地鐵列車司機(jī)室前端結(jié)構(gòu)耐撞性研究*

李少方， 侯本虎， 朱 濤， 肖守訥

(1 中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司， 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)城市軌道交通的快速發(fā)展，為方便人口流動(dòng)以及滿足人們的日常工作需求，地鐵已成為人們生活和工作必不可少的一部分。特別是在大城市，客流量相對(duì)龐大，地鐵運(yùn)行的安全性受到了人們高度的重視，特別是在人口密集的市區(qū)中，更是不能忽視，地鐵列車一旦發(fā)生碰撞事故，將帶來(lái)無(wú)法彌補(bǔ)的巨大災(zāi)難[1]。在客運(yùn)軌道車輛被動(dòng)安全防護(hù)技術(shù)研究領(lǐng)域，歐洲標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)(CEN)頒布的EN 15227標(biāo)準(zhǔn)描述了軌道車輛在設(shè)計(jì)、運(yùn)營(yíng)、試驗(yàn)?zāi)酥潦鹿拾l(fā)生時(shí)對(duì)車體耐撞性的要求[2]；王文斌等人建立了列車耐碰撞系統(tǒng)有限元和多體動(dòng)力學(xué)聯(lián)合仿真策略[3]；田紅旗等人依照第2類Lagrange方程建立了列車撞擊動(dòng)力學(xué)方程，模擬列車車輛的撞擊吸能情況[4]；肖守訥等人建立了列車縱向和垂向碰撞動(dòng)力學(xué)耦合模型，利用不同材料模擬司機(jī)室前端吸能裝置來(lái)研究其耐撞性，研究了高速列車和地鐵列車在不同碰撞條件下列車輛的碰撞條件下列車輛的碰撞性能[5]；兆文忠和陳秉智等人研究車體安裝假人的條件下，鋁合金車體的二次碰撞以及前端結(jié)構(gòu)抗碰撞性優(yōu)化設(shè)計(jì)[6]。

目前大多的文獻(xiàn)和研究人員以歐標(biāo)EN 15227來(lái)評(píng)價(jià)和研究列車的耐撞性，但其中針對(duì)地鐵列車的只要求在標(biāo)準(zhǔn)(AW0載荷+坐席乘客質(zhì)量的50%)工況下車輛結(jié)構(gòu)滿足耐撞性要求。AW0載荷是指車輛處于空載狀態(tài)，但對(duì)于目前中國(guó)大城市地鐵的日運(yùn)客量，特別是上下班高峰期以及節(jié)假日期間，只研究標(biāo)準(zhǔn)載客的耐碰撞性，已不能滿足目前地鐵列車對(duì)耐撞性的要求，故有必要對(duì)地鐵列車在超載狀態(tài)下的碰撞安全性進(jìn)行研究。

以某地鐵列車為例，建立地鐵列車有限元模型以及列車動(dòng)力學(xué)方程，模擬超載工況下(即：9人/m2)地鐵列車耐碰撞性能[7]，在此基礎(chǔ)上，對(duì)被動(dòng)列車施加停放制動(dòng)，研究列車在該載荷狀態(tài)下的損壞情況，以及與不施加制動(dòng)的對(duì)比結(jié)果，分析地鐵列車的吸能特性和司乘人員的安全問(wèn)題。

1 數(shù)學(xué)模型和理論方程的建立

列車碰撞是一個(gè)涉及結(jié)構(gòu)非線性，接觸非線性，彈塑性非線性等復(fù)雜的非線性大變形問(wèn)題。文中建立了某地鐵列車頭車和中間車完整的有限元模型，模擬兩列6節(jié)編組列車在直線軌道上的正面碰撞。表1為筆者給出的3種不同碰撞條件下的分析工況。

根據(jù)(AW0、AW1、AW2、AW3)的要求對(duì)空車車輛、坐席車輛、定員車輛、超員車輛的規(guī)定，文中除車體本身固有的質(zhì)量外，其余質(zhì)量(包括乘客和物品)均是通過(guò)建立質(zhì)量點(diǎn)均分在車體底架上來(lái)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

表1 工況計(jì)算匯總表

為了對(duì)比的準(zhǔn)確性，3種工況下主動(dòng)車的速度均按照(25 km/h)來(lái)進(jìn)行模擬，數(shù)學(xué)模型(圖1)和動(dòng)力學(xué)方程如式(1)～式(4)[8]：

圖1 列車碰撞模型圖

主動(dòng)車輛：

(1)

(2)

被動(dòng)車輛：

(3)

(4)

