自由編組地鐵車輛鉤緩裝置配置特性研究

侯本虎 張敬科

(1.煙臺工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，264006，煙臺；2.西南交通大學(xué)牽引動力國家重點實驗室,610031,成都∥第一作者，講師)

鉤緩裝置作為車輛之間連掛運行的重要部件，既可實現(xiàn)車輛之間的互聯(lián)互通，又可滿足車輛之間的低速碰撞要求，保護司乘人員安全。為實現(xiàn)不同編組列車之間高效率的自由切換，需要對不同編組列車各界面的吸能特性進行研究。

文獻[1]分析了考慮車體加工制造產(chǎn)生的焊接殘余應(yīng)力和車體材料的應(yīng)變率效應(yīng)等因素，對高速列車結(jié)構(gòu)在碰撞中的結(jié)構(gòu)變形、能量變化的影響,材料特性對提高耐撞性分析效率和安全性預(yù)測精度具有重要意義。文獻[2]針對地鐵車輛的吸能結(jié)構(gòu)特征，提出地鐵車輛的耐沖擊設(shè)計理念，并進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。文獻[3]從被動安全防護的角度出發(fā)，探討了車輛在碰撞過程中能量的耗散和吸能規(guī)律。文獻[4-5]提出了列車在碰撞過程中的鉤緩裝置模擬方法，并根據(jù)車輛在碰撞過程中各界面的吸能特點，總結(jié)了鉤緩裝置在各界面的吸能參數(shù)配置情況。文獻[6]對鋁合金車輛進行了大變形的碰撞仿真分析，獲得了在碰撞過程中車體結(jié)構(gòu)的變形模式，可為車輛編組形式在整車耐撞性設(shè)計上的應(yīng)用提供一定的參考。文獻[7]研究了車輛之間的連掛關(guān)系，并利用彈簧和阻尼結(jié)合的方式來模擬車輛之間的非線性關(guān)系。

綜上所述，列車車輛的能量吸收特性研究主要集中于固定編組和前端的能量吸收情況，基本沒有涉及到不同編組列車在各界面的能量吸收情況。對此，本文建立了4輛、6輛和8輛編組的列車碰撞有限元模型，對比不同編組形式對各界面的吸能影響，并分析列車在不同速度條件下的吸能特性。

1 碰撞模型的建立

1.1 有限元模型的建立

列車碰撞響應(yīng)是一個非常復(fù)雜的非線性大變形問題，涉及到結(jié)構(gòu)非線性、接觸非線性、彈塑性非線性等一系列復(fù)雜問題。根據(jù)地鐵車輛的碰撞特點[8],以及考慮盡量避免破壞車體結(jié)構(gòu)，設(shè)置了三級能量吸收理念。當(dāng)車輛發(fā)生碰撞接觸時，首先觸發(fā)車鉤緩沖器并緩解一部分能量；緊接著車鉤壓潰管膨脹壓潰吸收更多能量，頭鉤鉤緩裝置吸能完成后，剪切螺栓觸發(fā)過載保護作用；最后兩端防爬吸能裝置嚙合，并相互擠壓吸收能量。

為提高計算效率，車體在碰撞過程中的微小屈曲變形可忽略不計，并把車體和轉(zhuǎn)向架等基本沒有遭到破壞的結(jié)構(gòu)視為剛體，建立有限元模型，鉤緩系統(tǒng)的特性加載利用LS-DYNA軟件中119號材料進行模擬。

不同編組的列車碰撞有限元模型如圖1所示。其中：MV1-MV8為移動車輛；SV1-SV8為靜止車輛；S1-S15為車輛之間的界面，根據(jù)列車編組的不同，圖1 a)～1 c)的碰撞界面分別為S4、S6、S8；υ為列車碰撞速度。

1.2 碰撞工況的建立

為研究不同編組及不同速度條件下，列車各界面的能量吸收情況，建立3種速度和3種編組共9種工況，列出了列車車輛在不同速度等級時所涉及的能量吸收部件，如表1所示。

表1 碰撞工況Tab.1 Collision condition

2 鉤緩裝置備選庫

2.1 鉤緩裝置的輸入

不同的列車編組數(shù)量，列車總能量也會有所變化，因此對于不同的編組列車需要采用不同的鉤緩裝置搭配。為滿足4輛、6輛、8輛3種不同的列車編組模式，鉤緩裝置采用EFG3橡膠緩沖器，建立6種鉤緩裝置配置參數(shù)(全自動車鉤、半自動車鉤、半永久牽引桿A、半永久牽引桿B、半永久牽引桿C和半永久牽引桿D)，曲線特性如圖2和圖3所示。

圖2 頭鉤車鉤特性曲線Fig.2 Characteristics curve of head coupler

2.2 鉤緩裝置備選庫的建立

由圖3所示的列車各界面能量輸入曲線可知，中間界面的鉤緩特性從一位端至二位端(一位端和二位端分別是指列車運行的前端和后端)依次降低，各界面鉤緩配置以中間半自動車鉤為中心，列車編組兩端界面對稱設(shè)置。4輛、6輛、8輛編組列車示意圖如圖4所示。鉤緩系統(tǒng)一共分為1個全自動車鉤，1個半自動車鉤以及4個半永久牽引桿。鉤緩裝置備選庫如表2所示。

圖3 中間車鉤特性曲線Fig.3 Characteristics curve of intermediate coupler

圖4 列車編組示意圖Fig.4 Diagram of train formation

表2 鉤緩系統(tǒng)備選庫Tab.2 Back-up database for coupler system selection

3 仿真分析

3.1 能量吸收的理論依據(jù)

