地鐵車輛前端吸能系統設計研究

劉 凱，梁 森，董 磊，韓紹華，王 旭，計夢男

（北京軌道交通技術裝備集團有限公司技術研究院，北京 100160）

軌道交通作為大城市解決市民出行、增加城市效率的重要解決方案，其安全性被更廣泛的重視。除了增加主動防護等級，增加被動防護措施，通過增加安裝吸能附件和設置車輛自身結構吸能區等方式，更大程度地增加了整車的安全性。

以國內某B型車項目為例，為滿足EN15227標準，設置了車輛前端吸能系統，主要包括車鉤、帶吸能的防爬器以及車體吸能區。本文詳細介紹了地鐵車輛前端吸能系統的設計流程和對該結構的吸能特性分析。設計流程主要是，先根據車輛參數以及碰撞要求，初步擬定一個車鉤方案，根據車鉤的力值參數，綜合考慮車體的壓縮載荷和拉伸載荷，以及車體前端的吸能空間，得到初步方案的車鉤、防爬器以及車體前端吸能結構的參數。對擬定的參數進行碰撞仿真計算，根據仿真結果對前端吸能系統方案進行驗證。

1 車輛參數

1.1 車體強度

車體的壓縮載荷應為1 000 kN，車體拉伸載荷應為800 kN。

1.2 編組方式

=Tc－Mp－M＋M－Mp－Tc=

“＋”半自動車鉤；

“－”半永久式牽引桿；

“＝”全自動車鉤。

1.3 車重

Tc車（AW0加二分之一定員）：33.5 t；

Mp、M車（AW0加二分之一定員）：35 t。

1.4 碰撞工況

根據EN15227-2008+A1-2010《軌道交通鐵路車輛車身的防撞要求》的定義，本項目地鐵車輛屬于C-II類型車輛，碰撞場景需要滿足要求，進行兩列相同配置列車的25 km/h碰撞分析，并計算當一列6編組AW0（加二分之一定員）列車以25 km/h的速度與另一列靜止且不帶停放制動的6編組AW0（加二分之一定員）列車相互碰撞時吸收撞擊能量而客室無損壞。

2 前端吸能結構設計

2.1 車鉤選型

根據車輛編組要求，采用Tc車一位端為全自動車鉤，M1車和M2車之間為半自動車鉤，其余車輛之間為半永久車鉤。具體配置見表1。

表1 車鉤配置方案

2.2 防爬器配置

防爬器主要由防爬齒、吸能管、安裝法蘭和刀具4部分組成，其模型如圖1所示，在發生碰撞時分別起到以下作用。

圖1 第一級刨削式防爬器

（1）防爬齒：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位移，這樣能夠阻止碰撞中的某一輛列車離開軌面騎爬到另一列車上。

（2）吸能管：在碰撞過程中承受垂向和側向載荷，并在刀具的作用下，吸能管金屬撕裂吸能。

（3）刀具：切削吸能管，使吸能管上的材料將動能轉換為內能。

（4）安裝法蘭：與吸能管配合，將車輛端部的縱向、垂向和側向力可靠地傳遞至車體。

2.3 車體前端吸能區配置

為了最大程度地增加車輛的被動安全等級，不能一味地增加防爬器的長度，這對于車輛的美觀、客室容量以及司機室空間等都有影響。防爬器過長還有可能導致在碰撞過程中，防爬器剛度不夠發生彎折，無法起到防爬器的作用，會帶來更壞的影響。所以在防爬器吸能空間之外新增車體前端吸能區設計，更加有效地保證客室區域的安全。

車體前端吸能區主要由吸能箱和車體結構吸能構成。

2.3.1 吸能箱

吸能箱主要起蜂窩吸能和碰撞過程導向的作用。其結構主要由前端安裝板、導向管、蒙皮、鋁蜂窩和安裝座5部分組成，其模型如圖2所示，在發生碰撞時分別起到以下作用。

圖2 第二級蒙皮蜂窩式吸能器

（1）前端安裝板：前端安裝板通過螺栓與第一級刨削式防爬器法蘭安裝的橫梁連接，在碰撞過程中將縱向力傳遞給蒙皮和鋁蜂窩。

（2）導向管：在碰撞過程中承受垂向和側向載荷。

（3）蒙皮：起到保護蜂窩的作用，在變形過程中與蜂窩一同變形吸能。

（4）鋁蜂窩：通過塑性變形吸收碰撞能量，是二級吸能器的主要吸能元件。

（5）安裝座：通過螺栓與車體連接，并于導向管配合。將蜂窩、導向管傳遞過來的縱向、垂向和側向力可靠地傳遞至車體。

2.3.2 車體前端吸能區

車體前端吸能區主要由橫梁、變形梁、地板支撐梁和地板4部分組成。其中，橫梁采用大截面鋁合金型材，具有較大的剛度，作為防爬器的安裝橫梁，且在車體碰撞變形過程中，能夠保證兩側的吸能裝置一起后退變形。橫梁通過焊接的方式與兩側的變形梁和司機室柱子連接；變形梁位于車端吸能區兩側，主要起到支撐司機室上部結構以及司機室設備的作用，在碰撞過程中能通過塑性變形進行變形吸能。變形梁與橫梁和車體端梁焊接在一起；地板支撐梁位于地板正下方，起到了支撐地板的作用，在吸能區變形吸能過程中，支撐梁也通過疊縮變形進行吸能。支撐梁與橫梁和車體端梁焊接；地板通過焊接與車體端梁、變形梁和橫梁連接。