式中mi代表每輛車的質(zhì)量(主動(dòng)車輛從A6至A1，i=1,2…6；被動(dòng)車輛從B1至B6,i=7,8…12)；ci代表車鉤緩沖器的阻尼；ki代表車鉤緩沖器的剛度，(i=1,2,3…n);fa代表主動(dòng)列車的輪軌摩擦系數(shù)；fb代表被動(dòng)列車的輪軌摩擦系數(shù)；

式中Fmi代表每輛車所受摩擦力；Fi代表界面力的大小；fd代表動(dòng)摩擦系數(shù)；fs代表靜摩擦系數(shù)。

2 有限元模型及動(dòng)力學(xué)參數(shù)的建立

2.1 有限元模型的建立

根據(jù)某地鐵列車的三維實(shí)體模型建立列車碰撞有限元模型，車輛車體采用由底架、側(cè)墻、車頂、端墻、司機(jī)室(僅Tc車有)等構(gòu)成的薄壁筒形整體承載結(jié)構(gòu)，除司機(jī)室前端骨架采用不銹鋼材料外，其他車體結(jié)構(gòu)均采用鋁合金材料，其中司機(jī)室外部由玻璃鋼罩組成(這里不予模擬)。

該模型按其規(guī)定定義密度、彈性模量、泊松比、屈服應(yīng)力和材料屈服后硬化的有效應(yīng)力應(yīng)變曲線等性能。通過(guò)定義車體模型與轉(zhuǎn)向架模型間正確的連接關(guān)系以及建立各車輛有限元模型間鉤緩裝置進(jìn)行耦合關(guān)聯(lián)，最終形成連掛列車。

對(duì)于6節(jié)編組的列車碰撞，相關(guān)研究表明[10]：列車大部分碰撞動(dòng)能主要靠前兩節(jié)車吸收，因此為提高計(jì)算效率，列車頭車及第1節(jié)中間車建立完整的有限元力學(xué)模型，其余車輛用剛體代替。

仿真模型考慮了地鐵列車在碰撞過(guò)程中的頭車前端結(jié)構(gòu)和防爬吸能裝置之間的碰撞沖擊接觸，輪軌之前的面面接觸，轉(zhuǎn)向架自身的接觸和頭車前端結(jié)構(gòu)在碰撞壓塑過(guò)程中的自身接觸等[11]。列車主要的模型連接，以及輪軌接觸如圖2所示。

圖2 有限元模型圖

2.2 動(dòng)力學(xué)仿真參數(shù)

為區(qū)分標(biāo)準(zhǔn)載荷列車和超員載荷列車在其載客上面的不同，表2列出了仿真計(jì)算中的車輛質(zhì)量；有關(guān)第Ⅲ種工況，被動(dòng)列車的停放制動(dòng)，從摩擦學(xué)的觀點(diǎn)來(lái)看，車輛的驅(qū)動(dòng)與制動(dòng)所需要的輪軌的摩擦小(在鐵路上稱為黏著)，在低速、干燥條件下，鐵路鋼輪與鋼軌之間的黏著系數(shù)為0.3～0.5；在遇到降雨時(shí)，黏著系數(shù)會(huì)減小[12]，文中模擬列車在低速干燥條件下的運(yùn)行情況，被動(dòng)列車施加的摩擦系數(shù)取0.3。

表2 配重列表 t

3 3種工況碰撞對(duì)比分析

3.1 司機(jī)室前端壓潰區(qū)壓縮量

根據(jù)上述信息，建立完整的有限元模型，導(dǎo)入LS-DYNA軟件中進(jìn)行仿真計(jì)算，在碰撞過(guò)程中，各主動(dòng)車輛由初速度(25 km/h)撞擊靜止的同類型同配置的被動(dòng)列車，主動(dòng)列車逐步減速，而各被動(dòng)車輛則由靜止逐步加速，當(dāng)仿真結(jié)果的速度曲線交匯以及碰撞能量吸收和剩余動(dòng)能數(shù)值平穩(wěn)時(shí)，視為碰撞結(jié)束。工況Ⅰ仿真時(shí)間0.85 s，工況Ⅱ仿真時(shí)間0.9 s，工況Ⅲ仿真時(shí)間1 s，頭車車鉤和司機(jī)室前端防爬吸能裝置均充分吸收能量，隨后司機(jī)室前端結(jié)構(gòu)發(fā)生碰撞，如圖3～圖6表現(xiàn)了司機(jī)室前端壓潰區(qū)的碰撞結(jié)果。

圖3 定員工況碰撞初始時(shí)刻

圖4 定員工況碰撞結(jié)束時(shí)刻

圖5 超載工況碰撞結(jié)束時(shí)刻(無(wú)制動(dòng))

圖6 超載工況碰撞結(jié)束時(shí)刻(有制動(dòng))

