電子導(dǎo)向膠輪電車的車體側(cè)翻安全研究

張華海,羅靜偉

1.重載快捷大功率電力機(jī)車全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南 株洲 412001 2.湖南師范大學(xué),湖南 長沙 410000

0 引言

為了緩解日益加大的城市公共交通壓力,電子導(dǎo)向膠輪電車[1]應(yīng)運(yùn)而生,這是一種通過主動(dòng)安全控制、車載信號控制、機(jī)器視覺控制等方法,對車輛行駛過程進(jìn)行電子約束的全電力驅(qū)動(dòng)、沿虛擬軌道運(yùn)行的膠輪式多編組低地板車。該車型采用膠輪,適應(yīng)復(fù)雜城市路面,與其他車輛共享路權(quán),無需鋪設(shè)昂貴的軌道,具有低地板的明顯優(yōu)勢,并且可以多編組運(yùn)行,增加了城市公共交通中等運(yùn)量的選擇。

作為一種新的交通車輛,其安全性備受關(guān)注。但是對該車型的結(jié)構(gòu)安全性評價(jià)方法及指標(biāo)尚無明確規(guī)定,暫未形成規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)。目前常以客戶需求和運(yùn)營工況作為車輛安全性校核的依據(jù)。國內(nèi)相關(guān)研究集中在過曲線能力分析[2]、鉸接裝置安全性[3]、端部耐撞性[4]等方面,對于主承載結(jié)構(gòu),例如車體的安全性方面的研究相對較少。考慮到電車在城市道路的運(yùn)營工況,其與其他車輛共享路權(quán),并且受到道路水平面的影響,存在電車側(cè)翻的風(fēng)險(xiǎn),可能引起嚴(yán)重的人員傷亡,因此有必要進(jìn)行車體結(jié)構(gòu)側(cè)翻安全分析。

本文參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB 17578—2013《客車上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求及試驗(yàn)方法》[5]進(jìn)行側(cè)翻安全研究,以某膠輪電車項(xiàng)目為例,介紹了側(cè)翻的研究方法,完善了電子導(dǎo)向膠輪電車的安全性研究,為相關(guān)車型的側(cè)翻安全研究提供思路,并驗(yàn)證了某膠輪電車的結(jié)構(gòu)滿足側(cè)翻標(biāo)準(zhǔn),可以有效保護(hù)人員安全。

1 標(biāo)準(zhǔn)引入

電子導(dǎo)向膠輪電車是T/CAMET 00001—2020《城市軌道交通分類》[1]中的一類車型,但是相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)僅涉及端部防撞、正面碰撞等安全性要求,缺少側(cè)翻的研究內(nèi)容。該電車是路面運(yùn)行的膠輪車,運(yùn)行環(huán)境與客車相同,可以參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB 17578—2013《客車上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求及試驗(yàn)方法》進(jìn)行側(cè)翻安全研究。

該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了車輛的上部結(jié)構(gòu)應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度,以確保在整車側(cè)翻中和側(cè)翻后的生存空間沒有受到侵入。具體的側(cè)翻方法如圖1所示,整車位于翻轉(zhuǎn)平臺上,懸架鎖止,翻轉(zhuǎn)平臺逐漸傾斜到整車不平衡的位置。車輛發(fā)生側(cè)翻,撞擊在混凝土平面上,評估生存空間是否被侵入。

圖1 客車側(cè)翻試驗(yàn)示意圖

翻轉(zhuǎn)平臺距離地面的高度為(800±20) mm,且旋轉(zhuǎn)軸高度不得大于在車輛側(cè)翻時(shí)與旋轉(zhuǎn)軸最近車輪的輪輞的高度的2/3,車輪擋塊的厚度為20 mm、高度100 mm、長度最小為500 mm。翻轉(zhuǎn)平臺以不大于5(°)/s的角速度翻轉(zhuǎn),直至整車到達(dá)不穩(wěn)定的位置進(jìn)行側(cè)翻。

