高速動車組碰撞安全性研究*

聶天琦，任尊松，孫守光，楊 光

（北京交通大學機械與電子控制工程學院，北京100044）

高速動車組碰撞安全性研究*

聶天琦，任尊松，孫守光，楊 光

（北京交通大學機械與電子控制工程學院，北京100044）

2011年7月國內(nèi)發(fā)生了兩列動車組追尾碰撞事故?；诙囿w動力學理論，運用SIMPACK軟件建立了兩列高速動車組多體系統(tǒng)動力學模型。采用數(shù)值方法對兩列8節(jié)編組動車組碰撞過程進行了分析和研究。獲得了不同速度碰撞工況下列車各車輛的沖擊加速度、各個碰撞界面沖擊力、碰撞行程、各輪對輪重減載率等參數(shù)的變化規(guī)律，實現(xiàn)了對高速動車組不同碰撞工況下安全性評估。結果表明，列車以較低速度碰撞時，鉤緩裝置和吸能結構可保護車廂主體不變形；當碰撞速度較高時，車廂主體受到破壞，乘客空間遭到侵入，且列車安全性指標超過相應限定值。

高速動車組；碰撞；安全性；動力學模型

隨著鐵路科技發(fā)展，軌道車輛運行速度不斷提高。車速提高后，一旦發(fā)生列車碰撞事故，將造成嚴重的乘客傷亡，使得事故后果更為嚴重。如何對碰撞事故中車輛沖擊振動和安全進行定量分析，以及如何最大程度地保護乘客的安全并將碰撞事故造成的損失降到最小，是當今軌道交通領域的研究熱點之一。有鑒于此，以列車系統(tǒng)動力學為理論基礎，通過仿真手段對列車碰撞過程進行研究，得到列車碰撞的參數(shù)特性，將有助于指導車輛安全防護裝置的設計與配置，對保護旅客的生命財產(chǎn)安全有重要的意義。

美國Volpe國家運輸系統(tǒng)中心通過調(diào)查2002年加州普拉森提亞市發(fā)生的列車碰撞事故，并采用ADAMS軟件建模仿真，提出了改進旅客防護和提高列車結構耐撞性的方法［1］。英國謝菲爾德大學采用有限元法，在LS-D Y N A中對兩輛帶駕駛室的車輛碰撞進行了仿真，找到車輛結構的薄弱環(huán)節(jié)從而提高其耐撞性［2］。日本的Yasushi Ujita建立了動車組列車端部結構的有限元模型，對列車中間車輛端部碰撞等非常規(guī)載荷情況進行了仿真，并以此對列車結構強度進行了評估［3］。韓國成均館大學采用拓撲優(yōu)化技術，設計了一種提高碰撞吸能效果的端部車輛框架結構，并與現(xiàn)有的框架結構進行了耐撞性對比［4］。

目前國內(nèi)關于列車碰撞的研究主要集中在采用有限元方法進行車輛耐碰撞性分析，獲得碰撞部位的結構變形和應力大小，而對于車輛動力學方面主要集中于采用車輛動力學及列車動力學原理研究列車在正常工況下（如牽引、制動和過曲線等）的動力學性能，關于整列車碰撞的動力學仿真的研究較少。何文佳等［5］使用Hypermesh軟件建立了國內(nèi)某B型地鐵車輛的有限元模型，并應用LS-DYNA軟件進行了碰撞分析，分別得到了能量、車鉤力和加速度的關系曲線；陳秉智［6］采用PAM-CRASH軟件，對CRH3動車組碰撞剛性墻進行了仿真，并引入假人模型，對碰撞造成的人員傷害進行了分析；王文斌［7］提出了一種基于有限元和多體動力學進行列車耐碰撞系統(tǒng)設計的聯(lián)合仿真方法，實現(xiàn)了對列車碰撞安全性能的優(yōu)化，但僅針對某型地鐵做了低速碰撞研究。

根據(jù)列車動力學原理，采用機械系統(tǒng)運動學、動力學仿真分析軟件SIMPACK軟件建立了完備的高速列車整車動力學模型，擬對兩列8輛編組的列車進行碰撞過程仿真，得到列車碰撞過程中的沖擊加速度、緩沖吸能裝置沖擊力、碰撞行程以及輪重減載率等參數(shù)，并對列車碰撞安全性進行了評估。

