞能量管理［5］，以及乘員安全性［6］等。朱濤等對列車被動安全進(jìn)行了系統(tǒng)的歸納，對現(xiàn)階段被動安全研究的重點(diǎn)與難點(diǎn)進(jìn)行了指導(dǎo)性的評述與探討［7］。王卉子等研究了100%低地板有軌電車的同類列車碰撞、剛性障礙物碰撞響應(yīng)，為有軌電車的耐撞性設(shè)計提供了參考［8］。王晉樂等對機(jī)車的鉤緩裝置與吸能裝置的建模方法進(jìn)行了研究，對多級能量耗散機(jī)制與整車安全性能進(jìn)行了驗(yàn)證［1］。李少芳等對地鐵列車在重載條件下的碰撞響應(yīng)進(jìn)行了研究，提出在整車校核中考慮超員工況的可行性［9］。趙士忠等研究了碰撞過程中車體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)響應(yīng)和司乘人員所受傷害［10］。以上的研究集中針對一些車型的耐撞性指標(biāo)進(jìn)行仿真校核，指出改進(jìn)意見或綜合提出指導(dǎo)設(shè)計的方案。

由于列車碰撞仿真分析的快捷和可重復(fù)性，使得碰撞臨界速度確定成為可能。針對某型8輛可采用固定編組和重聯(lián)編組2種形式的列車，根據(jù)歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 15227-2008［11］的相關(guān)要求，對其臨界速度下的耐撞性進(jìn)行了校核，并針對編組形式對耐撞性的影響提出了指導(dǎo)性的意見。

1 列車碰撞場景與工況

1.1 列車編組

編組列車主要有2種形式：固定編組形式為“=MC1-R1-R2-M 2-M1-R1-R2-MC2=”；重聯(lián)編組形式為“=MC1-R1-R2-MC2=MC1-R1-R2-MC2=”。其中，MC為帶司機(jī)室的動車，R為拖車，M為動車，“=”代表全自動車鉤；“-”代表半永久牽引桿。

1.2 碰撞工況確定

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)EN 15227-2008，通過前期對不同速度等級下的對撞試算分析，最終確定碰撞形式為：列車以42 km/h臨界工況速度撞擊另一列處于靜止無制動狀態(tài)的同類列車，主、被動列車同類型同配置，碰撞發(fā)生在直線軌道上，碰撞過程中兩車均未采取任何制動措施，兩列車存在40 mm高度差。

注：基于前期一系列的計算，確定了編組地鐵列車臨界速度為42 km/h，遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的25 km/h，限于篇幅文中沒有具體給出其詳細(xì)的推導(dǎo)過程。

因此設(shè)計2個工況，即在碰撞形式不變的前提下，工況1為固定編組列車，如圖1所示；工況2為重聯(lián)編組列車，如圖2所示。

圖1 工況1碰撞場景示意圖（固定編組）

圖2 工況2碰撞場景示意圖（重聯(lián)編組）

2 碰撞仿真模型

2.1 車體結(jié)構(gòu)及參數(shù)

此編組列車主要為鋼結(jié)構(gòu)車體。主要由司機(jī)室、底架、側(cè)墻、端墻和頂蓋組成，使用的鋼材有4種，分別是EN1.4003+2B、Q355GNHD、Q345C、和Q310GNHD。車輛所用材料參數(shù)見表1。

表1 車體所用材料力學(xué)性能

列車頭尾端采用全自動鉤緩裝置，列車內(nèi)部使用半永久鉤緩裝置，其中，半永久鉤緩裝置分為2種。車鉤緩沖裝置主要由緩沖器和壓潰管組成。車鉤緩沖裝置的詳細(xì)參數(shù)見表2~表4。

表2 全自動鉤緩裝置參數(shù)

表4 半永久車鉤2參數(shù)

此外，頭車司機(jī)室端部兩側(cè)安裝有防爬吸能裝置，端部中央位置安裝有主吸能裝置。頭車二位端及中間車兩端均安裝有車間防爬吸能裝置。

表3 半永久車鉤1參數(shù)

