劉鵬飛，王晉樂，朱 濤

（1 中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司 技術(shù)中心，山東青島266111；2 西南交通大學(xué) 牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都610031）

隨著我國(guó)軌道交通產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，運(yùn)營(yíng)環(huán)境復(fù)雜、車輛種類眾多、運(yùn)營(yíng)速度等級(jí)差異大等特點(diǎn)日益突出。雖然主動(dòng)安全保護(hù)和被動(dòng)安全保護(hù)作為2種最重要的運(yùn)營(yíng)保障手段，在列車運(yùn)營(yíng)過程中時(shí)刻發(fā)揮著重要作用，但是列車碰撞安全事故仍時(shí)有發(fā)生。

目前車輛被動(dòng)安全的研究主要有理論計(jì)算、實(shí)際試驗(yàn)及仿真分析3種。理論計(jì)算可以得出車輛整體的動(dòng)力學(xué)性能，但是無法準(zhǔn)確得到某具體位置的力學(xué)響應(yīng)，而列車碰撞安全與端部結(jié)構(gòu)及吸能緩沖裝置關(guān)系密切［1］，因此純理論計(jì)算有一定的局限性。實(shí)際的部件級(jí)試驗(yàn)，其規(guī)模小、邊界條件簡(jiǎn)單，可在精度和經(jīng)濟(jì)間取得平衡［2］，但列車級(jí)試驗(yàn)于各方面都實(shí)現(xiàn)困難。仿真分析介于上述兩者之間，且現(xiàn)如今計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力足以得到滿足精度要求的近似解，因此仿真分析在碰撞研究中的應(yīng)用較為廣泛。

列車碰撞的有限元數(shù)值模擬以其經(jīng)濟(jì)便捷、操作性強(qiáng)、周期短和可重復(fù)性成為目前最常用的結(jié)構(gòu)耐撞性設(shè)計(jì)與驗(yàn)證手段之一，研究最多的是車體結(jié)構(gòu)耐撞性，包括：吸能元件設(shè)計(jì)與仿真［3］、結(jié)構(gòu)薄弱位置設(shè)計(jì)改進(jìn)［4］、碰撞能量管理［5］，以及乘員安全性［6］等。朱濤等對(duì)列車被動(dòng)安全進(jìn)行了系統(tǒng)的歸納，對(duì)現(xiàn)階段被動(dòng)安全研究的重點(diǎn)與難點(diǎn)進(jìn)行了指導(dǎo)性的評(píng)述與探討［7］。王卉子等研究了100%低地板有軌電車的同類列車碰撞、剛性障礙物碰撞響應(yīng)，為有軌電車的耐撞性設(shè)計(jì)提供了參考［8］。王晉樂等對(duì)機(jī)車的鉤緩裝置與吸能裝置的建模方法進(jìn)行了研究，對(duì)多級(jí)能量耗散機(jī)制與整車安全性能進(jìn)行了驗(yàn)證［1］。李少芳等對(duì)地鐵列車在重載條件下的碰撞響應(yīng)進(jìn)行了研究，提出在整車校核中考慮超員工況的可行性［9］。趙士忠等研究了碰撞過程中車體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)響應(yīng)和司乘人員所受傷害［10］。以上的研究集中針對(duì)一些車型的耐撞性指標(biāo)進(jìn)行仿真校核，指出改進(jìn)意見或綜合提出指導(dǎo)設(shè)計(jì)的方案。

由于列車碰撞仿真分析的快捷和可重復(fù)性，使得碰撞臨界速度確定成為可能。針對(duì)某型8輛可采用固定編組和重聯(lián)編組2種形式的列車，根據(jù)歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 15227-2008［11］的相關(guān)要求，對(duì)其臨界速度下的耐撞性進(jìn)行了校核，并針對(duì)編組形式對(duì)耐撞性的影響提出了指導(dǎo)性的意見。

1 列車碰撞場(chǎng)景與工況

1.1 列車編組

編組列車主要有2種形式：固定編組形式為“=MC1-R1-R2-M 2-M1-R1-R2-MC2=”；重聯(lián)編組形式為“=MC1-R1-R2-MC2=MC1-R1-R2-MC2=”。其中，MC為帶司機(jī)室的動(dòng)車，R為拖車，M為動(dòng)車，“=”代表全自動(dòng)車鉤；“-”代表半永久牽引桿。

1.2 碰撞工況確定

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)EN 15227-2008，通過前期對(duì)不同速度等級(jí)下的對(duì)撞試算分析，最終確定碰撞形式為：列車以42 km/h臨界工況速度撞擊另一列處于靜止無制動(dòng)狀態(tài)的同類列車，主、被動(dòng)列車同類型同配置，碰撞發(fā)生在直線軌道上，碰撞過程中兩車均未采取任何制動(dòng)措施，兩列車存在40 mm高度差。

注：基于前期一系列的計(jì)算，確定了編組地鐵列車臨界速度為42 km/h，遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的25 km/h，限于篇幅文中沒有具體給出其詳細(xì)的推導(dǎo)過程。