生存空間的定義:車輛生存空間的外輪廓通過在車廂內(nèi)建立一個(gè)垂直橫截面進(jìn)行確定,將此垂直橫截面移動(dòng)穿過整個(gè)車長,如圖2所示。座椅參考點(diǎn)SR點(diǎn)位于外側(cè)每個(gè)朝前或朝后的座椅靠背前表面,距乘客腳下地板500 mm(不考慮發(fā)動(dòng)機(jī)艙等引起的地板高度局部變化),距側(cè)圍內(nèi)表面150 mm。對于側(cè)向座椅,這些尺寸在座椅中心平面測量。

圖2 生存空間示意圖

2 仿真過程

本文以某膠輪電車為例,應(yīng)用前處理軟件HyperMesh和有限元分析軟件LS-DYNA進(jìn)行聯(lián)合仿真,模擬車輛側(cè)翻過程,驗(yàn)證該電車的安全性。因電車的上部空間主要承載部件是車體鋁合金結(jié)構(gòu),內(nèi)裝對結(jié)構(gòu)承載的作用較小,為簡化模型,僅對金屬承載結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模。

2.1 有限元模型

該電車采用4節(jié)編組,前后2節(jié)車體相同,簡化后的有限元模型如圖3所示,并在模型中實(shí)現(xiàn)了生存空間的可視化。模型中2D單元數(shù)為1 140萬,節(jié)點(diǎn)數(shù)為395萬,整備質(zhì)量約23 948 kg,質(zhì)心高度距離地面1 539.5 mm。

圖3 車體有限元模型

2.2 臨界側(cè)翻角的確定

臨界側(cè)翻角是指車輛停放在一定角度的坡道上保持平穩(wěn)而不發(fā)生側(cè)翻的最大坡道角。該電車結(jié)構(gòu)左右對稱,任選一側(cè)進(jìn)行側(cè)翻試驗(yàn)。整車放置于可傾斜的側(cè)翻平臺上,將懸架鎖止,再慢慢地傾斜到一個(gè)不穩(wěn)定的平衡位置。忽略懸架及輪胎的彈性變形,當(dāng)整車質(zhì)心超過平臺旋轉(zhuǎn)軸所在的豎直截面時(shí)(見圖4),平臺旋轉(zhuǎn)過的角度即為臨界側(cè)翻角,該電車的臨界側(cè)翻角為38.77°。

圖4 失穩(wěn)位置

2.3 車輛質(zhì)心垂直位移的確定

電車在初始碰撞地面時(shí)的位置關(guān)系如圖5所示,在該過程中,質(zhì)心的跌落高度為:

圖5 觸地位置

Δh=h1-h2=1 064.2 mm

式中:h1表示在失穩(wěn)位置,電車質(zhì)心至地面的高度;h2表示在電車與地面初始碰撞時(shí)刻,電車質(zhì)心至地面的高度;Δh表示電車從失穩(wěn)至碰撞初始時(shí)刻質(zhì)心的高度差。

2.4 初始碰撞位置的動(dòng)能及角速度計(jì)算

在從電車失穩(wěn)至與地面初始碰撞的過程中,電車僅由重力做功,電車與地面初始碰撞時(shí)刻的動(dòng)能由勢能轉(zhuǎn)換所得。根據(jù)能量守恒定理,臨界側(cè)翻時(shí)刻動(dòng)能加上重力勢能等于接觸地面時(shí)刻動(dòng)能加上重力勢能,即:

式中:轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J為130 538 kg/m2,質(zhì)量m為23 948 kg,Δh為1 064.2 mm,ω1為0.078 rad/s。

由上式計(jì)算可得,電車與地面初始碰撞時(shí)刻的角速度ω2為1.96 rad/s,初始動(dòng)能EK為250 kJ。

2.5 初始角速度

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,仿真計(jì)算可從失穩(wěn)位置開始進(jìn)行模擬,也可以從與地面碰撞的初始位置開始仿真。在本次仿真計(jì)算中,電車從與地面的初始碰撞時(shí)刻開始模擬。整車部件設(shè)置初始角速度ω2為1.96 rad/s。

2.6 仿真參數(shù)的定義

車體的主承載結(jié)構(gòu)之間采用自接觸,摩擦系數(shù)取0.15。

車體與地面之間采用的接觸類型選擇為Rigid Wall,摩擦系數(shù)取0.7。采用保守的地面摩擦系數(shù),旨在保證車輛可與地面發(fā)生充分地碰撞接觸而并非滑動(dòng)摩擦。