車體前端吸能區既做到了能夠滿足車輛日常使用的強度要求，又通過結構削弱處理，能夠使吸能區的結構在碰撞過程中發生變形吸能，更加有效地保護客室乘客安全。

車體前端吸能區采用鋁合金大斷面擠壓型材及板材制造，通過模擬分析，在合適的位置進行結構削弱處理，前端吸能區域的變形吸能力值為815 kN，吸能行程長度大于320 mm。

2.4 分級吸能原理

耐碰撞車輛結構設計的目標則是通過引入吸能結構，合理設置不同部位的縱向壓縮強度，以保證在意外碰撞事故發生時，通過車體前端變形吸能結構產生可控的、順序的變形來吸收碰撞產生的能量，這就是分級吸收原理。列車多級能量吸收系統的吸能順序和過程如圖3所示。采用多級能量吸收系統吸收撞擊能量，在吸能行程的0到55 mm區間內，車鉤的彈性緩沖裝置起作用，此部分是可恢復的吸能裝置；在吸能行程的55 mm到255 mm區間內，車鉤的壓潰管通過結構變形起作用；在吸能行程的255 mm到445 mm區間內，車鉤的過載保護裝置工作，車鉤的主體與車鉤緩沖器分離，車輛防爬器的防爬齒相嚙合，防爬器吸收碰撞產生的能量；在吸能行程的445 mm到765 mm區間內，車鉤和防爬器的吸能達到極限，剩余能量由車體前端變形吸能區吸收，保證客室空間不受影響。

圖3 車體前端吸能結構順序圖

3 碰撞仿真計算

3.1 計算方法

本報告采用多體動力學理論對軌道交通列車進行碰撞能量一維仿真分析。將整個列車簡化成質量彈簧系統，利用達朗貝爾原理，建立該系統的動力學平衡方程：

采用四階龍格庫塔方法對上述非線性微分方程組進行求解。求得各車輛位移、速度隨時間的變化，進而計算出車體在整個碰撞過程中的加速度、界面力和能量吸收隨時間的變化。

3.2 計算結果

3.2.1 車輛加速度

車輛在碰撞過程中的加速度與碰撞時間的結果如圖4所示。

圖4 車體加速度時程曲線

圖4顯示了兩列車碰撞過程中的最大加速度的變化，具體數值見表2。

表2 車輛最大加速度與平均加速度

從表2中可知，碰撞過程中最大的平均加速度為車5和車8，均為0.73 g，滿足EN15227規范第6.4.1條的要求。

3.2.2 車體速度時程曲線分析

車體速度時程曲線如圖5所示，模擬了碰撞過程中兩列車的速度變化，分別從0和25 km/h變成12.5 km/h左右。

圖5 車體速度時程曲線

3.2.3 界面力位移曲線分析

界面力-行程曲線如圖6所示，分別介紹了碰撞過程中一列車的6個界面中力與行程的情況，兩列車的6個界面可以近似認為是相互對稱，所以只列舉了前6個界面，根據界面6的曲線可以看出在碰撞發生的過程中，力與行程的曲線與圖6的基本一致。

圖6 界面力-行程曲線

3.2.4 界面吸能曲線分析

分別對碰撞過程各個界面壓縮行程和吸能量進行統計，結果見表3。

表3 界面壓縮量與吸能統計結果

碰撞過程中的兩列車總的系統能量變化曲線如圖7所示，初始動能在碰撞中被車體前端吸收掉2 413 kJ。

3.3 計算結果

根據計算可以證明車輛前端吸能系統方案，在一列6編組AW0（加二分之一定員）列車以25 km/h的速度與另一列靜止且不帶停放制動的6編組AW0（加二分之一定員）列車相互碰撞時，車體平均加速度/減速度為0.73 g，小于EN15227要求的5 g，并且由車鉤、防爬器和車體變形吸能區組成的車輛前端吸能系統能夠吸收兩列車在25 km/h碰撞產生的全部能量，滿足規范EN15227的要求。

4 結論

（1）對分級吸能原理進行了描述，車輛前端吸能系統在碰撞過程中的能量吸收分為4級：第1級為車鉤緩沖裝置緩沖器，第2級為緩沖裝置中的壓潰變形管，第3級為車鉤剪切螺栓，第4級為位于頭車前端底架的吸能結構和防爬器等可變形結構。

（2）建立車輛前端吸能系統設計流程，先根據車體強度、車輛連掛需求初步設計車鉤參數，然后針對車重和碰撞速度等要求對防爬器和車體碰撞吸能區進行設計。

（3）建立碰撞計算數學模型，通過各碰撞工況的數值仿真，計算出碰撞過程中的車輛加速度、車體速度變化、界面力和能量值等，以此印證方案設計的可行性。