地鐵列車脫軌防護裝置方案*

劉艷文 肖海健

(1.西南交通大學牽引動力國家重點實驗室, 610031, 成都; 2.中車長客股份公司國家軌道客車工程研究中心, 130022, 長春)

列車脫軌事故會造成嚴重的經濟損失甚至車毀人亡等嚴重的后果。在我國鐵路重特大事故中,列車脫軌事故的占比高達70%[1]。隨著地鐵的大面積普及,地鐵列車脫軌事故也時常發生。國內外近期發生的部分地鐵脫軌事故有:南京地鐵1號線空載檢查列車脫軌事故、北京地鐵亦莊線列車脫軌事故、美國紐約地鐵車廂脫軌事故等。

國內外學者對于軌道交通車輛脫軌方面已展開了大量的研究工作。文獻[2-3]最早提出了至今仍有重要價值的Nadal公式。此后國內外學者在列車脫軌的原因、評判標準、試驗方法等方面取得了許多很好的成果[4-5]。上述研究從脫軌機理出發,在預防列車脫軌方面做出了巨大貢獻。然而,在自然災害、車輛或軌道關鍵部件失效、外部沖擊等不可預知的復雜狀態下,列車仍可能會發生脫軌[6]。可見,對列車的被動脫軌防護裝置進行研究十分必要。

國內對于脫軌防護裝置方面的研究較少。文獻[7]介紹首次研制的一種接觸式障礙物與脫軌檢測裝置,并通過仿真與加工產品樣機驗證了裝置的可靠性與實用性。文獻[8]在小半徑曲線線路上加裝脫軌防護裝置,大大減少了列車在小半徑曲線線路上的脫軌事故。

本文將建立列車系統的非線性動力學仿真模型(以下簡稱“非線性模型”),提出地鐵列車脫軌防護裝置的3種方案,并進行動力學仿真,根據相應動力學仿真評定標準[9]對比仿真結果,選擇最優方案。對脫軌防護裝置的結構與具體安裝位置進行設計,并進行動力學仿真對比驗證防脫軌效果,對安裝有脫軌防護裝置的車輛限界進行檢驗計算驗證其可行性。

1 列車的非線性模型

地鐵列車是一個復雜的多體系統,不但有各部件之間的相互作用力和相對運動,而且還有輪軌的相互作用關系。因此,理論計算模型只能根據研究的主要目的和要求,對一些次要因素進行相應的假定或簡化,而在對動力學性能影響較大的主要因素上盡可能做出符合實際情況的模擬。

在建立列車非線性模型時,假定輪對、構架和車體等部件的彈性比懸掛系統的彈性要小得多,均視為剛體,即忽略各部件的彈性變形。

參照GB 5599—2019《機車車輛動力學性能評定和試驗鑒定規范》等相應標準建立的模型包含3種非線性環節:非線性輪軌接觸幾何關系、非線性懸掛力及碰撞吸能結構。

由于在脫軌工況下,車輛各零部件自身、車輛各部件之間,以及車輛各部件與軌道之間會發生結構變化,因此有必要根據實際情況,對仿真模型進行預處理:建立三維接觸碰撞模型、車輛吸能等效模型及車鉤緩沖模型,模擬部件失效、特性突變與輪軌接觸拓撲變化。

基于多體系統動力學理論、車輛系統動力學理論及接觸碰撞模型,建立列車碰撞脫軌非線性動力學仿真模型。考慮到地鐵列車的對稱性,為確保仿真分析的時效性和準確性,按1節拖車+2節動車的3節編組建立地鐵列車模型。所建立的列車非線性模型如圖1所示。

圖1 列車非線性模型

2 車輛脫軌防護裝置的初步方案

車輛脫軌防護裝置的最核心功能是在列車脫軌后,保證列車繼續沿線路運行。為了實現這個功能,在車輛脫軌后,脫軌防護裝置須能控制轉向架搖頭運動,減小橫向分速度,進而阻止車輛橫向運動。