2.2 有限元模型

基于車輛幾何模型、材料、設(shè)備布置及鉤緩特性等，建立詳細(xì)的列車碰撞有限元模型，其中頭車有限元模型如圖3所示。為了提高有限元模型的計算效率，將車體端部及防爬吸能、主吸能結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行了細(xì)化［9］。

圖3 頭車有限元模型

3 碰撞仿真分析結(jié)果

3.1 速度及加速度對比分析

假設(shè)碰撞仿真時間為1.6 s。列車在固定編組42 km/h對撞過程中，固定編組速度變化曲線如圖4所示，重聯(lián)編組速度變化曲線如圖5所示。由曲線看出，重聯(lián)編組的碰撞時間比固定編組更長，且主、被動車同速后其速度反向更為明顯。

圖4 固定編組車輛速度—時間曲線

圖5 重聯(lián)編組車輛速度—時間曲線

對于固定編組列車，列車縱向最大平均減速度值為3.44g，發(fā)生在主動車MC1；對于重聯(lián)編組列車，列車縱向最大平均減速度值為3.24g，發(fā)生在主動車R2。

3.2 碰撞界面響應(yīng)對比分析

固定編組列車在碰撞過程中，S8界面車鉤剪切失效，該界面車體前端結(jié)構(gòu)碰撞接觸，其他界面的各車端部均未發(fā)生接觸。界面S8的碰撞界面力—時間曲線如圖6所示。

圖6 固定編組S8界面碰撞界面力—時間曲線

重聯(lián)編組列車在碰撞過程中，S4、S8、S12界面車鉤剪切失效，相應(yīng)界面車體前端結(jié)構(gòu)碰撞接觸，其他界面各車端部均未發(fā)生接觸。S8界面力—時間曲線如圖7所示，S4、S12界面力—時間曲線如圖8所示。

圖7 重聯(lián)編組S8界面碰撞界面力—時間曲線

圖8 重聯(lián)編組S4、S12界面碰撞界面力—時間曲線

在S8界面上，固定和重聯(lián)編組的界面力級相差不大。重聯(lián)編組中重聯(lián)界面處，S4、S12界面力趨勢及大小基本無差別。固定編組S9界面，重聯(lián)編組S5、S11界面壓縮行程略微超出最大設(shè)計行程，但車鉤最大軸向力未超出車鉤最大壓潰力，因此車鉤并未發(fā)生剪切失效。各界面鉤緩變形量見表5。

表5 各界面車鉤緩沖裝置壓縮變形量

3.3 其他安全性指標(biāo)對比分析

該列車的頭車與中間車的一、二位端均設(shè)有防爬單元，其在碰撞過程中作用明顯。由結(jié)果可知，固定編組列車與重聯(lián)編組列車在防爬齒嚙合的前提下各車輛輪軌相對垂向位移均未同時超過100 mm，因此不會發(fā)生爬車情況。

固定編組碰撞結(jié)束時刻頭車結(jié)構(gòu)變形圖如圖9所示，重聯(lián)編組碰撞結(jié)束時刻頭車結(jié)構(gòu)變形圖如圖10所示，從圖9和圖10可以看出，碰撞結(jié)束時刻，2種編組形式的A1和B1車的防爬裝置相互嚙合，兩車的防爬齒后端的吸能裝置均未走完行程；主吸能裝置變形較小，其壓縮行程較短；同時A1和B1車司機(jī)室骨架結(jié)構(gòu)均發(fā)生了一定程度的塑性變形，其中B1車司機(jī)室的骨架結(jié)構(gòu)變形較明顯，客室結(jié)構(gòu)未發(fā)生塑性變形。能夠保證車輛的安全性。

