地鐵車輛列車碰撞吸能方案研究

高雨

【摘要】隨著城市化腳步的不斷加快，一些中特大人口城市逐漸形成，為解決人口增加帶來的交通壓力，地鐵車輛由于其快速性、準(zhǔn)時(shí)性、安全性被廣泛應(yīng)用到城市交通運(yùn)輸中，與此同時(shí)，車輛運(yùn)行安全也被廣泛關(guān)注，被動(dòng)安全設(shè)計(jì)成為地鐵設(shè)計(jì)的首要設(shè)計(jì)要求，車輛通過增加吸能裝置來吸收車輛碰撞過程中產(chǎn)生的能量，文章根據(jù)某B型車被動(dòng)安全設(shè)計(jì)要求為例，根據(jù)一維能量分配軟件配置車輛吸能裝置參數(shù)，并根據(jù)三維碰撞分析驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可行性。

【關(guān)鍵詞】地鐵車輛；列車碰撞；吸能方案

一、引言

目前地鐵車輛廣泛采用車鉤緩沖裝置、防爬吸能裝置、車體結(jié)構(gòu)吸能等吸能裝置吸收車體碰撞過程中產(chǎn)生的能量，采用逐級(jí)吸能的方式以適應(yīng)不同碰撞速度下的吸能要求。以某6編組B型被動(dòng)安全設(shè)計(jì)要求為例，車輛要求25km/h碰撞下，車體客室不得有損壞，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，列車在各車輛間配置有EFG3型車鉤緩沖裝置并增加膨脹式壓潰管以滿足15km/h下的碰撞要求，通過配置在車體前端的防爬吸能裝置共同吸收25km/h下的碰撞能量。

二、車輛建模

（一）工況介紹

一列6編組整備列車以25km/h的速度撞擊另一列6編組車輛，兩車均處于無制動(dòng)狀態(tài)，列車碰撞示意圖如圖1所示，其中1-5為運(yùn)動(dòng)車各車輛間碰撞界面，7-11為靜止車各車輛間碰撞界面，6為兩列車碰撞界面。

（二）吸能裝置參數(shù)設(shè)置

各車輛間均配有帶EFG3型緩沖器的車鉤，并配有膨脹式壓潰管，在車輛首尾兩端配置有防爬吸能裝置，根據(jù)列車碰撞經(jīng)驗(yàn)，碰撞界面車鉤力最大，并在向后傳遞的過程中逐漸減弱，為了讓壓潰管更多地參與吸能，在各車輛間配置有不同觸發(fā)力的壓潰管，其中半永久車鉤采用階梯式壓潰管，根據(jù)一維能量分配軟件模擬，所有吸能裝置的配置參數(shù)如表1所示。

（三）車輛建模

利用HYPERMESH進(jìn)行網(wǎng)格劃分，有限元模型主要采用殼單元進(jìn)行劃分，焊縫通過梁單元來模擬，利用LS-DYNA進(jìn)行碰撞分析。

三、結(jié)果分析

一列25km/h的列車碰撞一列靜止的列車，當(dāng)碰撞界面頭車半自動(dòng)車鉤接觸時(shí)，認(rèn)為碰撞開始，當(dāng)兩列車共速時(shí)，認(rèn)為碰撞吸能結(jié)束，頭車半自動(dòng)車鉤壓潰管觸發(fā)，通過力的傳遞使后界面車鉤壓潰管逐級(jí)觸發(fā)，當(dāng)頭車半自動(dòng)車鉤走完全部行程后，剪切螺栓發(fā)生剪切，頭車半自動(dòng)車鉤回退，防爬吸能裝置接觸，繼續(xù)吸收剩余的能量。

如圖3所示，界面6車鉤力上升到570KN時(shí)，EFG3緩沖器開始?jí)嚎s變形，由于碰撞劇烈，緩沖器很快走完最大行程，車鉤力上升到950KN，壓潰管開始觸發(fā)，并在210ms時(shí)，壓潰管走完最大行程，頭車車鉤被剪切，防爬吸能裝置開始接觸繼續(xù)吸能；界面9中間半自動(dòng)車鉤，車鉤力波動(dòng)上升到570KN時(shí)，緩沖器開始觸發(fā)壓縮，由于力向后傳遞的衰減，緩沖器相對平穩(wěn)的走完行程后壓潰管開始觸發(fā)，從7、8、10、11界面半永久車鉤車鉤力曲線上可以看出，由于7、8界面靠近碰撞界面，在緩沖器壓縮完成后，車鉤力隨變截面壓潰管的逐級(jí)觸發(fā)而線性增加。而10、11界面由于距離碰撞界面較遠(yuǎn)，車鉤力未達(dá)到壓潰管的觸發(fā)力，只有緩沖器參與壓縮吸能。

由圖4可以看出，越靠近碰撞界面的界面車鉤觸發(fā)的行程越長，7、8、9界面壓潰管被觸發(fā)，第7界面共觸發(fā)了313mm行程、第8界面共觸發(fā)了280mm行程，第9界面共觸發(fā)了260mm行程，所有界面觸發(fā)行程均未超過許用最大行程。

當(dāng)頭鉤剪切后，防爬吸能裝置開始接觸參與吸能，其中吸能裝置最大壓縮行程為301mm，低于吸能裝置的最大許用行程，在整個(gè)吸能過程中，所有吸能裝置參與吸能，并能吸收碰撞過程中產(chǎn)生的所有能量。

四、結(jié)論

兩列6車編組的整備狀態(tài)下的列車以25km/h相對速度碰撞過程中，碰撞產(chǎn)生的能量均被吸能裝置吸收，乘客區(qū)無明顯塑性變形，符合被動(dòng)安全設(shè)計(jì)要求。

參考文獻(xiàn)

[1]王亞偉，劉曉亮，張士臣.地鐵車輛列車碰撞吸能方案研究[J].中國科技投資，2017（03）.