1　列車碰撞過程

一般地，鐵道車輛車端耐撞性結構包括有車鉤緩沖器、壓潰管和安全剪切裝置和車端碰撞吸能結構等［8］。緩沖器的作用是緩和并衰減列車在運行中產(chǎn)生的沖擊力，但在兩列車碰撞速度較高時，車鉤緩沖器無法承受和吸收碰撞產(chǎn)生的全部沖擊力和能量，為彌補緩沖器吸收能量的能力不足，可以在車鉤一端連接壓潰管，通過壓潰管的不可恢復形變來吸收碰撞產(chǎn)生的能量。安全剪切裝置是對底架的過載保護，當剪切裝置作用后，車鉤與底架脫離。車端碰撞吸能結構是吸收碰撞能量的關鍵部位，它的結構強度比車廂部分弱，一旦發(fā)生碰撞，車端吸能結構首先產(chǎn)生變形，吸收大部分碰撞產(chǎn)生的能量，以保護車廂不被壓縮，保證乘客的生存空間不被侵入［］。

列車碰撞的過程可以分為如下幾個階段：兩列車碰撞時，兩列車的車鉤首先自動連接，車鉤緩沖裝置吸收部分沖擊能量；當緩沖器受力超過一定范圍時，安全剪切裝置將車鉤緩沖器與車底架完全脫離；車鉤緩沖器與底架脫離后，兩列車間應保有一定自由間隙，此時兩列車間沒有作用力；兩列車繼續(xù)相對運動，間隙消失，兩列車二次相撞，車端碰撞吸能結構發(fā)生塑性變形，吸收大部分碰撞能量；若吸能結構的行程被完全壓縮且碰撞能量仍未被全部吸收，則車輛的客車車廂結構發(fā)生塑性變形，此過程將對司機及乘客的生存空間造成侵害。因此，應盡量使車鉤緩沖裝置及車端碰撞吸能結構吸收碰撞產(chǎn)生的全部能量，避免客車車廂變形。

2　動車組鉤緩裝置特性

2011年7月，國內(nèi)兩列動車組發(fā)生了追尾碰撞，前列車為CRH1型動車組，后列車為CRH2型動車組。

CRH1型動車組和CRH2型動車組的車端鉤緩裝置分別采用了福伊特公司的Scharfenberg車鉤和柴田式車鉤［10］。由于前端車鉤裝置和中間車鉤裝置的運用工況不同，因此兩種車鉤的結構和性能也不同，緩沖器的型式與特性也有一定區(qū)別。CRH1型動車前端采用自動車鉤，中間采用半永久性車鉤，兩種車鉤采用的都是橡膠緩沖器，但每個半永久車鉤都帶有1個壓潰管來提高吸收能量的能力。CRH2型動車端部采用全自動車鉤，中間采用半自動車鉤，兩種車鉤的緩沖裝置均為W形橡膠緩沖器，但兩者的性能參數(shù)有較大差別。表1給出了各型車鉤緩沖器的性能參數(shù)，這些參數(shù)在建立車鉤模型中得到體現(xiàn)。

表1　CRH1及CRH2型動車組緩沖器性能參數(shù)

3　列車碰撞動力學模型建立

建立了完整的兩列8節(jié)編組列車動力學模型。模型中，每一車輛為完整的三維空間動力學模型，涵蓋其所有主體部件如車體、構架、軸箱以及輪對等的垂向、橫向和縱向自由度。輪軌關系以及其他約束關系在模型中得到了充分體現(xiàn)，各結構和懸掛參數(shù)均按照真實車輛數(shù)據(jù)設置。前車的緩沖特性按照CRH1的鉤緩裝置設置，后車的緩沖特性按照CRH2的鉤緩裝置設置。車輛間的車鉤緩沖裝置采用力元模擬，并將緩沖器的力—行程曲線及車體吸能結構的特性曲線作為輸入函數(shù)賦予各車輛間連接力元。實際碰撞發(fā)生時多以追尾形式發(fā)生。因此模擬過程中，后列車以一定速度向前行駛，與前方列車發(fā)生碰撞。碰撞過程中，各車輛及分界面編號如圖1所示。

