現(xiàn)代有軌電車車端系統(tǒng)配置 及耐撞性分析

高云峰 王建全 王俊

摘 要：介紹現(xiàn)代有軌電車車端系統(tǒng)的組成及主要參數(shù)，以某有軌電車為例，從豎曲線、平面曲線、吸能行程、位置關(guān)系幾個(gè)方面對(duì)車端系統(tǒng)各參數(shù)進(jìn)行校驗(yàn)和優(yōu)化。根據(jù) EN 15227-2008+A1-2010《鐵路應(yīng)用設(shè)施-鐵路車輛車身防撞性要求》，計(jì)算列車以 15km/h 速度與 1 列相同編組的靜止列車正面碰撞，以及列車以 25km/h 速度呈 45°角撞擊1 個(gè) 3t障礙物的 2 種碰撞情景下，列車碰撞過程中車體內(nèi)能及動(dòng)能、車輛速度及加速度等參數(shù)變化情況，驗(yàn)證車體的耐碰撞性和結(jié)構(gòu)完整性，并對(duì)碰撞計(jì)算存在的不足進(jìn)行探討，提出建議。

關(guān)鍵詞：現(xiàn)代有軌電車;車端系統(tǒng);吸能;碰撞

中圖分類號(hào)：U260.3

現(xiàn)代有軌電車車端系統(tǒng)位于有軌電車端部，是有軌電車的吸能和連掛系統(tǒng)，它的正確選型關(guān)系到整車的綜合運(yùn)行性能和安全性能。只有各參數(shù)合理匹配，才能保證各部件功能的正常發(fā)揮，而吸能結(jié)構(gòu)的合理碰撞壓塌失效順序是吸收更多的碰撞動(dòng)能為車內(nèi)乘客提供生存空間的關(guān)鍵所在。

1 車端系統(tǒng)組成

現(xiàn)代有軌電車車端系統(tǒng)主要由折疊車鉤、防爬吸能裝置、導(dǎo)流罩和開閉機(jī)構(gòu)4部分組成，如圖1所示。其主要功能為：①實(shí)現(xiàn)2列機(jī)車的正常連掛和發(fā)生故障時(shí)的救援連掛;②防止相撞車輛之間攀爬，吸收碰撞能量;③實(shí)現(xiàn)車輛外形的整體流線化。

1.1 折疊車鉤

現(xiàn)代有軌電車車鉤與機(jī)車車鉤不同，采用折疊型車鉤，在列車正常運(yùn)行時(shí)，車鉤處于折疊狀態(tài)，當(dāng)需要救援或連掛時(shí)，車鉤旋轉(zhuǎn)打開成180°。

現(xiàn)代有軌電車折疊車鉤在車體上的安裝高度沒有統(tǒng)一規(guī)定，通常同一城市的有軌電車車鉤選用同一高度值，互換性好，方便救援維護(hù)。車鉤的安裝高度一般由司機(jī)室模塊結(jié)構(gòu)和車鉤操作空間決定，車鉤高度太高，勢(shì)必抬高司機(jī)室地板面，占用司機(jī)室空間;車鉤高度太低，對(duì)車鉤的操作維護(hù)不便。車鉤高度的設(shè)定還應(yīng)通過線路最大坡度和最小豎曲線驗(yàn)證。

1.2 防爬吸能裝置

現(xiàn)代有軌電車防爬吸能裝置由防爬梁和吸能元件組成，當(dāng)列車發(fā)生碰撞事故時(shí)，阻止車輛之間的攀爬，并吸收沖擊能量。防爬梁強(qiáng)度略小于整車的縱向壓縮強(qiáng)度，便于受損后更換。防爬梁推薦采用全寬尺寸，設(shè)計(jì)成順應(yīng)列車前端的不規(guī)則形狀，盡可能多的將非縱向載荷轉(zhuǎn)化為縱向載荷，避免列車橫向失穩(wěn)。

吸能元件通常采用膠泥緩沖器和壓潰管組合或僅使用壓饋管2種形式，低于7 km/h速度碰撞時(shí)，碰撞能量由膠泥緩沖器吸收;高于7 km/h速度碰撞時(shí)，碰撞能量由膠泥緩沖器和壓饋管共同吸收。壓潰管為管壁膨脹吸能方式，觸發(fā)力恒定，吸能穩(wěn)定，是事故工況下吸收能量的主要裝置。