因此設(shè)計(jì)2個(gè)工況，即在碰撞形式不變的前提下，工況1為固定編組列車，如圖1所示；工況2為重聯(lián)編組列車，如圖2所示。

圖1 工況1碰撞場(chǎng)景示意圖（固定編組）

圖2 工況2碰撞場(chǎng)景示意圖（重聯(lián)編組）

2 碰撞仿真模型

2.1 車體結(jié)構(gòu)及參數(shù)

此編組列車主要為鋼結(jié)構(gòu)車體。主要由司機(jī)室、底架、側(cè)墻、端墻和頂蓋組成，使用的鋼材有4種，分別是EN1.4003+2B、Q355GNHD、Q345C、和Q310GNHD。車輛所用材料參數(shù)見表1。

表1 車體所用材料力學(xué)性能

列車頭尾端采用全自動(dòng)鉤緩裝置，列車內(nèi)部使用半永久鉤緩裝置，其中，半永久鉤緩裝置分為2種。車鉤緩沖裝置主要由緩沖器和壓潰管組成。車鉤緩沖裝置的詳細(xì)參數(shù)見表2~表4。

表2 全自動(dòng)鉤緩裝置參數(shù)

表4 半永久車鉤2參數(shù)

此外，頭車司機(jī)室端部?jī)蓚?cè)安裝有防爬吸能裝置，端部中央位置安裝有主吸能裝置。頭車二位端及中間車兩端均安裝有車間防爬吸能裝置。

表3 半永久車鉤1參數(shù)

2.2 有限元模型

基于車輛幾何模型、材料、設(shè)備布置及鉤緩特性等，建立詳細(xì)的列車碰撞有限元模型，其中頭車有限元模型如圖3所示。為了提高有限元模型的計(jì)算效率，將車體端部及防爬吸能、主吸能結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行了細(xì)化［9］。

圖3 頭車有限元模型

3 碰撞仿真分析結(jié)果

3.1 速度及加速度對(duì)比分析

假設(shè)碰撞仿真時(shí)間為1.6 s。列車在固定編組42 km/h對(duì)撞過程中，固定編組速度變化曲線如圖4所示，重聯(lián)編組速度變化曲線如圖5所示。由曲線看出，重聯(lián)編組的碰撞時(shí)間比固定編組更長(zhǎng)，且主、被動(dòng)車同速后其速度反向更為明顯。

圖4 固定編組車輛速度—時(shí)間曲線

圖5 重聯(lián)編組車輛速度—時(shí)間曲線

對(duì)于固定編組列車，列車縱向最大平均減速度值為3.44g，發(fā)生在主動(dòng)車MC1；對(duì)于重聯(lián)編組列車，列車縱向最大平均減速度值為3.24g，發(fā)生在主動(dòng)車R2。

3.2 碰撞界面響應(yīng)對(duì)比分析

固定編組列車在碰撞過程中，S8界面車鉤剪切失效，該界面車體前端結(jié)構(gòu)碰撞接觸，其他界面的各車端部均未發(fā)生接觸。界面S8的碰撞界面力—時(shí)間曲線如圖6所示。

圖6 固定編組S8界面碰撞界面力—時(shí)間曲線

重聯(lián)編組列車在碰撞過程中，S4、S8、S12界面車鉤剪切失效，相應(yīng)界面車體前端結(jié)構(gòu)碰撞接觸，其他界面各車端部均未發(fā)生接觸。S8界面力—時(shí)間曲線如圖7所示，S4、S12界面力—時(shí)間曲線如圖8所示。

圖7 重聯(lián)編組S8界面碰撞界面力—時(shí)間曲線

圖8 重聯(lián)編組S4、S12界面碰撞界面力—時(shí)間曲線

在S8界面上，固定和重聯(lián)編組的界面力級(jí)相差不大。重聯(lián)編組中重聯(lián)界面處，S4、S12界面力趨勢(shì)及大小基本無差別。固定編組S9界面，重聯(lián)編組S5、S11界面壓縮行程略微超出最大設(shè)計(jì)行程，但車鉤最大軸向力未超出車鉤最大壓潰力，因此車鉤并未發(fā)生剪切失效。各界面鉤緩變形量見表5。

表5 各界面車鉤緩沖裝置壓縮變形量

3.3 其他安全性指標(biāo)對(duì)比分析

該列車的頭車與中間車的一、二位端均設(shè)有防爬單元，其在碰撞過程中作用明顯。由結(jié)果可知，固定編組列車與重聯(lián)編組列車在防爬齒嚙合的前提下各車輛輪軌相對(duì)垂向位移均未同時(shí)超過100 mm，因此不會(huì)發(fā)生爬車情況。

