電子導向膠輪電車的車體側翻安全研究

張華海,羅靜偉

1.重載快捷大功率電力機車全國重點實驗室,湖南 株洲 412001 2.湖南師范大學,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,電子導向膠輪電車[1]應運而生,這是一種通過主動安全控制、車載信號控制、機器視覺控制等方法,對車輛行駛過程進行電子約束的全電力驅動、沿虛擬軌道運行的膠輪式多編組低地板車。該車型采用膠輪,適應復雜城市路面,與其他車輛共享路權,無需鋪設昂貴的軌道,具有低地板的明顯優勢,并且可以多編組運行,增加了城市公共交通中等運量的選擇。

作為一種新的交通車輛,其安全性備受關注。但是對該車型的結構安全性評價方法及指標尚無明確規定,暫未形成規范或標準。目前常以客戶需求和運營工況作為車輛安全性校核的依據。國內相關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,對于主承載結構,例如車體的安全性方面的研究相對較少?？紤]到電車在城市道路的運營工況,其與其他車輛共享路權,并且受到道路水平面的影響,存在電車側翻的風險,可能引起嚴重的人員傷亡,因此有必要進行車體結構側翻安全分析。

本文參照國家標準GB 17578—2013《客車上部結構強度要求及試驗方法》[5]進行側翻安全研究,以某膠輪電車項目為例,介紹了側翻的研究方法,完善了電子導向膠輪電車的安全性研究,為相關車型的側翻安全研究提供思路,并驗證了某膠輪電車的結構滿足側翻標準,可以有效保護人員安全。

1 標準引入

電子導向膠輪電車是T/CAMET 00001—2020《城市軌道交通分類》[1]中的一類車型,但是相關標準僅涉及端部防撞、正面碰撞等安全性要求,缺少側翻的研究內容。該電車是路面運行的膠輪車,運行環境與客車相同,可以參照國家標準GB 17578—2013《客車上部結構強度要求及試驗方法》進行側翻安全研究。

該標準規定了車輛的上部結構應具有足夠的強度,以確保在整車側翻中和側翻后的生存空間沒有受到侵入。具體的側翻方法如圖1所示,整車位于翻轉平臺上,懸架鎖止,翻轉平臺逐漸傾斜到整車不平衡的位置。車輛發生側翻,撞擊在混凝土平面上,評估生存空間是否被侵入。

圖1 客車側翻試驗示意圖

翻轉平臺距離地面的高度為(800±20) mm,且旋轉軸高度不得大于在車輛側翻時與旋轉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。翻轉平臺以不大于5(°)/s的角速度翻轉,直至整車到達不穩定的位置進行側翻。

生存空間的定義:車輛生存空間的外輪廓通過在車廂內建立一個垂直橫截面進行確定,將此垂直橫截面移動穿過整個車長,如圖2所示。座椅參考點SR點位于外側每個朝前或朝后的座椅靠背前表面,距乘客腳下地板500 mm(不考慮發動機艙等引起的地板高度局部變化),距側圍內表面150 mm。對于側向座椅,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,應用前處理軟件HyperMesh和有限元分析軟件LS-DYNA進行聯合仿真,模擬車輛側翻過程,驗證該電車的安全性。因電車的上部空間主要承載部件是車體鋁合金結構,內裝對結構承載的作用較小,為簡化模型,僅對金屬承載結構進行建模。

2.1 有限元模型

該電車采用4節編組,前后2節車體相同,簡化后的有限元模型如圖3所示,并在模型中實現了生存空間的可視化。模型中2D單元數為1 140萬,節點數為395萬,整備質量約23 948 kg,質心高度距離地面1 539.5 mm。

圖3 車體有限元模型

2.2 臨界側翻角的確定

臨界側翻角是指車輛停放在一定角度的坡道上保持平穩而不發生側翻的最大坡道角。該電車結構左右對稱,任選一側進行側翻試驗。整車放置于可傾斜的側翻平臺上,將懸架鎖止,再慢慢地傾斜到一個不穩定的平衡位置。忽略懸架及輪胎的彈性變形,當整車質心超過平臺旋轉軸所在的豎直截面時(見圖4),平臺旋轉過的角度即為臨界側翻角,該電車的臨界側翻角為38.77°。

圖4 失穩位置

2.3 車輛質心垂直位移的確定

電車在初始碰撞地面時的位置關系如圖5所示,在該過程中,質心的跌落高度為:

圖5 觸地位置

Δh=h1-h2=1 064.2 mm

式中:h1表示在失穩位置,電車質心至地面的高度;h2表示在電車與地面初始碰撞時刻,電車質心至地面的高度;Δh表示電車從失穩至碰撞初始時刻質心的高度差。

2.4 初始碰撞位置的動能及角速度計算

在從電車失穩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刻的動能由勢能轉換所得。根據能量守恒定理,臨界側翻時刻動能加上重力勢能等于接觸地面時刻動能加上重力勢能,即:

式中:轉動慣量J為130 538 kg/m2,質量m為23 948 kg,Δh為1 064.2 mm,ω1為0.078 rad/s。

由上式計算可得,電車與地面初始碰撞時刻的角速度ω2為1.96 rad/s,初始動能EK為250 kJ。

2.5 初始角速度

標準規定,仿真計算可從失穩位置開始進行模擬,也可以從與地面碰撞的初始位置開始仿真。在本次仿真計算中,電車從與地面的初始碰撞時刻開始模擬。整車部件設置初始角速度ω2為1.96 rad/s。

2.6 仿真參數的定義

車體的主承載結構之間采用自接觸,摩擦系數取0.15。

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

3 計算結果

將模型導入軟件,進行計算并查看結果。首先需要檢查能量曲線,驗證側翻碰撞過程中是否存在失真的情況,當能量、變形符合物理規律時,可以認為結果有效;然后驗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。車體側翻碰撞過程,動能逐漸減少,內能增大,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刻不超過總能量5%的要求。理論計算的初始動能為250 kJ,仿真時的初始動能為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

電車側翻有限元仿真計算時間取200 ms,結合側翻過程圖(見圖7)和地面抵抗力曲線(見圖8),側翻過程如下。

圖7 側翻過程圖

圖8 地面抵抗力曲線

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

20～50 ms,車體結構出現反彈,地面抵抗力逐漸減小。

50～65 ms,車體結構與地面再次發生碰撞,地面抵抗力逐漸增加。

65～150 ms,車體結構與地面發生明顯滑移,抵抗力減小后維持在一定的水平。

之后,車身結構再次出現反彈,地面抵抗力逐漸減小。

3.3 生存空間評估

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

生存空間頂點水平投影到側圍立柱表面得到投影點,測量2個投影點距離為d。按照標準要求整車側翻試驗過程中和側翻后,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,測量側圍立柱的變形是否侵入生存空間,其結果如表1和圖10所示(生存空間到每個立柱的投影距離為d),側翻過程中,側圍結構未侵入生存空間,還有較大的余量,最小余量為175 mm。說明電車的上部空間強度足夠,側翻時不會侵入生存空間,可以有效地保護人員,滿足車輛側翻要求。

表1 側圍立柱到生存空間的距離 單位:mm

圖9 測量點示意圖

圖10 側圍立柱到生存空間的距離

4 結束語

本文介紹了電子導向膠輪電車的特點和優勢,并提出其運行工況下的側翻風險。通過引入客車相關的國家標準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,可知車體側翻過程中結構未侵入生存空間,還有較大的余量,車體結構強度滿足側翻標準要求,驗證了該電車的安全性。