許彥強(qiáng) 孫 方 肖守訥

(1.中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司 江蘇 南京 210031；2.西南交通大學(xué)牽引動力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 四川 成都 610031)

軌道車輛被動安全設(shè)計(jì)中附加式吸能元件的應(yīng)用

許彥強(qiáng)1孫 方1肖守訥2

(1.中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司 江蘇 南京 210031；2.西南交通大學(xué)牽引動力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 四川 成都 610031)

從吸能元件的評價(jià)指標(biāo)研究入手，采用仿真計(jì)算分析的方法，研究了軌道車輛車鉤的吸能結(jié)構(gòu)和過載保護(hù)功能，以及壓潰式防爬器等附件在車輛被動安全設(shè)計(jì)過程中的選擇和應(yīng)用。研究結(jié)果表明根據(jù)結(jié)構(gòu)需要合理地布置附加式吸能元件對軌道車輛的整體吸能有較大的貢獻(xiàn)。

軌道車輛；耐碰撞；附加式吸能元件；仿真

鐵路車輛的被動安全性越來越重要，在設(shè)計(jì)時(shí)除了要重點(diǎn)考慮車體結(jié)構(gòu)本身的耐碰撞性能，還必須考慮在車體結(jié)構(gòu)之外附加元件來提升能量的吸收值，這樣才能最大限度地保護(hù)司乘人員的安全。

1 車輛吸能配置及吸能元件的評價(jià)指標(biāo)

1.1 研究對象描述

本文研究的車輛為動力分散型動車組，由2輛液力傳動內(nèi)燃動車組成，動力源由掛在車下的內(nèi)燃動力包提供，動車組兩端均設(shè)司機(jī)室。端部使用全自動鉤緩裝置、防爬器，動車組內(nèi)部靠半永久牽引桿連接，全自動鉤緩裝置、防爬器、半永久牽引桿均設(shè)置了吸能元件，吸能元件通常采用受彎曲變形或壓縮變形的輕金屬或復(fù)合材料元件，膨脹式吸能管和壓潰式吸能管這2種吸能元件運(yùn)用最為廣泛。在低速工況下發(fā)生撞擊時(shí)，車鉤緩沖器可以吸收沖擊能[1]，而在更高的速度工況下發(fā)生撞擊時(shí)，則需要車鉤緩沖裝置脫開，由吸能式防爬器起作用。

1.2 吸能元件的主要評價(jià)指標(biāo)

能量吸收元件的性能可以采用幾種指標(biāo)來評價(jià)，其中比吸能、壓縮力效率和沖程效率、最大軸壓力、緩沖指數(shù)、結(jié)構(gòu)有效利用率和緊致比是最常用的評價(jià)指標(biāo)[2]。

(1)比吸能SEA

在軸向壓縮的整個過程中所吸收的能量E由作用力F對于發(fā)生的位移δ積分得到，比吸能SEA則由能量除以結(jié)構(gòu)質(zhì)量m得到。

(2)最大軸壓力Fp(最大界面力)

通過試驗(yàn)或仿真計(jì)算獲取的最大軸壓力有可能出現(xiàn)在2個位置，一個是結(jié)構(gòu)材料開始產(chǎn)生屈曲時(shí)，也就是臨界狀態(tài)，它由結(jié)構(gòu)的彈塑性屈曲決定；另一個是當(dāng)壓縮完成后結(jié)構(gòu)被完全壓潰，軸壓力呈發(fā)散狀極速上升時(shí)。研究碰撞時(shí)，主要考察臨界狀態(tài)，它對結(jié)構(gòu)失效有著重要意義。軌道車輛的耐碰撞性能要考慮盡量減小初始碰撞力(界面力)峰值，這對于保護(hù)乘員是非常重要的。

(3) 緩沖指數(shù)A

緩沖指數(shù)指的是元件變形過程中最大軸壓力Fp與平均軸壓力Fm的比值。緩沖指數(shù)是評價(jià)元件緩沖能力的一個重要內(nèi)容，元件的軸壓力峰值通常發(fā)生在沖程的初始階段，低的緩沖指數(shù)表明元件變形過程中沖擊較平穩(wěn)。

式中：Fp為元件的最大軸壓力；Fm為元件的平均載荷。

其他評價(jià)指標(biāo)在此不再贅述。在設(shè)計(jì)時(shí)除了需要綜合考慮上述評價(jià)指標(biāo)之外，還要兼顧軸壓力(界面力)隨時(shí)間變形曲線的波形。在吸收結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，要采取有效措施，盡可能讓吸能元件在壓潰的過程中有合理的碰撞力波形，并且曲線盡量平滑，振幅小。