為此,在所建立的非線性模型的基礎上增加脫軌防護裝置,并增加其與鋼軌、扣件等軌道結構之間的接觸副,即可進行脫軌防護裝置被動安全防護的動力學仿真,從而分析不同脫軌工況下、不同運行速度車輛脫軌后的動態行為,以及脫軌防護裝置發揮作用的條件。進一步對比有脫軌防護裝置和無脫軌防護裝置車輛的運動姿態,加速度等動態行為,分析被動安全防護的效果。

2.1 脫軌防護裝置

由于脫軌行為是由輪對橫向位移過大引起的,因此,脫軌防護裝置須能限制輪對的過大橫向位移,一般采用防脫軌止擋。當輪對開始爬軌,輪對橫向位移增大且具有脫軌趨勢時,借助防脫軌止擋與軌道間的橫向作用,可限制輪軌的過大橫移量,達到防脫軌目標。

基于前期調研結果,提出可行的脫軌防護裝置初步方案:方案一,在軸箱下方增加脫軌防護止擋;方案二,在構架下端增加脫軌防護止擋;方案三,在車體下方增加脫軌防護止擋。

在仿真模型中:通過在軌道上設置脫軌器來實現列車脫軌;將未安裝脫軌防護裝置方案作為3個初步方案的對照組;將脫軌防護止擋分別添加在軸箱、構架和車體上,來構建不同脫軌防護裝置方案的仿真模型,見圖2—圖4。設置行車速度為 10 km/h,進行仿真分析。

圖2 脫軌防護裝置方案一模型圖

圖3 脫軌防護裝置方案二模型圖

圖4 脫軌防護裝置方案三模型圖

2.2 仿真結果與方案選定

對各脫軌防護裝置方案進行仿真,并與無脫軌防護的情況進行對比,其中T1車1號輪對橫向位移如圖5所示。分析仿真結果可以看出:方案一具有很好的防脫軌效果,車輛在運行過程中未發生脫軌;方案二和方案三雖未能防止列車脫軌,但能顯著減少輪對的橫向位移,二者位移量約為無脫軌防護裝置的一半,說明能有效地防止輪對第二次爬軌脫軌駛離軌道方向。綜合考慮防二次爬軌脫軌的效果、安裝部位的強度,以及脫軌后因鐵軌與脫軌防護裝置發生碰撞而對車輛造成的損害,本文選擇方案二作為最優初步方案,并進行后續的完善和驗證。

圖5 T1車1號輪對橫向位移對比

3 脫軌防護裝置方案的完善與驗證

3.1 脫軌防護裝置的結構細化設計

脫軌防護裝置的結構設計方向主要為限制車輪橫向移動及減小車輛橫向作用力。此外,當與脫軌裝置同時發生作用時,脫軌防護裝置應該具有較高的時效性,并能為車輛提供巨大的橫向作用力。因此,選擇以鋼軌作為脫軌防護裝置的橫向作用對象,選擇橫向止檔作為脫軌防護裝置,最終確定脫軌防護裝置結構如圖6所示。由車輛限界確定擋板長度,最終得到合適的結構尺寸。

圖6 防脫軌止擋結構

脫軌防護裝置下端鉤頭設計與鋼軌軌頭外形互補,增大了與鋼軌的接觸面,可以在脫軌時與鋼軌接觸進而產生橫向和垂向的位移限制,更好地起到防脫軌作用。在尺寸上,考慮車輛滿載及車輪磨耗極限時的垂向限界,在滿足結構強度的同時,盡可能使擋板增長,以增大脫軌防護裝置與鋼軌接觸的可能性,并延長接觸時間,以保證脫軌防護裝置的性能。

3.2 脫軌防護裝置安裝位置的確定

當車輛發生脫軌時,車輪與軌道板碰撞會產生很大的沖擊。碰撞沖擊時車輛各處的撓動最大,因此盡早對車輛進行防脫軌處理能有效地減小沖擊對車輛的影響,并能及時地將車輛限制在鋼軌上,防止車輛橫向分力過大而偏離軌道。因此脫軌防護裝置在橫向安裝位置上應盡量靠近鋼軌,同時也需考慮橫向限界,防止車輪掉道時與鋼軌干涉。考慮車輛的實際結構情況,轉向架結構精密、部件繁雜,且確定脫軌防護裝置接口在構架側梁下端,故安裝時應使脫軌防護裝置縱向靠近側梁與橫梁焊縫,以增加結構強度,防止在防脫軌時影響構架的正常結構性能。圖7為脫軌防護裝置安裝位置。

