任 陽 肖守訥 朱 濤 楊皓杰

(中鐵工程服務(wù)有限公司設(shè)計研究院，610015，成都//第一作者，碩士研究生)

隨著有軌電車應(yīng)用日益廣泛，亟待開展其與乘用車碰撞的相關(guān)研究。文獻[1]針對美國新澤西州低地板有軌電車給出了耐碰撞性要求。文獻[2]認為有軌電車耐碰撞設(shè)計應(yīng)考慮其他道路參與者的安全。文獻[3]通過試驗手段研究了有軌電車端部吸能結(jié)構(gòu)與乘用車的碰撞。我國軌道車輛碰撞研究起步較晚，主要集中于對鐵路干線列車和地鐵列車的研究。文獻[4-5]對城市軌道交通車輛及其端部吸能裝置進行了大量仿真研究，其結(jié)論對有軌電車碰撞安全性研究具有一定的借鑒意義。文獻[6-7]參照EN 15227中的相關(guān)場景對有軌電車的碰撞被動安全性能進行了研究。目前，國內(nèi)針對有軌電車與乘用車的碰撞研究較少。

1 有軌電車與乘用車斜向碰撞場景設(shè)計

事故統(tǒng)計[8-9]顯示，有軌電車與乘用車的碰撞事故占有軌電車總事故的比例高達46.00%～64.37%，且多發(fā)于有轉(zhuǎn)向沖突的平交路口。本文選用的算例場景為：有軌電車以16.5 km/h的速度左轉(zhuǎn)通過平交路口，與左側(cè)以40 km/h速度直行的乘用車發(fā)生碰撞，碰撞發(fā)生后兩車均采取緊急制動。根據(jù)碰撞位置設(shè)定碰撞工況，如圖1所示。

2 有軌電車與乘用車斜向碰撞響應(yīng)分析

2. 1 碰撞變形及乘員生存空間

圖1中，工況1和工況2下有軌電車與乘用車發(fā)生“鉆碰”，有軌電車吸能裝置及底架結(jié)構(gòu)侵入乘用車發(fā)動機機倉；工況3下乘用車沿有軌電車側(cè)滑一段距離后發(fā)生實質(zhì)碰撞，隨后與有軌電車分離。各工況下的碰撞變形如圖2所示。

圖1 有軌電車與乘用車碰撞工況

3種工況下乘用車引擎蓋均發(fā)生嚴重變形并侵入擋風(fēng)玻璃。其中工況1、工況2下乘用車發(fā)動機在有軌電車前端結(jié)構(gòu)的擠壓下整體后移并侵入駕駛座，嚴重影響乘員逃生救援，具體情況見表1。而有軌電車承載結(jié)構(gòu)基本無塑性變形，乘員生存空間未受影響。

表1 乘用車乘員生存空間侵害指標 mm

圖2 各工況下有軌電車與乘用車碰撞變形圖

2. 2 動力學(xué)響應(yīng)

各工況下的碰撞界面力變化如圖3所示。碰撞位置越靠前，碰撞界面力上升越快且峰值越大，特別針對于縱向表現(xiàn)更為明顯；“鉆碰”導(dǎo)致工況1、工況2垂向碰撞界面力顯著高于工況3。

圖3 各工況下的碰撞界面力變化曲線圖

碰撞加速度能有效反映乘員遭受二次傷害的概率[13]。碰撞中，Tc1直接承受沖擊載荷，響應(yīng)較為劇烈;M、Tc2經(jīng)車之間的緩沖，響應(yīng)較為平緩。通過對Tc1進行碰撞分析得到：隨著碰撞位置后移，縱向加速度的波動和峰值逐漸減??；各工況橫向加速度差異不大，工況3略??；工況1和工況2因“鉆碰”導(dǎo)致垂向加速度較大。Tc1各向加速度響應(yīng)與碰撞界面力緊密相關(guān)，加速度響應(yīng)隨碰撞位置前移而不斷加劇，縱向和垂向加速度變化特別顯著。Tc1縱向和垂向加速度變化如圖4所示。

(1)

(2)

式中：

a——瞬時加速度；

T——碰撞時間，即碰撞從開始到結(jié)束的時間；

圖4 Tc1縱向和垂向加速度變化曲線

t——時間。

表2為乘用車縱向加速度指標。由表2可知，工況1和工況2的加速度響應(yīng)較為接近，均顯著高于工況3。

表2 乘用車縱向加速度指標 m/s2

速度變化是反映車輛間相對位置關(guān)系的重要指標。碰撞中，工況1和工況2下兩車出現(xiàn)卡接，速度變化趨勢基本一致；工況3乘用車發(fā)生側(cè)滑，而后與有軌電車趨向分離。工況3下乘用車與有軌電車碰撞中車速變化如圖5所示。

圖5 工況3下有軌電車及乘用車碰撞中的車速變化圖

2. 3 碰撞能量

在乘用車與有軌電車碰撞的3種工況下，碰撞能量變化趨勢相同，68%以上的碰撞能量以摩擦形式耗散，其中輪軌摩擦占80%以上；車輛結(jié)構(gòu)塑性變形吸能僅25%，其中乘用車端部結(jié)構(gòu)貢獻最大。有軌電車僅司機室頭罩變形吸能，吸能裝置幾乎未發(fā)揮作用；乘用車前端結(jié)構(gòu)吸能較多，但吸能容量明顯不足。不同位置處的碰撞能量見表3。