圖9 固定編組碰撞結(jié)束時刻頭車結(jié)構(gòu)變形圖

圖10 重聯(lián)編組碰撞結(jié)束時刻頭車結(jié)構(gòu)變形圖

碰撞結(jié)束后，固定編組主動車A1-A4車乘客區(qū)縱向生存空間的變化量分別為22.3 mm、24.5 mm、22.8 mm、25.9 mm，被動車B1-B4車乘客區(qū)縱向生存空間的變化量分別為22.1 mm、18.9 mm、23.1 mm、14.9 mm；重聯(lián)編組主動車A1-A4車乘客區(qū)縱向生存空間的變化量分別為24.8 mm、24.3 mm、16.7 mm、14.6 mm，被 動 車B1-B4車乘客區(qū)縱向生存空間的變化量分別為21.1 mm、17.6 mm、19.5 mm、14.3 mm。重聯(lián)編組列車的生存空間縱向變形量相對固定編組略小，其原因重聯(lián)編組在其車體其他部位吸收了更多的能量。

固定編組列車碰撞初始動能為27 324 kJ，碰撞結(jié)束后剩余動能為13 625 kJ；碰撞過程中共吸收能量13 462 kJ，占初始動能的49.27%；接觸面上耗散掉的滑移能為83.23 kJ；模型沙漏能為256 kJ。重聯(lián)編組列車碰撞初始動能為27 455 kJ，碰撞結(jié)束后剩余動能為13 701 kJ；碰撞過程中共吸收能量13 363 kJ，占初始動能的49.77%；接觸面上耗散掉的滑移能為188.62 kJ；模型沙漏能為277.03 kJ。由于重量不同，重聯(lián)編組列車初始動能略大于固定編組列車，且重聯(lián)編組列車的吸收能量占比也略大，其原因?yàn)橹芈?lián)處全自動車鉤剪斷后，車體前端接觸吸收能量的效果更好。

4 結(jié)論

通過對編組列車在臨界碰撞速度下2種碰撞工況的仿真計算結(jié)果分析，表明在車輛端部（包括一位端和二位端）安裝防爬吸能裝置可有效防止列車爬車，同時顯著提高碰撞臨界安全速度。通過分析主要得到以下以下結(jié)論：

（1）當(dāng)碰撞初速度低于42 km/h時，列車耐撞性的各項(xiàng)指標(biāo)均在允許的范圍內(nèi)，該速度為碰撞臨界速度，該速度明顯高于標(biāo)準(zhǔn)EN 15227中規(guī)定25 km/h的校核性速度，說明車體結(jié)構(gòu)耐撞性設(shè)計具有較大的余量。

（2）42 km/h碰撞速度下，2種工況下列車的加速度、車體變形、輪對抬升量，以及能量變化等耐撞性考核指標(biāo)均滿足標(biāo)準(zhǔn)EN 15227的要求，相對于25 km/h校核性速度而言，該臨界碰撞安全速度對列車實(shí)際運(yùn)行安全性是十分重要的。

（3）相同初始速度下，重聯(lián)編組的列車碰撞性能略優(yōu)于固定編組列車，但重聯(lián)編組重聯(lián)處兩車體司機(jī)室處有不可恢復(fù)的塑性變形，由于碰撞導(dǎo)致的維護(hù)和修復(fù)成本更高，因此在實(shí)際的運(yùn)營管理中應(yīng)適當(dāng)考慮該因素。

（4）使用重聯(lián)編組形式的列車，可在列車重聯(lián)處安裝較長的吸能裝置，保證重聯(lián)處兩車輛在發(fā)生接觸前碰撞已經(jīng)結(jié)束，避免因司機(jī)室接觸變形帶來的不必要的經(jīng)濟(jì)損失。

通過對比分析臨界碰撞速度42 km/h下的列車耐撞性，表明列車在遠(yuǎn)高于25 km/h下仍具有良好的碰撞安全性；后續(xù)將深入研究不同結(jié)構(gòu)參數(shù)、不同車鉤緩沖裝置等對編組列車臨界速度的影響，為列車的耐撞性設(shè)計提供設(shè)計支撐。