圖1　列車碰撞模型示意圖

4　列車碰撞動力學仿真結果

4.1中低速碰撞結果

當后列車以20 km/h的速度與前方靜止的列車發(fā)生碰撞時，兩列車的沖擊加速度、縱向沖擊力、碰撞行程與時間的關系曲線如圖2～圖4所示。碰撞車輛各分界面的最大縱向沖擊力、最大碰撞行程及吸能結構破壞情況如表2所示。由于兩列車的特性較為相似，因此圖中只列出了分界面1～8的沖擊力和碰撞行程曲線。各車輛界面的碰撞行程即相鄰車輛前端接觸點的相對位移，包括鉤緩裝置、壓潰管及車體變形的行程，用來判斷車輛各吸能裝置及車廂主體變形。

由此可見，兩列車各車輛的沖擊加速度、縱向沖擊力、碰撞行程均由碰撞分界面向外逐漸減?。浑S車輛間繼續(xù)相對運動，各界面的沖擊力達到最大值后發(fā)生卸載，各界面的碰撞行程達到最大值后也逐漸減??；兩列車的最大沖擊加速度發(fā)生在8車與9車，分別為51.8 m/s2和52.5 m/s2；前列車的各車輛最大沖擊加速度、最大縱向沖擊力總體上略小于后列車各車輛。前列車中間鉤緩裝置帶有行程350 mm的壓潰管，吸收了絕大部分碰撞產(chǎn)生的能量，因此分界面10～15的碰撞行程均未超出壓潰管的變形極限，只有分界面9壓潰管被壓縮至極限，吸能結構發(fā)生約101 mm變形。后列車鉤緩裝置無壓潰管，分界面1～7的碰撞行程均超出緩沖器的彈性行程，各車輛的吸能結構均受到不同程度的壓縮。在碰撞分界面8處，兩車的端部緩沖器均壓縮至極限，兩車吸能結構總壓縮量為324 mm，各車廂主體結構均未被破壞。進一步仿真計算發(fā)現(xiàn)，當列車碰撞速度達到54 km/h時，車廂主體開始發(fā)生變形，并進一步影響乘客安全性。

圖2　碰撞速度為20 km/h時的加速度—時間歷程

圖3　沖擊力時間歷程（20 km/h）

圖4　碰撞行程時間歷程（20 km/h）

總體上，當碰撞速度相對較低時（不超過54 km/h），前列車及后列車動車組的鉤緩裝置和吸能結構均能保護車廂主體不發(fā)生變形。前車動車組的鉤緩裝置由于裝有350 mm行程的壓潰管，對列車碰撞的保護優(yōu)于后車動車組的鉤緩裝置。

4.2高速碰撞結果

依據(jù)相關事故調(diào)查報告，2011年國內(nèi)動車組追尾事故發(fā)生時，前列車速度為16 km/h，后列車緊急制動后碰撞瞬間速度約為100 km/h。為此，這里模擬計算了這一碰撞工況，圖5～圖7給出了相應的沖擊加速度、縱向沖擊力、碰撞行程與時間的關系曲線。碰撞車輛各分界面的最大縱向沖擊力、最大碰撞行程、吸能結構與車廂主體變形情況如表2所示。

表2　沖擊力及碰撞行程

由此可見，與中低速沖擊類似，高速碰撞時兩列車各車輛的沖擊加速度、縱向沖擊力、碰撞行程也由碰撞分界面向外逐漸減??；最大沖擊加速度發(fā)生在前列車尾車和后列車頭車，分別為158.0 m/s2和157.5 m/s2；前列車的各車輛最大沖擊加速度、最大縱向沖擊力總體小于后列車各車輛；隨車輛間繼續(xù)相對運動，車輛間沖擊力達到最大值后發(fā)生卸載，各界面車輛間碰撞行程達到最大值后開始下降，第6、7、8、9、10分界面碰撞行程均超出各自吸能結構的變形極限，車廂主體受到破壞，其中分界面6車廂主體共被壓縮392 mm，分界面7車廂主體共被壓縮1 460 mm，分界面8兩車車廂主體共被壓縮2 399 mm，分界面9兩車廂主體共被壓縮1 360 mm，分界面10兩車廂主體共被壓縮322 mm，表明在高速碰撞下，兩列車的鉤緩裝置及吸能結構不足以保護車廂不被破壞，該工況下兩列車各有3節(jié)車廂主體產(chǎn)生變形；由于緩沖器性能差異，前列車各車廂變形程度優(yōu)于后列車各車廂變形程度，見表3。

