地鐵車輛防爬器設計及試驗驗證

劉 凱，梁 森，計夢男，董 磊，陳 旭

（北京軌道交通技術裝備集團有限公司技術研究院，北京 100160）

隨著乘坐軌道交通出行的人越來越多，列車運行時速度等級越來越高，一旦發生碰撞事故將會造成車毀人亡的后果，為此列車的安全性就越來越受到重視。在過去的20 多年里，世界各國學者為了提高列車碰撞時乘客的安全，對軌道車輛的耐碰撞性能進行了廣泛地研究，并形成了EN15227 等標準。部分學者通過分析現有的列車碰撞事故，明確指出列車在碰撞過程中相鄰車輛之間容易出現相互爬升的現象，而車輛之間爬車程度直接關系到整個碰撞事故中人員的傷亡程度。因此，防爬器在軌道交通車輛方面至關重要。

1 防爬器要求

本文根據國內某6 編組A 型地鐵車輛，編組圖及重量如下所示。

1.1 防爬器的縱向碰撞吸能要求

本文防爬器所適用的碰撞工況為，一列AW0 載荷列車以25 km/h 速度與另一處停放制動狀態的AW0 載荷列車撞擊時，有效吸收撞擊能量而客室主體結構無損壞。根據碰撞吸能要求，綜合車輛的縱向動力學結果，除車鉤吸收能量外，單個防爬器需要吸收的能量值為383.68 kJ。綜合考慮車體的縱向壓縮強度和車體前端吸能空間，把防爬器設計成吸能變形力為640 kN，吸能行程為630 mm，吸收能量的設計值為403.2 kJ。

1.2 防爬器的垂向承載需求

防爬器需要保證車輛發生碰撞后，防爬器起作用時，不發生垂向屈曲且防爬器在承受垂向載荷后變形量不超過2 mm。根據合力矩定理確定防爬器垂向力的大小，公式如下所示：

m0（R）=∑m0（F）。

計算出結果：防爬器的垂向力需要不小于0.41 mg，增加安全系數按照1.3，按照垂向力0.5 mg 處理，即單個防爬器需要滿足承受0.25 mg 的重量，即為95 kN，且單個防爬器在承受垂向最大力時垂向不會發生屈服。

2 防爬器設計

根據防爬器的要求，選擇刨削式防爬器，吸能變形力為640 kN，吸能行程為630 mm。詳細設計如圖1 所示，設計的刨削式防爬器主要由防爬齒板、吸能管、刀具、安裝法蘭4 部分組成，在發生碰撞時分別起到以下作用。

圖1 防爬器模型示意圖

（1）防爬齒板：防爬齒板是在平板上開設溝槽，當車輛碰撞時，兩車之間的防爬齒能夠相互嚙合，限制兩車之間的相對高度，這樣能夠阻止碰撞中的某一輛車離開軌面騎爬到另一輛車上。

（2）吸能管：在工作中有兩方面的作用，首先是導向作用，承受碰撞中的垂向和側向載荷，保證吸能過程中防爬裝置的穩定工作；其次是吸能作用，工作時部分金屬材料從金屬管上剝離，將動能轉化為熱能，吸收能量。

（3）刀具：碰撞時刀具刨削吸能管，使得金屬材料剝離，吸收碰撞能量。

（4）安裝法蘭：用于安裝刀具，同時還起到吸能管的運動導向作用，限制吸能管的運動方向。

對設計后的防爬器進行有限元分析以驗證其在垂向力為95 kN 作用下能否滿足設計要求。首先對防爬器進行材料屬性的定義見表1。計算得到結果如圖2 所示。

圖2 防爬器靜強度計算應力云圖

表1 防爬器材料屬性表

吸能管的最大應力為440.7 MPa，小于屈服強度550 MPa；安裝法蘭的最大應力為542.9 MPa，小于屈服強度700 MPa；安裝螺栓的最大應力為682.6 MPa，小于屈服強度900 MPa；防爬齒的最大應力為42.14 MPa，小于屈服強度235 MPa。通過有限元計算可知，防爬器的設計滿足垂向承載的要求。

3 防爬器試驗驗證

3.1 縱向吸收能量能力試驗

防爬器碰撞吸能試驗必須滿足EN15227 標準：

（1）碰撞實驗中防爬吸能結構吸收的能量應至少為設計吸收能力的80%。

（2）碰撞試驗中撞擊速度不低于對應列車碰撞工況初始速度的50%。

根據碰撞試驗標準的要求，設計試驗臺車配重及碰撞速度：試驗臺車的重量為31 540 kg，碰撞速度為17.57 km/h，設計試驗的總能量值為375.639 kJ 大于設計總能量值的80%。

如圖3 所示，試驗前防爬器的行程為630 mm，試驗后為97 mm，壓縮位移為533 mm。

圖3 防爬器試驗前后縱向距離

圖4 中曲線與橫坐標軸圍成區域的面積，即為所吸收的能量，通過積分得出該防爬器裝置在碰撞試驗中通過塑性變形所吸收的能量為351.2 kJ。

圖4 防爬器的力與位移曲線圖

3.2 垂向加載試驗

如圖5 所示，使用圖中試驗工裝和設備，通過液壓千斤頂從防爬齒位置對防爬器進行垂向加載，逐步增加至傳感器顯示載荷達到95 kN 時，停止加壓，保持1 min 后卸掉壓力。觀察整個過程中的結構變形情況，是否出現失穩現象。

圖5 防爬器垂向承載試驗設備圖

經過試驗后，得到如下結果，整個加載的過程中，結構變形量隨著加載力值增加而線性增加，過程中沒有出現失穩現象，卸掉壓力后，殘余變形量為0.81 mm。

通過以上2 個試驗可以得出，防爬器能夠滿足碰撞過程中的要求，結構變形穩定，壓潰力在預期范圍內，能夠滿足BSEN15227：2008+A1：2010《鐵路設施.鐵路車輛車身的防撞性要求》的規定，檢測結果合格。而且，防爬器的垂向加載試驗證明：能夠滿足車輛對防爬器的要求，檢測結果合格。

4 結論

在防爬器的設計過程中，先根據整車縱向動力學計算，得到防爬器所需要吸收的能量值，然后根據車體強度和吸能行程確定防爬器的設計參數及型號。在設計過程中可根據有限元計算防爬器設計的有效性，然后使用防爬器樣品進行垂向承載和縱向吸能試驗，進行驗證。