機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

(中車青島四方機車車輛股份有限公司 技術中心，山東 青島 266111)

0 引言

機車作為牽引或推送鐵路車輛運行的自推進車輛，是鐵路運輸不可或缺的重要工具，以歐美為代表的發(fā)達國家早在20世紀80年代就開始對鐵路機車的碰撞安全性研究進行了大量的投入，并陸續(xù)制定了如歐洲標準EN12663[1]、互通互聯(lián)技術規(guī)范(TSI)[2]、EN15227[3]，美國強制性法規(guī)49CFR229[4]、49CFR238[5]等一系列相關標準，促進了車輛設計的改進.

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

鑒于此，本文通過對機車車輛的車鉤緩沖裝置和吸能裝置進行深入研究，建立了詳細的機車車輛車體結構非線性動力學有限元模型，對該電力機車的耐碰撞性能進行系統(tǒng)的仿真驗證.

1 機車車輛耐撞性能研究方法

目前研究機車車輛耐撞性的研究方法主要有理論研究、實物試驗和數值仿真三種[13].其中理論研究只能在宏觀上進行分析，通常它必須與實物試驗和數值仿真結合在一起.實物試驗涉及試驗數據的采集和處理，要用到大量傳感器和數臺高速攝像機，其試驗準備工作是十分費時的.另外，碰撞試驗屬于破壞性試驗，試驗所需費用也是比較昂貴的.

近年來，隨著有限元理論和計算機技術的快速發(fā)展，數值仿真的準確性也在逐步提高，仿真模型從過去的單節(jié)粗網格半車模型、單節(jié)細網格半車模型到如今的多節(jié)細網格半車模型、多節(jié)細網格整車模型，其發(fā)展速度相當迅速.同時，考慮到國內各主機廠及各科研院所均尚未能開展機車車輛相關的實物碰撞試驗，本文采用數值仿真方法對機車車輛進行耐撞性研究.

2 機車車輛有限元模型的建立

2.1 車鉤緩沖裝置及吸能裝置

車鉤緩沖裝置是機車的重要部件，它的用途是實現機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、緩沖器及車鉤復原裝置三個部分組成，其中緩沖器是決定車鉤緩沖裝置性能的關鍵部件，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%)，足夠的強度和耐久性.[14]

本文使用的緩沖器型號為QKX100彈性膠泥緩沖器，其主要技術參數如下[15]：①沖擊速度：≥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，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，建模時通過設置準確的緩沖器加載、卸載特性曲線(如圖1所示，某緩沖器廠商提供的QKX100彈性膠泥緩沖器動態(tài)F-S特征曲線)，可以準確的模擬出該緩沖器在碰撞過程各時刻的力學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，由兩個剛性體和四個離散梁單元構成.其中，選擇四個梁單元來模擬QKX100彈性膠泥緩沖器，以使模型在受壓時能夠均勻受力，使計算更穩(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束且碰撞盒變形50 mm后，車鉤即與沖擊座產生碰撞，該車鉤緩沖裝置的物理特性即在碰撞過程中的動作循序得到了很好的體現.

圖3 車鉤緩沖裝置有限元模型

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

圖4 吸能裝置有限元模型

2.2 車體結構有限元模型的建立

本文在建立機車車體有限元模型時，凡是直徑不小于30 mm的孔都沒有簡化，微機柜、主變流柜、信號柜等大于100 kg的車上、車下以及車內設備都單獨通過質量點單元MASS166進行模擬，緊固排障器及變壓器等大型設備的螺栓部件都通過BEAM161梁單元準確模擬，此外，對有限元模型的網格質量也要求極高，經過認真的建模工作，最終的有限元模型如圖5所示.模型中三角形單元的數量不超過總單元數量的1%，且無錯誤及警告單元.

圖5 機車車體有限元模型

材料方面，車體鋼結構承載部件選用S355J2G4低合金高強度鋼材料，側墻蒙皮選用S275J2G4材料.計算時需要定義各材料的密度，楊氏模量，泊松比，屈服強度，切線模量，其參數如表1所示.

表1 車體結構主要部位材質的力學性能參數

3 機車車輛耐撞性仿真分析

為驗證該機車車鉤緩沖裝置及吸能裝置的耐碰撞性能，運用LS-DYNA軟件，設置如圖6所示，一節(jié)機車以10 km/h速度撞擊剛性墻這可以充分釋放機車前端吸能結構耐撞性能的碰撞場景，進行仿真計算.

圖6 機車撞擊剛性墻碰撞場景

仿真結果表明，在機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如表2所示,變形圖如圖7所示.

表2 碰撞模擬時間表

圖7 機車端部吸能裝置變形圖

碰撞過程中，能量的轉換情況如圖8所示，內能的詳細分配情況如圖9所示，機車車體結構應變圖如圖10所示.機車共吸收能量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，碰撞結束后最大應變產生于車體結構中部的轉向架牽引支座處，且僅為局部微小變形，車體主體結構并無明顯塑性變形發(fā)生，該機車是一個具有良好多級能量耗散系統(tǒng)的耐碰撞車體結構.

圖8機車碰撞能量-時間曲線圖9機車各部件吸能量-時間曲線

圖10機車車體結構應變圖

4 結論

本文以某機車為載體，以提高模擬精度與計算效率為目標，重點對機車車輛碰撞仿真分析時車鉤緩沖裝置及吸能裝置的模擬方法進行研究，得到如下主要結論：

(1)使用剛性體與離散梁單元對機車車鉤緩沖裝置進行詳細有限元建模，可以準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向銷的焊接關系模擬有效且該導向銷確實發(fā)揮了預期的導向作用，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機車耐撞性能至關重要;

(4)該機車是一個具有良好多級能量耗散系統(tǒng)的耐撞擊車體結構.

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

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