圖7 脫軌防護裝置安裝位置

3.3 脫軌防護裝置仿真分析

在仿真分析過程中,先將脫軌防護裝置結構導入到ADAMS/Rail模型中,固定在構架確定接口處;添加脫軌器后,按脫軌防護裝置同鋼軌及軌道板等可能發生的接觸,在相同工況條件下進行脫軌仿真,觀察分析車輛脫軌后的運行姿態,以確定脫軌防護裝置的效果。圖8為脫軌仿真后的車輛運行姿態。

a) 無脫軌防護裝置

由有脫軌防護裝置列車的脫軌仿真分析所得車輛運行姿態可知:當列車一位輪對掉道脫軌時,一位構架在豎向上隨著輪對產生了較大的撓動,構架下端的脫軌防護裝置也隨之下移,鉤頭位置下降到軌頭水平面以下;當一位輪對脫軌后偏離鋼軌橫向運動時,裝置又隨之橫向移動,但很快與右側鋼軌發生接觸,橫向移動被限制;該過程中由于一系懸掛和輪對掉道沖擊的原因,構架和脫軌防護裝置也產生豎向的移動;在橫向上由于鉤頭與軌頭廓形的接觸而被限制,最終只有一位輪對掉道,二位輪對未掉道。可見,車輛橫向位移被脫軌防護裝置限制,不會發生較大程度的脫軌。

對比無脫軌防護裝置時列車脫軌仿真分析所得的車輛運行姿態可以看出:有脫軌防護裝置時,車輛在脫軌后不僅橫向位移被有效限制,在豎向上也防止了二位輪對的掉道,從而有效地減小車輛掉道后的橫向分力,達到了脫軌防護裝置的預定目標。

3.4 脫軌防護裝置限界計算

在實際線路運用時,脫軌防護裝置應不影響車輛正常行駛,滿足線路的限界要求。本文針對某型列車,采用我國相關地鐵限界標準計算動態包絡線,校核脫軌防護裝置是否滿足某市地鐵線路的限界要求。給出了脫軌防護裝置各種狀態下的最大包絡線。本文限界計算方法按照CJJ 96—2003《地鐵限界標準》所給公式計算。

按懸掛系統正常時、地面與隧道、空車和重車等條件,選擇典型工況進行限界計算,其中隧道內不考慮側風作用。由于篇幅原因,本文僅列出列車在地面直線行駛時空車(AW0)工況下的限界計算結果,如圖9所示。其中橫坐標x以車輛中心為原點,表示為車輛的橫向空間位置,縱坐標y以軌道面為原點,表示為列車在豎向上的空間位置。從計算結果可知,在各種工況下,脫軌防護裝置動態包絡線滿足限界要求。因此車輛安裝脫軌防護裝置后能正常行駛,不會對線路產生干涉。

圖9 列車直線行駛時空車工況下的限界計算結果

4 結語

本文結合動力學與強度仿真軟件,通過比較分析3個防脫軌方案仿真結果,綜合考慮防二次爬軌脫軌的效果、安裝部位的強度以及脫軌后由于鐵軌與脫軌防護裝置發生碰撞對車輛造成的損害,提出了在構架下端安裝防脫軌橫向止擋作為脫軌防護裝置的方案。

根據實際工況,對車輛按有、無脫軌防護裝置的情況分別進行動力學仿真。對比仿真結果可以看出,安裝有構架橫向止擋脫軌防護裝置的車輛能有效地實現車輛防脫軌目的,說明所提方案具有較好的預期效果和可行性。

采用相應標準,對安裝有脫軌防護裝置的某型列車進行了動態包絡線計算。從計算結果可知,在各種計算工況下,脫軌防護裝置動態包絡線滿足限界要求,不會影響車輛正常行駛。