表3 乘用車與有軌電車不同位置處的碰撞能量 kJ

2. 4 有軌電車脫軌安全性

碰撞事故中，由脫軌產(chǎn)生的二次傷害不容忽視。文獻[11]提出了一種簡單而有效的方法，即通過車輪抬升量來判斷和評價列車脫軌行為。

工況1中，車端1#轉(zhuǎn)向架所有車輪的抬升量均遠超輪緣高度(22 mm)，車輪完全脫離了軌道約束導(dǎo)致脫軌。車輪抬升量變化如圖6所示。

圖6 工況1下車端1#轉(zhuǎn)向架車輪抬升量變化圖

工況1中乘用車發(fā)生“鉆碰”，有軌電車在慣性作用下沿乘用車前端發(fā)生“類爬車”，垂向力達200 kN，Tc1前端連帶1#轉(zhuǎn)向架被抬起，繼而在橫向力的作用下發(fā)生脫軌。

工況2中，1#轉(zhuǎn)向架左側(cè)車輪抬升量短時超過22 mm，而后回到安全位置，雖未發(fā)生脫軌，但潛在風(fēng)險較大。工況2中的輪對抬升過程與工況1類似，但情況較為輕微，故未發(fā)生脫軌。工況1和工況2中有軌電車其他車輪抬升量均小于10 mm。值得注意的是，工況1和工況2中1#轉(zhuǎn)向架左側(cè)(受撞擊側(cè))車輪抬升量均大于右側(cè)，故Tc1產(chǎn)生明顯側(cè)傾。

工況3中，乘用車沿有軌電車發(fā)生側(cè)滑，未發(fā)生“鉆碰”，對有軌電車的垂向作用力較小，故所有車輪抬升量均不超過10 mm，無脫軌風(fēng)險。

3 有軌電車與乘用車斜向碰撞相容性分析

碰撞相容性問題是不同結(jié)構(gòu)車輛間碰撞事故出現(xiàn)乘員傷亡的重要原因之一[12]。

3. 1 有軌電車與乘用車的質(zhì)量比

據(jù)統(tǒng)計，有人員死亡的交通事故中，小質(zhì)量車輛的乘員死亡率高達80%，碰撞能量絕大部分由質(zhì)量和剛度均較小的車輛吸收[13]。根據(jù)公式Fmax=m1amax1=m2amax2，在碰撞界面力相同的情況下，amax與質(zhì)量m成反比。本文所選取的有軌電車與乘用車的質(zhì)量比為25.57，因乘用車最大加速度數(shù)倍于有軌電車，故乘用車乘員受傷概率大大增加。

3. 2 有軌電車與乘用車的等效剛度比

通過等效剛度換算[12]得知：乘用車前端等效剛度k1=32.40 N/cm2，當(dāng)其均勻全面地發(fā)生碰撞接觸時阻抗力為400 kN；有軌電車前端吸能裝置穩(wěn)態(tài)力為600 kN，因其結(jié)構(gòu)斷面較小，等效剛度k2=238.66 N/cm2。由此可知兩車前端結(jié)構(gòu)等效剛度比為7.37，根據(jù)公式Fmax=k1dmax1=k2dmax2，結(jié)構(gòu)最大變形量(dmax)與等效剛度成反比。因此本文所選取的算例中，乘用車端部結(jié)構(gòu)發(fā)生大幅變形；而有軌電車吸能裝置變形極小，承載結(jié)構(gòu)幾乎未損傷。

3. 3 端部幾何形狀

有軌電車吸能裝置位置較高且剛度較大，與乘用車嚴重不匹配，因此極易侵入乘用車并導(dǎo)致出現(xiàn)“鉆碰”和“類爬車”等現(xiàn)象。

乘用車與有軌電車的質(zhì)量、剛度和幾何形狀嚴重不匹配，這對乘用車乘員生存、乘用車變形、有軌電車脫軌及碰撞能量分配等均產(chǎn)生了不利影響。因此有軌電車被動安全性設(shè)計應(yīng)充分考慮其他道路車輛的影響，建議在有軌電車前端設(shè)置鉆碰防護裝置或亞吸能結(jié)構(gòu)，并注重其剛度和幾何形狀的匹配。

4 結(jié)論

(1) 初始碰撞位置對有軌電車和乘用車的碰撞響應(yīng)影響巨大，隨著碰撞位置前移，有軌電車脫軌風(fēng)險急劇增加，乘用車破壞程度也越發(fā)嚴重，乘員受傷概率隨之增大。

(2) 乘用車在與有軌電車的碰撞中處于極不利的地位，在碰撞中往往會造成車體結(jié)構(gòu)嚴重變形。

(3) 有軌電車和乘用車前端結(jié)構(gòu)不能滿足斜向碰撞的安全需求，極易出現(xiàn)“鉆碰”和“類爬車”等現(xiàn)象。

(4) 碰撞相容性不佳是造成乘用車變形嚴重、乘員生存空間受侵和有軌電車脫軌的重要原因。有軌電車設(shè)置鉆碰防護裝置或亞吸能結(jié)構(gòu)將是改善其與乘用車碰撞相容性的有效手段。