2 車鉤緩沖裝置

在本研究中，車鉤緩沖裝置采用的膨脹式吸能管是一種通過自身結(jié)構(gòu)發(fā)生塑性膨脹的能量吸收元件。在碰撞發(fā)生時(shí)，膨脹式吸能管與管口的漲塊發(fā)生相對位移，通過對管子的擴(kuò)口變形來吸收能量[3]。吸能裝置上部設(shè)置了一個觸發(fā)判斷的標(biāo)記銷，當(dāng)吸能管觸發(fā)時(shí)，標(biāo)記銷被剪斷，由此來判斷壓潰管觸發(fā)。圖1為膨脹式吸能裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

1—標(biāo)記銷；2—漲塊；3—吸能管；4—拉桿；5—銷；6—鎖緊螺母；7—中間牽引桿。圖1 膨脹式吸能管示意圖

2.1 車鉤沖擊計(jì)算

根據(jù)EN 15227標(biāo)準(zhǔn)要求，研究對象符合C-II類型碰撞要求，2列相同的動車組在速度為25 km/h時(shí)相撞為最嚴(yán)重的工況，故在選擇車鉤吸能時(shí)考慮車輛的沖擊速度為25 km/h，即考慮一列車以25 km/h的速度與另外一列靜止的動車組相撞，如圖2所示。

圖2 動車組沖擊工況車輛配置

本研究對象使用的全自動鉤緩裝置的緩沖器是EFG3橡膠緩沖器，在正常使用中，鉤緩裝置在牽引工況時(shí)，牽引力通過膨脹式吸能管內(nèi)部的中間牽引桿來傳遞，吸能管不受影響；在壓縮工況時(shí)，鉤緩裝置的壓載荷遠(yuǎn)低于吸能裝置的設(shè)定力值，變形元件不發(fā)生動作，壓縮能量由EFG3彈性橡膠緩沖器來吸收。對車鉤進(jìn)行沖擊能力計(jì)算得出2.5 s后的能量吸收情況如表1 所示。

表1 2.5 s后車鉤能量吸收情況數(shù)據(jù)

2.2 車鉤緩沖的過載保護(hù)功能(剪切)

為使車鉤在超過能量承受范圍時(shí)能夠自行離開安裝位置，設(shè)置了剪切螺栓。本文研究的車鉤過載保護(hù)功能的關(guān)鍵元件是位于EFG3橡膠緩沖器尾部的4個剪切螺栓，當(dāng)沖擊力超過觸發(fā)力而剩余能量仍足夠大時(shí)(此時(shí)緩沖器已完全壓死，吸能管也已完全作用)，剪切螺栓被觸發(fā)而產(chǎn)生規(guī)定動作，車鉤裝置整體會沿牽引梁縱向中心線向后移，從而使受沖擊車輛的防爬器和車體吸能區(qū)(也是車體端部承載結(jié)構(gòu)的一部分)發(fā)揮作用，如圖3所示。

當(dāng)鉤緩裝置受到的沖擊載荷大于剪切螺栓設(shè)計(jì)的觸發(fā)力值時(shí)，圖3中所示的剪切螺栓會發(fā)生破壞斷裂，導(dǎo)致軸承座與緩沖器整體分離，緩沖器芯子及吸能管會滑入軸承座殼體內(nèi)部，即車鉤頭向后方退行，實(shí)現(xiàn)過載功能。

帶剪切功能的螺栓是整個過載保護(hù)過程的關(guān)鍵元件，剪切螺栓的下段直徑較小，當(dāng)沖擊力超出額定限額后, 力傳遞到螺栓變截面位置，螺栓被剪斷, 車鉤向車端后側(cè)退出。

圖3 車鉤剪切功能裝置示意圖

3 壓潰式防爬器

軌道車輛用防爬器采用有導(dǎo)向功能的壓潰式吸能防爬結(jié)構(gòu)，可以引導(dǎo)車體在撞擊發(fā)生時(shí)保持水平方向，從正面形成沖擊以防止車輛產(chǎn)生爬疊、傾覆等嚴(yán)重后果，本文研究的動車就采用了該種壓潰式防爬器。

3.1 壓潰式防爬器結(jié)構(gòu)及功能簡介

壓潰式防爬器主要由吸能元件、導(dǎo)向元件、連接元件及防爬齒等組成，如圖4所示。吸能元件由薄壁管構(gòu)成；連接元件由厚板焊接而成，用來連接防爬齒、吸能元件及導(dǎo)向元件；導(dǎo)向元件確保防爬器被擠壓、后退的運(yùn)動軌跡保持水平；防爬齒在碰撞過程中的主要作用是與相鄰碰撞車輛的防爬齒嚙合，防止爬車。防爬器的吸能能力重點(diǎn)由吸能管決定，而吸能管的長度、截面形狀以及材料決定了吸能的多少。

