機(jī)車車輛車鉤緩沖裝置及吸能裝置的耐撞性研究

王晉樂，田愛琴，趙士忠，車全偉

(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)

0 引言

機(jī)車作為牽引或推送鐵路車輛運(yùn)行的自推進(jìn)車輛，是鐵路運(yùn)輸不可或缺的重要工具，以歐美為代表的發(fā)達(dá)國家早在20世紀(jì)80年代就開始對(duì)鐵路機(jī)車的碰撞安全性研究進(jìn)行了大量的投入，并陸續(xù)制定了如歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN12663[1]、互通互聯(lián)技術(shù)規(guī)范(TSI)[2]、EN15227[3]，美國強(qiáng)制性法規(guī)49CFR229[4]、49CFR238[5]等一系列相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，促進(jìn)了車輛設(shè)計(jì)的改進(jìn).

我國近些年各高等院校以及各科研院所也相繼開展了對(duì)鐵路車輛的耐碰撞安全性研究[6- 12]，由于鐵路車輛發(fā)生事故的嚴(yán)重程度，例如7.23甬溫線事故，促使軌道交通裝備的被動(dòng)安全性能被突出到了一個(gè)非常重要的地位，各主機(jī)廠開發(fā)的高鐵、動(dòng)車組、地鐵及輕軌車輛的設(shè)計(jì)大都要求參照國外的標(biāo)準(zhǔn)，如EN12663、EN15227等.可是由于機(jī)車車體碰撞安全性設(shè)計(jì)所涉及問題的復(fù)雜性和研究所需投入費(fèi)用的巨大，在我國鐵路機(jī)車的設(shè)計(jì)中，雖然針對(duì)機(jī)車車體結(jié)構(gòu)、車鉤緩沖裝置以及吸能裝置獨(dú)立的應(yīng)用有了一定深入的研究，但是，系統(tǒng)、綜合性地研究機(jī)車的耐碰撞設(shè)計(jì)，仍然處于初級(jí)階段.

鑒于此，本文通過對(duì)機(jī)車車輛的車鉤緩沖裝置和吸能裝置進(jìn)行深入研究，建立了詳細(xì)的機(jī)車車輛車體結(jié)構(gòu)非線性動(dòng)力學(xué)有限元模型，對(duì)該電力機(jī)車的耐碰撞性能進(jìn)行系統(tǒng)的仿真驗(yàn)證.

1 機(jī)車車輛耐撞性能研究方法

目前研究機(jī)車車輛耐撞性的研究方法主要有理論研究、實(shí)物試驗(yàn)和數(shù)值仿真三種[13].其中理論研究只能在宏觀上進(jìn)行分析，通常它必須與實(shí)物試驗(yàn)和數(shù)值仿真結(jié)合在一起.實(shí)物試驗(yàn)涉及試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集和處理，要用到大量傳感器和數(shù)臺(tái)高速攝像機(jī)，其試驗(yàn)準(zhǔn)備工作是十分費(fèi)時(shí)的.另外，碰撞試驗(yàn)屬于破壞性試驗(yàn)，試驗(yàn)所需費(fèi)用也是比較昂貴的.

近年來，隨著有限元理論和計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)值仿真的準(zhǔn)確性也在逐步提高，仿真模型從過去的單節(jié)粗網(wǎng)格半車模型、單節(jié)細(xì)網(wǎng)格半車模型到如今的多節(jié)細(xì)網(wǎng)格半車模型、多節(jié)細(xì)網(wǎng)格整車模型，其發(fā)展速度相當(dāng)迅速.同時(shí)，考慮到國內(nèi)各主機(jī)廠及各科研院所均尚未能開展機(jī)車車輛相關(guān)的實(shí)物碰撞試驗(yàn)，本文采用數(shù)值仿真方法對(duì)機(jī)車車輛進(jìn)行耐撞性研究.