圖5　加速度時間歷程

圖6　沖擊力時間歷程

圖7　碰撞行程時間歷程

表3　兩車追尾時的碰撞特性

圖8是8車3位車軸1號車輪與9車2位車軸4號車輪的輪重減載率曲線。根據(jù)《高速試驗列車動力車強度及動力學性能規(guī)范》（95J 01-L）規(guī)定，動態(tài)輪重減載率的標準值為0.8［11］。這兩個車輪的輪重減載率分別達到0.88和0.87，超出了安全限值。

圖8　輪重減載率

5　結 論

在建立完整的兩列車三維動力學模型和緩沖器模型基礎上，本文對兩列車中低速和高速追尾碰撞動力性能進行了研究，結果表明：

（1）國內(nèi)后列動車組以較低速度（不大于54 km/h）與靜止的前列動車組碰撞時，鉤緩裝置和車端吸能結構能夠吸收全部碰撞產(chǎn)生的能量，能夠保護車廂主體不被破壞，乘客區(qū)域不被侵入。

（2）兩列車高速追尾碰撞時，兩列車的吸能結構均被壓縮至極限，車廂主體受到破壞，且沖擊加速度大，對乘客安全性造成嚴重影響。

（3）兩列動車組高速碰撞時，距碰撞界面較近車輪的輪重減載率超過了安全限值，列車運行安全性受到嚴重影響。

［1］ D Parent，D Tyrell，A B Perlman.Crash worthiness analysis of the Placentia，CA rail collision［J］.nternational Journal of Crash-worthiness，2004，9（5）：527-534.

［2］ X Xue，F(xiàn) Schmid，R A Smith.A study of modelling approaches for rail vehicle collision behaviour［J］.International Journal of Crash worthiness，2004，9（5）：515-525.

［3］ Yasushi Ujita.Evaluation of Strength of End Structures in Intermediate Rolling Stock of a Train During Train Collision Accidents［J］.QR of RTRI，2014，1（55）：14-19.

［4］ HyunJun Kim，Hoon Cho，HyunSeung，Tae-Soo Kwon，Myung-Won Suh.Crash worthiness design and evaluation on the leading-cab structure of rolling stock using topology optimization［J］.Internatonal Journal of Precision Engineering and Manufacturing，2009，10（2）：79-85.

［5］ 何文佳，岳譯新，陳 瑩.基于LS-D Y N A的城軌列車碰撞分析［J］.技術與市場，2013，20（5）：87-88.

［6］ 陳秉智，楊慧芳，兆文忠.高速動車組碰撞仿真研究［J］.大連交通大學學報，2011，32（1）：11-16.

［7］ 王文斌，康 康，趙洪倫.列車耐碰撞系統(tǒng)有限元和多體動力學聯(lián)合仿真［J］.同濟大學學報（自然科學版），2011，39（10）：1552-1556.

［8］ Lu G..Collision behavior of crash worthy vehicles in rakes［J］.Journal of Rail and Rapid Transit，1999，213：143-160.

［9］ G Simic，V Lucanin，D Milkovic.Elements of passive safety of railway vehicles in collision［J］.International Journal of Crash-worthiness，2006，11（4）：357-369.

［10］ 李瑞淳.動車組車鉤緩沖裝置統(tǒng)型研究［J］.城市軌道交通研究，2013，16（8）：64-69.

［11］ 任尊松.車輛動力學基礎［M］.北京：中國鐵道出版社，2009.

Research on Collision Safety of High-speed EMU

NIE Tianqi，REN Zunsong，SUN Shouguang，YANG Guang
（School of Mechanical，Electronic and Control Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China）

In July，2011，a train crash took place in China.Based on multi-body dynamics theory，two multi-body system dynamics models of high-speed train are built.The collision process of two 8 EMUs is analyzed and researched by numerical approach.Impact accelerations of each car，impact forces and displacements of each collision interface and rates of wheel load reduction of each wheel set under different velocity impact conditions are obtained.The simulation results show that coupler buffers and energy absorbers are capable of protecting the carriages from deforming when two trains collide at low speed.When the collision speed is high，the carriages are damaged，survival space for passengers is invaded and the trains are at high risk of derailment.

high-speed EMU；collision；security；dynamics model

U266.11

A doi：10.3969/j.issn.1008-7842.2015.04.03

1008-7842（2015）04-0011-05

*國家自然科學基金（51175032、U1134201）；國家基礎研究發(fā)展計劃（973計劃，2011CD711104）。

9—）男，碩士研究生（

2015-01-26）