有軌電車(chē)與乘用車(chē)斜向碰撞的安全性及相容性分析*

任 陽(yáng) 肖守訥 朱 濤 楊皓杰

(中鐵工程服務(wù)有限公司設(shè)計(jì)研究院，610015，成都//第一作者，碩士研究生)

隨著有軌電車(chē)應(yīng)用日益廣泛，亟待開(kāi)展其與乘用車(chē)碰撞的相關(guān)研究。文獻(xiàn)[1]針對(duì)美國(guó)新澤西州低地板有軌電車(chē)給出了耐碰撞性要求。文獻(xiàn)[2]認(rèn)為有軌電車(chē)耐碰撞設(shè)計(jì)應(yīng)考慮其他道路參與者的安全。文獻(xiàn)[3]通過(guò)試驗(yàn)手段研究了有軌電車(chē)端部吸能結(jié)構(gòu)與乘用車(chē)的碰撞。我國(guó)軌道車(chē)輛碰撞研究起步較晚，主要集中于對(duì)鐵路干線(xiàn)列車(chē)和地鐵列車(chē)的研究。文獻(xiàn)[4-5]對(duì)城市軌道交通車(chē)輛及其端部吸能裝置進(jìn)行了大量仿真研究，其結(jié)論對(duì)有軌電車(chē)碰撞安全性研究具有一定的借鑒意義。文獻(xiàn)[6-7]參照EN 15227中的相關(guān)場(chǎng)景對(duì)有軌電車(chē)的碰撞被動(dòng)安全性能進(jìn)行了研究。目前，國(guó)內(nèi)針對(duì)有軌電車(chē)與乘用車(chē)的碰撞研究較少。

1 有軌電車(chē)與乘用車(chē)斜向碰撞場(chǎng)景設(shè)計(jì)

事故統(tǒng)計(jì)[8-9]顯示，有軌電車(chē)與乘用車(chē)的碰撞事故占有軌電車(chē)總事故的比例高達(dá)46.00%～64.37%，且多發(fā)于有轉(zhuǎn)向沖突的平交路口。本文選用的算例場(chǎng)景為：有軌電車(chē)以16.5 km/h的速度左轉(zhuǎn)通過(guò)平交路口，與左側(cè)以40 km/h速度直行的乘用車(chē)發(fā)生碰撞，碰撞發(fā)生后兩車(chē)均采取緊急制動(dòng)。根據(jù)碰撞位置設(shè)定碰撞工況，如圖1所示。

2 有軌電車(chē)與乘用車(chē)斜向碰撞響應(yīng)分析

2. 1 碰撞變形及乘員生存空間

圖1中，工況1和工況2下有軌電車(chē)與乘用車(chē)發(fā)生“鉆碰”，有軌電車(chē)吸能裝置及底架結(jié)構(gòu)侵入乘用車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)倉(cāng)；工況3下乘用車(chē)沿有軌電車(chē)側(cè)滑一段距離后發(fā)生實(shí)質(zhì)碰撞，隨后與有軌電車(chē)分離。各工況下的碰撞變形如圖2所示。

圖1 有軌電車(chē)與乘用車(chē)碰撞工況

3種工況下乘用車(chē)引擎蓋均發(fā)生嚴(yán)重變形并侵入擋風(fēng)玻璃。其中工況1、工況2下乘用車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)在有軌電車(chē)前端結(jié)構(gòu)的擠壓下整體后移并侵入駕駛座，嚴(yán)重影響乘員逃生救援，具體情況見(jiàn)表1。而有軌電車(chē)承載結(jié)構(gòu)基本無(wú)塑性變形，乘員生存空間未受影響。

表1 乘用車(chē)乘員生存空間侵害指標(biāo) mm

圖2 各工況下有軌電車(chē)與乘用車(chē)碰撞變形圖

2. 2 動(dòng)力學(xué)響應(yīng)

各工況下的碰撞界面力變化如圖3所示。碰撞位置越靠前，碰撞界面力上升越快且峰值越大，特別針對(duì)于縱向表現(xiàn)更為明顯；“鉆碰”導(dǎo)致工況1、工況2垂向碰撞界面力顯著高于工況3。