固定編組碰撞結(jié)束時(shí)刻頭車結(jié)構(gòu)變形圖如圖9所示，重聯(lián)編組碰撞結(jié)束時(shí)刻頭車結(jié)構(gòu)變形圖如圖10所示，從圖9和圖10可以看出，碰撞結(jié)束時(shí)刻，2種編組形式的A1和B1車的防爬裝置相互嚙合，兩車的防爬齒后端的吸能裝置均未走完行程；主吸能裝置變形較小，其壓縮行程較短；同時(shí)A1和B1車司機(jī)室骨架結(jié)構(gòu)均發(fā)生了一定程度的塑性變形，其中B1車司機(jī)室的骨架結(jié)構(gòu)變形較明顯，客室結(jié)構(gòu)未發(fā)生塑性變形。能夠保證車輛的安全性。

圖9 固定編組碰撞結(jié)束時(shí)刻頭車結(jié)構(gòu)變形圖

圖10 重聯(lián)編組碰撞結(jié)束時(shí)刻頭車結(jié)構(gòu)變形圖

碰撞結(jié)束后，固定編組主動(dòng)車A1-A4車乘客區(qū)縱向生存空間的變化量分別為22.3 mm、24.5 mm、22.8 mm、25.9 mm，被動(dòng)車B1-B4車乘客區(qū)縱向生存空間的變化量分別為22.1 mm、18.9 mm、23.1 mm、14.9 mm；重聯(lián)編組主動(dòng)車A1-A4車乘客區(qū)縱向生存空間的變化量分別為24.8 mm、24.3 mm、16.7 mm、14.6 mm，被 動(dòng) 車B1-B4車乘客區(qū)縱向生存空間的變化量分別為21.1 mm、17.6 mm、19.5 mm、14.3 mm。重聯(lián)編組列車的生存空間縱向變形量相對(duì)固定編組略小，其原因重聯(lián)編組在其車體其他部位吸收了更多的能量。

固定編組列車碰撞初始動(dòng)能為27 324 kJ，碰撞結(jié)束后剩余動(dòng)能為13 625 kJ；碰撞過程中共吸收能量13 462 kJ，占初始動(dòng)能的49.27%；接觸面上耗散掉的滑移能為83.23 kJ；模型沙漏能為256 kJ。重聯(lián)編組列車碰撞初始動(dòng)能為27 455 kJ，碰撞結(jié)束后剩余動(dòng)能為13 701 kJ；碰撞過程中共吸收能量13 363 kJ，占初始動(dòng)能的49.77%；接觸面上耗散掉的滑移能為188.62 kJ；模型沙漏能為277.03 kJ。由于重量不同，重聯(lián)編組列車初始動(dòng)能略大于固定編組列車，且重聯(lián)編組列車的吸收能量占比也略大，其原因?yàn)橹芈?lián)處全自動(dòng)車鉤剪斷后，車體前端接觸吸收能量的效果更好。

4 結(jié)論

通過對(duì)編組列車在臨界碰撞速度下2種碰撞工況的仿真計(jì)算結(jié)果分析，表明在車輛端部（包括一位端和二位端）安裝防爬吸能裝置可有效防止列車爬車，同時(shí)顯著提高碰撞臨界安全速度。通過分析主要得到以下以下結(jié)論：

（1）當(dāng)碰撞初速度低于42 km/h時(shí)，列車耐撞性的各項(xiàng)指標(biāo)均在允許的范圍內(nèi)，該速度為碰撞臨界速度，該速度明顯高于標(biāo)準(zhǔn)EN 15227中規(guī)定25 km/h的校核性速度，說明車體結(jié)構(gòu)耐撞性設(shè)計(jì)具有較大的余量。

（2）42 km/h碰撞速度下，2種工況下列車的加速度、車體變形、輪對(duì)抬升量，以及能量變化等耐撞性考核指標(biāo)均滿足標(biāo)準(zhǔn)EN 15227的要求，相對(duì)于25 km/h校核性速度而言，該臨界碰撞安全速度對(duì)列車實(shí)際運(yùn)行安全性是十分重要的。

（3）相同初始速度下，重聯(lián)編組的列車碰撞性能略優(yōu)于固定編組列車，但重聯(lián)編組重聯(lián)處兩車體司機(jī)室處有不可恢復(fù)的塑性變形，由于碰撞導(dǎo)致的維護(hù)和修復(fù)成本更高，因此在實(shí)際的運(yùn)營(yíng)管理中應(yīng)適當(dāng)考慮該因素。

（4）使用重聯(lián)編組形式的列車，可在列車重聯(lián)處安裝較長(zhǎng)的吸能裝置，保證重聯(lián)處兩車輛在發(fā)生接觸前碰撞已經(jīng)結(jié)束，避免因司機(jī)室接觸變形帶來的不必要的經(jīng)濟(jì)損失。

通過對(duì)比分析臨界碰撞速度42 km/h下的列車耐撞性，表明列車在遠(yuǎn)高于25 km/h下仍具有良好的碰撞安全性；后續(xù)將深入研究不同結(jié)構(gòu)參數(shù)、不同車鉤緩沖裝置等對(duì)編組列車臨界速度的影響，為列車的耐撞性設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)支撐。