圖4 本文研究的壓潰式防爬器結(jié)構(gòu)圖

3.2 防爬器吸能元件吸能計(jì)算

防爬器的吸能元件為壓潰管，壓潰管一般為薄壁金屬管，根據(jù)以往的研究，在相同條件下，蜂窩狀截面的壓潰管吸能能力最好[4]，但是由于制作工藝及材料要求的限制，矩形截面的壓潰管使用更為廣泛，不同矩形截面的壓潰管吸能性能不同，一般矩形管中正方形截面的吸能性較好[5]。由于結(jié)構(gòu)限制，本文研究的壓潰管截面僅能用長方形截面的矩形管，下面選擇2種方案進(jìn)行對比計(jì)算分析。

3.2.1 壓潰管方案

方案1的吸能元件以厚度為4 mm的180 mm×100 mm×395 mm材料為主體，中間增加一塊100 mm×395 mm厚度為4 mm的筋板，筋板上開鑿2個誘導(dǎo)變形的長圓孔，材質(zhì)均為Q235。方案2的吸能元件在方案1的基礎(chǔ)上加以修改，即以厚度為4 mm的180 mm×100 mm×395 mm的材料為主體，中間增加一塊100 mm×395 mm厚度為4 mm筋板，筋板上開鑿2個誘導(dǎo)變形的長圓孔，在筋板兩側(cè)增加直徑為65 mm厚度為2 mm的2根圓管，長度為380 mm，材質(zhì)均為Q235。圓管長度小于主體長度，用以避開壓潰管主體的誘導(dǎo)變形區(qū)而降低初始界面力。結(jié)構(gòu)如圖5所示。

方案1 方案2圖5 壓潰管方案結(jié)構(gòu)圖

對方案1和方案2均施加315 mm(總長度的80%)的位移壓縮載荷，仿真計(jì)算完成后對吸收的總能量和界面力進(jìn)行對比。

3.2.2 結(jié)果對比及修正

方案2的壓縮變形情況如圖6所示。從以上2個方案中對比可知，方案2吸收能量最多，且初始界面峰值與方案1的相當(dāng)(見表2)。

t=0ms時(shí)刻的變形圖t=3ms時(shí)刻的變形圖t=12ms時(shí)刻的變形圖t=20ms時(shí)刻的變形圖t=27ms時(shí)刻的變形圖t=33ms時(shí)刻的變形圖

圖6 壓潰管方案2部分時(shí)間段位移變形圖

表2 壓潰管方案吸能參數(shù)對比

4 結(jié)論

通過仿真計(jì)算，可以得出明確結(jié)論：經(jīng)過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和元件配置，附加式吸能元件完全可以分擔(dān)車體系統(tǒng)的部分碰撞能量，所以在車輛本身結(jié)構(gòu)滿足基本強(qiáng)度要求的基礎(chǔ)上，應(yīng)盡可能地在車端增加附加式吸能元件來增大吸能容量以確保司乘人員的安全。這種技術(shù)在國內(nèi)的地鐵車輛上已經(jīng)開始普及，未來在其他軌道車輛上也將得到廣泛的應(yīng)用。安全和環(huán)保一直是軌道交通的標(biāo)簽，隨著國家“一帶一路”政策的帶動，中國軌道交通裝備作為中國高端制造業(yè)名片即將走向世界，軌道交通車輛的被動安全性能顯得尤為重要。

[1] John Lewis,于學(xué)輝(譯).鐵路客車沖擊試驗(yàn)研究[J].國外鐵道車輛，1999(4):31-32.

[2] 許彥強(qiáng).內(nèi)燃動車組被動安全性研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2012.

[3] 帥綱要,常 明,何 華.城軌車輛車鉤緩沖器的配置與能量吸收[J].電力機(jī)車與城軌車輛，2009,32(5):17-21.

[4] 賈 宇,肖守訥. 耐碰撞車體吸能裝置的薄壁結(jié)構(gòu)研究[J].鐵道車輛，2005,43(5):6-10.

[5] 黃春曼,汪菊英.基于吸能特性的矩形管截面優(yōu)化[J].裝備制造技術(shù)，2009(7):13-15.□

(編輯：林素珍)

Application of Additional-energy Absorbing Elements in Passive Safety Design of Railcars

XU Yanqiang；SUN Fang；XIAO Shoune

Starting from the research of assessment criteria for energy absorbing elements by means of simulation calculation and analysis, this paper studies the energy absorbing structure and overload protection of the couplers, selection and application of accessories, such as crushable rail anchor, in the passive safety design of railway vehicles. Research results show that reasonably arranged additional energy-absorbers make considerable contributions to the overall energy absorption of railcars.

Rail Vehicle; Crashworthiness; Additional energy-absorber; Simulation

2095-5251(2016)02-0001-03

2015-08-30

許彥強(qiáng)(1984-)，男，本科學(xué)歷，工程師，從事車體設(shè)計(jì)及技術(shù)管理工作。

U270.4

B