圖3 各工況下的碰撞界面力變化曲線(xiàn)圖

碰撞加速度能有效反映乘員遭受二次傷害的概率[13]。碰撞中，Tc1直接承受沖擊載荷，響應(yīng)較為劇烈;M、Tc2經(jīng)車(chē)之間的緩沖，響應(yīng)較為平緩。通過(guò)對(duì)Tc1進(jìn)行碰撞分析得到：隨著碰撞位置后移，縱向加速度的波動(dòng)和峰值逐漸減?。桓鞴r橫向加速度差異不大，工況3略小；工況1和工況2因“鉆碰”導(dǎo)致垂向加速度較大。Tc1各向加速度響應(yīng)與碰撞界面力緊密相關(guān)，加速度響應(yīng)隨碰撞位置前移而不斷加劇，縱向和垂向加速度變化特別顯著。Tc1縱向和垂向加速度變化如圖4所示。

(1)

(2)

式中：

a——瞬時(shí)加速度；

T——碰撞時(shí)間，即碰撞從開(kāi)始到結(jié)束的時(shí)間；

圖4 Tc1縱向和垂向加速度變化曲線(xiàn)

t——時(shí)間。

表2為乘用車(chē)縱向加速度指標(biāo)。由表2可知，工況1和工況2的加速度響應(yīng)較為接近，均顯著高于工況3。

表2 乘用車(chē)縱向加速度指標(biāo) m/s2

速度變化是反映車(chē)輛間相對(duì)位置關(guān)系的重要指標(biāo)。碰撞中，工況1和工況2下兩車(chē)出現(xiàn)卡接，速度變化趨勢(shì)基本一致；工況3乘用車(chē)發(fā)生側(cè)滑，而后與有軌電車(chē)趨向分離。工況3下乘用車(chē)與有軌電車(chē)碰撞中車(chē)速變化如圖5所示。

圖5 工況3下有軌電車(chē)及乘用車(chē)碰撞中的車(chē)速變化圖

2. 3 碰撞能量

在乘用車(chē)與有軌電車(chē)碰撞的3種工況下，碰撞能量變化趨勢(shì)相同，68%以上的碰撞能量以摩擦形式耗散，其中輪軌摩擦占80%以上；車(chē)輛結(jié)構(gòu)塑性變形吸能僅25%，其中乘用車(chē)端部結(jié)構(gòu)貢獻(xiàn)最大。有軌電車(chē)僅司機(jī)室頭罩變形吸能，吸能裝置幾乎未發(fā)揮作用；乘用車(chē)前端結(jié)構(gòu)吸能較多，但吸能容量明顯不足。不同位置處的碰撞能量見(jiàn)表3。

表3 乘用車(chē)與有軌電車(chē)不同位置處的碰撞能量 kJ

2. 4 有軌電車(chē)脫軌安全性

碰撞事故中，由脫軌產(chǎn)生的二次傷害不容忽視。文獻(xiàn)[11]提出了一種簡(jiǎn)單而有效的方法，即通過(guò)車(chē)輪抬升量來(lái)判斷和評(píng)價(jià)列車(chē)脫軌行為。

工況1中，車(chē)端1#轉(zhuǎn)向架所有車(chē)輪的抬升量均遠(yuǎn)超輪緣高度(22 mm)，車(chē)輪完全脫離了軌道約束導(dǎo)致脫軌。車(chē)輪抬升量變化如圖6所示。

圖6 工況1下車(chē)端1#轉(zhuǎn)向架車(chē)輪抬升量變化圖

工況1中乘用車(chē)發(fā)生“鉆碰”，有軌電車(chē)在慣性作用下沿乘用車(chē)前端發(fā)生“類(lèi)爬車(chē)”，垂向力達(dá)200 kN，Tc1前端連帶1#轉(zhuǎn)向架被抬起，繼而在橫向力的作用下發(fā)生脫軌。

工況2中，1#轉(zhuǎn)向架左側(cè)車(chē)輪抬升量短時(shí)超過(guò)22 mm，而后回到安全位置，雖未發(fā)生脫軌，但潛在風(fēng)險(xiǎn)較大。工況2中的輪對(duì)抬升過(guò)程與工況1類(lèi)似，但情況較為輕微，故未發(fā)生脫軌。工況1和工況2中有軌電車(chē)其他車(chē)輪抬升量均小于10 mm。值得注意的是，工況1和工況2中1#轉(zhuǎn)向架左側(cè)(受撞擊側(cè))車(chē)輪抬升量均大于右側(cè)，故Tc1產(chǎn)生明顯側(cè)傾。