圖7為被動(dòng)列車司機(jī)室前端壓潰區(qū)的長(zhǎng)度與時(shí)間之間的關(guān)系，隨著載客量的增加，被動(dòng)列車司機(jī)室受壓越來(lái)越嚴(yán)重其縱向最大受壓距離分別為：58.67，284.99，452.86 mm。受壓的被動(dòng)車壓潰區(qū)是司機(jī)安全的最后一道屏障，在超載狀態(tài)下，被動(dòng)列車壓潰區(qū)基本已被侵占，452.86 mm的壓潰距離也逐漸逼近壓潰的極限600 mm。

圖7 壓潰區(qū)縱向長(zhǎng)度變化量與時(shí)間特性曲線

3.2 司機(jī)室前端吸能

在列車碰撞過(guò)程中，主動(dòng)列車在初始動(dòng)能的驅(qū)使下向前推進(jìn)，首先頭車車鉤壓縮吸能，隨后剪斷并失效，接著防爬吸能裝置嚙合并切削吸能，同時(shí)產(chǎn)生熱量(很少，忽略不計(jì))，在防爬器壓縮大約180 mm(單個(gè)總行程650 mm)行程后，車體結(jié)構(gòu)開(kāi)始接觸，在3種工況下，在司機(jī)室前端產(chǎn)生碰撞后的最大界面力均為2 100 N左右，此時(shí)，防爬器和車體前端結(jié)構(gòu)同時(shí)作用吸能。其能量吸收情況如表3所示，司機(jī)室前端壓縮距離與吸能百分比的對(duì)比情況如表4所示。

表3 列車碰撞能量吸收及耗散表

表4 列車碰撞能量吸收及耗散表

在列車碰撞過(guò)程中，撞擊界面的吸能量占主要部分，頭車車鉤的行程和阻抗力都是一致的，防爬吸能裝置的前180 mm也是在不同工況中吸能一致的，只有在司機(jī)室結(jié)構(gòu)接觸后，吸能才有所區(qū)別，其中第Ⅰ種工況，按照對(duì)地鐵列車的一般要求，標(biāo)準(zhǔn)載荷條件下的碰撞對(duì)于司機(jī)室前端的壓潰區(qū)結(jié)構(gòu)基本沒(méi)有影響，到碰撞結(jié)束時(shí)最大壓縮量是58.67 mm，當(dāng)載荷加大，到達(dá)超員載荷時(shí)，壓縮距離逐漸加大，大約是總行程的一半， 最大壓縮距離284.99 mm，在此基礎(chǔ)上在被動(dòng)列車施加停放制動(dòng)，其碰撞程度達(dá)到最惡劣，司機(jī)室前端壓潰區(qū)壓縮距離逼近極限值，最大壓縮距離452.86 mm，其前端對(duì)應(yīng)的吸能距離660.65 mm(結(jié)構(gòu)壓潰后也需有一定的容量空間)也逼近極限壓縮吸能容量。

4 結(jié) 論

基于建立的某地鐵列車碰撞有限元模型，分析了在標(biāo)準(zhǔn)工況載荷，超員載荷以及施加停放制動(dòng)的超員載荷這3種工況下，司機(jī)室前端的壓潰破壞和列車整體能量吸收情況，得出以下結(jié)論；

(1) 在標(biāo)準(zhǔn)載荷和超員載荷下主動(dòng)車以初速度(25 km/h)撞擊同類靜止無(wú)制動(dòng)的被動(dòng)列車，兩種工況下司乘人員均為安全，而且司機(jī)室前端壓潰區(qū)還有可供壓縮的空間來(lái)保護(hù)司機(jī)室空間不受破壞；超員載荷下，司機(jī)室前端所被壓縮的距離是標(biāo)準(zhǔn)條件下的5倍左右。

(2) 在同等初速的撞擊條件下，被動(dòng)車施加停放制動(dòng)時(shí)，撞擊的結(jié)果更為嚴(yán)重，司機(jī)室前端的車鉤和防爬吸能裝置均走完全程，被動(dòng)車司機(jī)室前端的壓潰區(qū)幾乎被全部壓潰，幾乎是司機(jī)室前端壓潰吸能的極限，在工況Ⅲ條件下，若再次加大速度即會(huì)對(duì)司機(jī)室空間產(chǎn)生威脅。

在地鐵運(yùn)營(yíng)高峰期列車超員是很常見(jiàn)的現(xiàn)象，通過(guò)對(duì)3種工況的對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)超員載荷條件下列車的碰撞安全性研究很有必要，以此評(píng)價(jià)所設(shè)計(jì)車輛結(jié)構(gòu)的碰撞安全性，降低碰撞事故中的生命和財(cái)產(chǎn)損失。

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