2 機(jī)車車輛有限元模型的建立

2.1 車鉤緩沖裝置及吸能裝置

車鉤緩沖裝置是機(jī)車的重要部件，它的用途是實(shí)現(xiàn)機(jī)車與車輛連接或分離列車，具有連接、牽引和緩沖的作用，主要由車鉤、緩沖器及車鉤復(fù)原裝置三個(gè)部分組成，其中緩沖器是決定車鉤緩沖裝置性能的關(guān)鍵部件，需要有足夠的吸能容量和較高的沖擊能量吸收率(一般不小于75%)，足夠的強(qiáng)度和耐久性.[14]

本文使用的緩沖器型號(hào)為QKX100彈性膠泥緩沖器，其主要技術(shù)參數(shù)如下[15]：①?zèng)_擊速度：≥10 km/h；②行程：≤83 mm；③能量吸收率：≥80%；④最大阻抗力：≤2 500 kN；⑤初壓力：≤150 kN.

為了準(zhǔn)確模擬本文所使用的QKX100彈性膠泥緩沖器，在建立車鉤緩沖器有限元模型時(shí)，采用了COMBI165離散梁(彈簧-阻尼)單元，并通過賦予LS-DYNA中的119#類型材料(MAT_GENERAL_NONLINEAR_6DOF_DISCRETE_BEAM)來進(jìn)行模擬.LS-DYNA中的119#類型材料是一種非常通用的彈簧—阻尼材料，建模時(shí)通過設(shè)置準(zhǔn)確的緩沖器加載、卸載特性曲線(如圖1所示，某緩沖器廠商提供的QKX100彈性膠泥緩沖器動(dòng)態(tài)F-S特征曲線)，可以準(zhǔn)確的模擬出該緩沖器在碰撞過程各時(shí)刻的力學(xué)特性以及能量的吸收情況，是一種非常理想的模擬方式.

圖1 車鉤緩沖器動(dòng)態(tài)F-S特征曲線圖

車鉤緩沖裝置及吸能裝置的安裝方式及其有限元模型如圖2所示.

圖2 車鉤緩沖裝置及吸能裝置的實(shí)體模型及其有限元模型

車鉤緩沖裝置有限元模型如圖3所示，由兩個(gè)剛性體和四個(gè)離散梁單元構(gòu)成.其中，選擇四個(gè)梁單元來模擬QKX100彈性膠泥緩沖器，以使模型在受壓時(shí)能夠均勻受力，使計(jì)算更穩(wěn)定.車鉤緩沖裝置的壓縮行程為83 mm，車鉤肩與沖擊座之間的距離為133 mm，在緩沖器行程全部結(jié)束且碰撞盒變形50 mm后，車鉤即與沖擊座產(chǎn)生碰撞，該車鉤緩沖裝置的物理特性即在碰撞過程中的動(dòng)作循序得到了很好的體現(xiàn).

圖3 車鉤緩沖裝置有限元模型

吸能裝置安裝于機(jī)車每端車鉤箱的后部[16]，每車鉤箱后部各安裝有兩個(gè)吸能裝置，一節(jié)機(jī)車共安裝了四個(gè)吸能裝置.其中每個(gè)吸能裝置又均由一個(gè)碰撞盒和一個(gè)導(dǎo)向銷構(gòu)成，由于碰撞盒的前端不能與車鉤從板完全接觸，導(dǎo)向桿的導(dǎo)向作用對(duì)于該吸能裝置至關(guān)重要，本文如圖4所示，將導(dǎo)向銷與碰撞盒使用rigid(一種剛性桿單元)進(jìn)行剛性聯(lián)接來模擬二者的焊接關(guān)系，且碰撞盒和導(dǎo)向銷都用了實(shí)體單元來模擬，其物理特性亦得到了很好的體現(xiàn).

圖4 吸能裝置有限元模型

2.2 車體結(jié)構(gòu)有限元模型的建立

本文在建立機(jī)車車體有限元模型時(shí)，凡是直徑不小于30 mm的孔都沒有簡化，微機(jī)柜、主變流柜、信號(hào)柜等大于100 kg的車上、車下以及車內(nèi)設(shè)備都單獨(dú)通過質(zhì)量點(diǎn)單元MASS166進(jìn)行模擬，緊固排障器及變壓器等大型設(shè)備的螺栓部件都通過BEAM161梁單元準(zhǔn)確模擬，此外，對(duì)有限元模型的網(wǎng)格質(zhì)量也要求極高，經(jīng)過認(rèn)真的建模工作，最終的有限元模型如圖5所示.模型中三角形單元的數(shù)量不超過總單元數(shù)量的1%，且無錯(cuò)誤及警告單元.