車輛系統(tǒng)碰撞伴隨著結(jié)構(gòu)大變形的非線性吸能過程，列車主動車輛由初始速度逐步減速，而各被動車輛則由靜止逐步加速，所有車輛達到相同的速度后，即認為碰撞結(jié)束。對于列車整體的吸能特性，可建立動量守恒定律和能量守恒定律[9]。

由動量守恒定律可得：

mMV_allυ=mMV_allυend+mSV_allυend

(1)

由能量守恒定律可得：

(2)

若mMV_all=mSV_all,把式(1)代入式(2)可得：

(3)

式中：

mMV_all——所有運動車的總質(zhì)量；

mSV_all——所有靜止車的總質(zhì)量；

υend——碰撞結(jié)束時刻的車輛速度；

E——碰撞過程中能量耗散的總能量。

碰撞過程中，如果將每節(jié)車輛看成一個質(zhì)點，由兩端車鉤連掛運行，根據(jù)第二類拉格朗日定律建立列車動力學(xué)方程：

(4)

Qit=Fit,f-Fit,r-Fit,re-Fit,b

(5)

(6)

式中：

Tit——t時刻第i輛車的動能；

Qit——t時刻第i輛車的廣義力；

Fit,f——t時刻第i輛車受到的一位端車鉤力；

Fit,r——t時刻第i輛車受到的二位端車鉤力；

Fit,re——t時刻第i輛車受到阻力；

Fit,b——t時刻第i輛車受到的一位端的制動力；

mi——第i輛車的質(zhì)量；

υit——t時刻第i輛車的速度；

xit——t時刻第i輛車的位移；

n——列車編組數(shù)量(本文取為4輛、6輛和8輛)。

3.2 不同編組的能量吸收結(jié)果

在不考慮破壞車體結(jié)構(gòu)的情況下，把列車車輛在碰撞時的能量吸收分為三級，包括車鉤緩沖器、車鉤壓潰管以及防爬吸能裝置。當(dāng)碰撞開始時，頭鉤鉤緩裝置首先發(fā)生接觸，接著各界面的鉤緩裝置依次觸發(fā)，隨后各界面同時吸能。

根據(jù)列車編組的不同，從備選庫里選出相應(yīng)的鉤緩裝置搭配，計算出列車各界面的能量分配關(guān)系，對比相同速度條件下，不同編組形式的吸能結(jié)果，如圖5～7所示。其中S與圖1中各界面相對應(yīng)；S3-S5表示S3和S5界面是同一條曲線；其他同理。碰撞發(fā)生后，從列車一位端到二位端鉤緩裝置依次觸發(fā)，吸能量依次減少，碰撞界面的能量吸收是最大的，主被動車輛各界面能量吸收對稱存在。

圖5 5 km/h速度條件下的各界面能量-時間吸能特性曲線

3.3 碰撞界面能量吸收

列車以5 km/h速度進行碰撞時，各界面車鉤緩沖器容量大于界面需要吸收的能量，不需要更換車鉤裝置。當(dāng)列車以15 km/h速度進行碰撞時，需要車鉤緩沖器和車鉤壓潰管共同進行能量吸收，鉤緩裝置壓潰管膨脹破壞，需要更換。當(dāng)列車以25 km/h速度進行碰撞時，需要車鉤緩沖器、車鉤壓潰管以及防爬吸能裝置共同進行吸能，鉤緩裝置以及防爬吸能裝置均需要更換。

圖6 15 km/h速度條件下的各界面能量-時間吸能特性曲線Fig.6 Energy-time energy absorption characteristics curve of each interface at the speed of 15 km/h

圖7 25 km/h速度條件下的各界面能量-時間吸能特性曲線

碰撞界面能量利用率表示碰撞界面吸能量占界面能量儲備比例，碰撞界面能量吸收率表示碰撞界面吸能量占總動能的比例。由圖5～7中的列車碰撞吸能對比情況可知，在相同碰撞速度下，不同編組的列車在碰撞界面能量吸收幾乎相同，并且吸能量存在一個峰值。

當(dāng)列車以5 km/h速度進行碰撞時，不同編組列車碰撞界面能量吸收峰值約為20 kJ，約占碰撞界面能量儲備的65%；當(dāng)列車以15 km/h速度進行碰撞時，不同編組列車碰撞界面能量吸收峰值約為162.1 kJ，約占碰撞界面能量儲備的29.4%；當(dāng)列車以25 km/h速度進行碰撞時，不同編組列車碰撞界面能量吸收峰值約為685.3 kJ，約占碰撞界面能量儲備的59.3%。具體碰撞界面的能量以及能量吸收占比如表3～5所示。

4 結(jié)語

1) 為防止破壞車輛結(jié)構(gòu)，本文將列車車輛的能量吸收分為三級，包括車鉤緩沖器、車鉤壓潰管和防爬吸能裝置，可以分別適用于不同的車輛碰撞速度條件。

表3 5 km/h速度時的碰撞界面吸能占比

表4 15 km/h速度時的碰撞界面吸能占比

表5 25 km/h速度時的碰撞界面吸能占比

2) 根據(jù)列車編組的靈活變換要求，建立了包括全自動車鉤、半自動車鉤以及半永久牽引桿的鉤緩裝置備選庫，可以滿足不同列車編組條件，同時可以承受速度為5 km/h、15 km/h、25 km/h等級的碰撞要求。

3) 列車車輛碰撞過程中，主被動車輛各界面之間的吸能量是對稱的，碰撞界面的吸能量最高，但當(dāng)碰撞速度確定后，無論列車編組如何變化，碰撞界面的能量吸收值可以基本鎖定，且有一定的峰值。本研究可為列車編組的能量配置提供參考。