3 計(jì)算結(jié)果

將模型導(dǎo)入軟件,進(jìn)行計(jì)算并查看結(jié)果。首先需要檢查能量曲線,驗(yàn)證側(cè)翻碰撞過程中是否存在失真的情況,當(dāng)能量、變形符合物理規(guī)律時(shí),可以認(rèn)為結(jié)果有效;然后驗(yàn)證電車的生存空間是否被侵入。

3.1 能量曲線

能量曲線圖如圖6所示。車體側(cè)翻碰撞過程,動(dòng)能逐漸減少,內(nèi)能增大,重心不斷下降,總能量隨重力做功而有所增加,能量變化滿足能量守恒且沙漏能和界面滑移能較小,滿足非物理能量成分在任何時(shí)刻不超過總能量5%的要求。理論計(jì)算的初始動(dòng)能為250 kJ,仿真時(shí)的初始動(dòng)能為248.6 kJ,滿足差異小于5%的要求。

圖6 能量曲線圖

3.2 變形情況

電車側(cè)翻有限元仿真計(jì)算時(shí)間取200 ms,結(jié)合側(cè)翻過程圖(見圖7)和地面抵抗力曲線(見圖8),側(cè)翻過程如下。

圖7 側(cè)翻過程圖

圖8 地面抵抗力曲線

0～20 ms,側(cè)圍上頂棚橫梁與地面接觸,地面抵抗力逐漸增加,抵抗力達(dá)到最大780 t。

20～50 ms,車體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)反彈,地面抵抗力逐漸減小。

50～65 ms,車體結(jié)構(gòu)與地面再次發(fā)生碰撞,地面抵抗力逐漸增加。

65～150 ms,車體結(jié)構(gòu)與地面發(fā)生明顯滑移,抵抗力減小后維持在一定的水平。

之后,車身結(jié)構(gòu)再次出現(xiàn)反彈,地面抵抗力逐漸減小。

3.3 生存空間評估

在電車側(cè)翻過程中,頂部最先與地面發(fā)生接觸,隨著時(shí)間的增加,電車車身側(cè)圍立柱逐漸發(fā)生變形,在這個(gè)過程中,主要考察側(cè)圍立柱的變形是否侵入生存空間,由于電車車身側(cè)圍各部位立柱的變形量不同,因而分別考察各位置的側(cè)圍立柱從計(jì)算開始時(shí)到計(jì)算結(jié)束過程中與生存空間的最小距離。

生存空間頂點(diǎn)水平投影到側(cè)圍立柱表面得到投影點(diǎn),測量2個(gè)投影點(diǎn)距離為d。按照標(biāo)準(zhǔn)要求整車側(cè)翻試驗(yàn)過程中和側(cè)翻后,生存空間之外的車輛其他部件,不得侵入生存空間,即d必須大于0 mm。

從側(cè)圍所有立柱(立柱按照順序依次編號A～K,見圖9)上分別選取測量點(diǎn),測量側(cè)圍立柱的變形是否侵入生存空間,其結(jié)果如表1和圖10所示(生存空間到每個(gè)立柱的投影距離為d),側(cè)翻過程中,側(cè)圍結(jié)構(gòu)未侵入生存空間,還有較大的余量,最小余量為175 mm。說明電車的上部空間強(qiáng)度足夠,側(cè)翻時(shí)不會(huì)侵入生存空間,可以有效地保護(hù)人員,滿足車輛側(cè)翻要求。

表1 側(cè)圍立柱到生存空間的距離 單位:mm

圖9 測量點(diǎn)示意圖

圖10 側(cè)圍立柱到生存空間的距離

4 結(jié)束語

本文介紹了電子導(dǎo)向膠輪電車的特點(diǎn)和優(yōu)勢,并提出其運(yùn)行工況下的側(cè)翻風(fēng)險(xiǎn)。通過引入客車相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)GB 17578—2013,完善該車型的安全性研究。本文通過對某膠輪電車的仿真分析,可知車體側(cè)翻過程中結(jié)構(gòu)未侵入生存空間,還有較大的余量,車體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足側(cè)翻標(biāo)準(zhǔn)要求,驗(yàn)證了該電車的安全性。