圖5 機(jī)車車體有限元模型

材料方面，車體鋼結(jié)構(gòu)承載部件選用S355J2G4低合金高強(qiáng)度鋼材料，側(cè)墻蒙皮選用S275J2G4材料.計(jì)算時(shí)需要定義各材料的密度，楊氏模量，泊松比，屈服強(qiáng)度，切線模量，其參數(shù)如表1所示.

表1 車體結(jié)構(gòu)主要部位材質(zhì)的力學(xué)性能參數(shù)

3 機(jī)車車輛耐撞性仿真分析

為驗(yàn)證該機(jī)車車鉤緩沖裝置及吸能裝置的耐碰撞性能，運(yùn)用LS-DYNA軟件，設(shè)置如圖6所示，一節(jié)機(jī)車以10 km/h速度撞擊剛性墻這可以充分釋放機(jī)車前端吸能結(jié)構(gòu)耐撞性能的碰撞場景，進(jìn)行仿真計(jì)算.

圖6 機(jī)車撞擊剛性墻碰撞場景

仿真結(jié)果表明，在機(jī)車撞擊剛性墻的碰撞過程中，車鉤緩沖裝置首先發(fā)生接觸、變形并開始吸收部分能量，當(dāng)吸能裝置界面力增大至其變形觸發(fā)力后，吸能裝置也逐步開始變形并參與吸收能量，該工況的碰撞模擬過程總結(jié)如表2所示,變形圖如圖7所示.

表2 碰撞模擬時(shí)間表

圖7 機(jī)車端部吸能裝置變形圖

碰撞過程中，能量的轉(zhuǎn)換情況如圖8所示，內(nèi)能的詳細(xì)分配情況如圖9所示，機(jī)車車體結(jié)構(gòu)應(yīng)變圖如圖10所示.機(jī)車共吸收能量265.499 kJ，主要由車鉤緩沖裝置(103.340 kJ)和吸能裝置(87.563 kJ)所吸收，車鉤緩沖裝置及吸能裝置很好的發(fā)揮了其吸能作用，碰撞結(jié)束后最大應(yīng)變產(chǎn)生于車體結(jié)構(gòu)中部的轉(zhuǎn)向架牽引支座處，且僅為局部微小變形，車體主體結(jié)構(gòu)并無明顯塑性變形發(fā)生，該機(jī)車是一個(gè)具有良好多級(jí)能量耗散系統(tǒng)的耐碰撞車體結(jié)構(gòu).

圖8機(jī)車碰撞能量-時(shí)間曲線圖9機(jī)車各部件吸能量-時(shí)間曲線

圖10機(jī)車車體結(jié)構(gòu)應(yīng)變圖

4 結(jié)論

本文以某機(jī)車為載體，以提高模擬精度與計(jì)算效率為目標(biāo)，重點(diǎn)對(duì)機(jī)車車輛碰撞仿真分析時(shí)車鉤緩沖裝置及吸能裝置的模擬方法進(jìn)行研究，得到如下主要結(jié)論：

(1)使用剛性體與離散梁單元對(duì)機(jī)車車鉤緩沖裝置進(jìn)行詳細(xì)有限元建模，可以準(zhǔn)確模擬出該車鉤緩沖裝置的吸能特性及其物理特性;

(2)吸能裝置中碰撞盒及其導(dǎo)向銷的焊接關(guān)系模擬有效且該導(dǎo)向銷確實(shí)發(fā)揮了預(yù)期的導(dǎo)向作用，碰撞盒的塑性變形穩(wěn)定、有序，該吸能裝置的吸能性能是較為良好的;

(3)碰撞過程中的能量主要由車鉤緩沖裝置和吸能裝置所吸收，車鉤緩沖裝置和吸能裝置的吸能性能對(duì)機(jī)車耐撞性能至關(guān)重要;

(4)該機(jī)車是一個(gè)具有良好多級(jí)能量耗散系統(tǒng)的耐撞擊車體結(jié)構(gòu).

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[4]49 CFR 229.Railroad Locomotive Safety Standard[S]．US:Federal Railroad Administration,2011.

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