工況3中，乘用車(chē)沿有軌電車(chē)發(fā)生側(cè)滑，未發(fā)生“鉆碰”，對(duì)有軌電車(chē)的垂向作用力較小，故所有車(chē)輪抬升量均不超過(guò)10 mm，無(wú)脫軌風(fēng)險(xiǎn)。

3 有軌電車(chē)與乘用車(chē)斜向碰撞相容性分析

碰撞相容性問(wèn)題是不同結(jié)構(gòu)車(chē)輛間碰撞事故出現(xiàn)乘員傷亡的重要原因之一[12]。

3. 1 有軌電車(chē)與乘用車(chē)的質(zhì)量比

據(jù)統(tǒng)計(jì)，有人員死亡的交通事故中，小質(zhì)量車(chē)輛的乘員死亡率高達(dá)80%，碰撞能量絕大部分由質(zhì)量和剛度均較小的車(chē)輛吸收[13]。根據(jù)公式Fmax=m1amax1=m2amax2，在碰撞界面力相同的情況下，amax與質(zhì)量m成反比。本文所選取的有軌電車(chē)與乘用車(chē)的質(zhì)量比為25.57，因乘用車(chē)最大加速度數(shù)倍于有軌電車(chē)，故乘用車(chē)乘員受傷概率大大增加。

3. 2 有軌電車(chē)與乘用車(chē)的等效剛度比

通過(guò)等效剛度換算[12]得知：乘用車(chē)前端等效剛度k1=32.40 N/cm2，當(dāng)其均勻全面地發(fā)生碰撞接觸時(shí)阻抗力為400 kN；有軌電車(chē)前端吸能裝置穩(wěn)態(tài)力為600 kN，因其結(jié)構(gòu)斷面較小，等效剛度k2=238.66 N/cm2。由此可知兩車(chē)前端結(jié)構(gòu)等效剛度比為7.37，根據(jù)公式Fmax=k1dmax1=k2dmax2，結(jié)構(gòu)最大變形量(dmax)與等效剛度成反比。因此本文所選取的算例中，乘用車(chē)端部結(jié)構(gòu)發(fā)生大幅變形；而有軌電車(chē)吸能裝置變形極小，承載結(jié)構(gòu)幾乎未損傷。

3. 3 端部幾何形狀

有軌電車(chē)吸能裝置位置較高且剛度較大，與乘用車(chē)嚴(yán)重不匹配，因此極易侵入乘用車(chē)并導(dǎo)致出現(xiàn)“鉆碰”和“類(lèi)爬車(chē)”等現(xiàn)象。

乘用車(chē)與有軌電車(chē)的質(zhì)量、剛度和幾何形狀嚴(yán)重不匹配，這對(duì)乘用車(chē)乘員生存、乘用車(chē)變形、有軌電車(chē)脫軌及碰撞能量分配等均產(chǎn)生了不利影響。因此有軌電車(chē)被動(dòng)安全性設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮其他道路車(chē)輛的影響，建議在有軌電車(chē)前端設(shè)置鉆碰防護(hù)裝置或亞吸能結(jié)構(gòu)，并注重其剛度和幾何形狀的匹配。

4 結(jié)論

(1) 初始碰撞位置對(duì)有軌電車(chē)和乘用車(chē)的碰撞響應(yīng)影響巨大，隨著碰撞位置前移，有軌電車(chē)脫軌風(fēng)險(xiǎn)急劇增加，乘用車(chē)破壞程度也越發(fā)嚴(yán)重，乘員受傷概率隨之增大。

(2) 乘用車(chē)在與有軌電車(chē)的碰撞中處于極不利的地位，在碰撞中往往會(huì)造成車(chē)體結(jié)構(gòu)嚴(yán)重變形。

(3) 有軌電車(chē)和乘用車(chē)前端結(jié)構(gòu)不能滿(mǎn)足斜向碰撞的安全需求，極易出現(xiàn)“鉆碰”和“類(lèi)爬車(chē)”等現(xiàn)象。

(4) 碰撞相容性不佳是造成乘用車(chē)變形嚴(yán)重、乘員生存空間受侵和有軌電車(chē)脫軌的重要原因。有軌電車(chē)設(shè)置鉆碰防護(hù)裝置或亞吸能結(jié)構(gòu)將是改善其與乘用車(chē)碰撞相容性的有效手段。