1.3 導(dǎo)流罩

導(dǎo)流罩在列車最前端，包裹著折疊車鉤，采用易于成型的復(fù)合材料制成。導(dǎo)流罩的開度滿足列車在不同曲線半徑上運(yùn)行時(shí)車鉤最大轉(zhuǎn)角要求。

1.4 開閉機(jī)構(gòu)

開閉機(jī)構(gòu)是導(dǎo)流罩的運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，一般為四連桿機(jī)構(gòu)，動(dòng)力部件為氣彈簧。

1.4.1 開閉機(jī)構(gòu)形式

開閉機(jī)構(gòu)主要有2種形式：整體動(dòng)作式（圖2）和分體動(dòng)作式（圖1）。

（1）整體動(dòng)作式。防爬梁和導(dǎo)流罩隨開閉機(jī)構(gòu)一起動(dòng)作。蘇州高新有軌電車1號(hào)線車輛采用整體動(dòng)作式開閉機(jī)構(gòu)。此種開閉機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是可以把車鉤和防爬吸能裝置布置在同一水平面，降低司機(jī)室地板面高度，減小司機(jī)室與客室地板高度差。缺點(diǎn)是防爬梁隨開閉機(jī)構(gòu)一起動(dòng)作，運(yùn)動(dòng)重量大，機(jī)構(gòu)故障率高。

（2）分體動(dòng)作式。僅導(dǎo)流罩隨開閉機(jī)構(gòu)動(dòng)作，廣州海珠環(huán)島有軌電車、淮安現(xiàn)代有軌電車及青島現(xiàn)代有軌電車車輛均采用分體動(dòng)作式開閉機(jī)構(gòu)。此種開閉機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，動(dòng)作可靠，故障率低。缺點(diǎn)是防爬吸能裝置與折疊車鉤采用垂直面上下布置，抬高了司機(jī)室地板面，占用司機(jī)室內(nèi)部空間。

1.4.2 開閉機(jī)構(gòu)功能

開閉機(jī)構(gòu)應(yīng)滿足以下基本功能：

（1）開閉機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)，保證導(dǎo)流罩處于正確的打開和閉合狀態(tài);

（2）開閉機(jī)構(gòu)動(dòng)作過程中，運(yùn)動(dòng)部件與司機(jī)室系統(tǒng)、防爬器、車鉤及車體任何部位不發(fā)生干涉;

（3）車體連掛運(yùn)行過程中，2列車的導(dǎo)流開閉機(jī)構(gòu)之間不發(fā)生干涉。

2 車端系統(tǒng)主要參數(shù)

某現(xiàn)代有軌電車采用5模塊浮車結(jié)構(gòu)：Mc（動(dòng)車）+F（浮車）+Tp（拖車）+F（浮車）+Mc（動(dòng)車），各模塊之間通過鉸接裝置及貫通道連接，車體主結(jié)構(gòu)采用高強(qiáng)鋼Q460E，整車強(qiáng)度滿足EN 15227-2008+A1-2010《鐵路應(yīng)用設(shè)施-鐵路車輛車身防撞性要求》（以下簡稱EN 15227）標(biāo)準(zhǔn)中P-IV級(jí)要求。

2.1 Albert折疊車鉤主要參數(shù)

（1）車鉤縱向壓縮屈服載荷≥400 kN 。

（2）車鉤縱向拉伸屈服載荷≥320 kN 。

（3）車鉤最大水平擺角為±45° 。

（4）車鉤最大垂直擺角為±6° 。

（5）緩沖器最大阻抗力為±300 kN。

（6）緩沖器行程為±25 mm。

（7）車鉤距軌面高度430 mm。

（8）車鉤長1 680 mm。

2.2 防爬吸能裝置主要技術(shù)參數(shù)

（1）防爬梁縱向壓縮屈服載荷為400±7.5% kN。

（2）單個(gè)壓潰管穩(wěn)態(tài)力為200 kN。

（3）單個(gè)壓潰管吸能行程為300 mm。

（4）單個(gè)壓潰管容量為60 kJ。

（5）吸能裝置中心距離為1580mm。

3 車端系統(tǒng)主要參數(shù)校核

3.1 豎曲線校核

依據(jù)CJ/T 417-2012《低地板有軌電車車輛通用技術(shù)條件》，線路最大坡度采用60‰，考慮轉(zhuǎn)向架一系橡膠錐彈簧和二系沙漏彈簧的垂向剛度，在車輛超載工況（AW3）下全磨耗狀態(tài)通過R 500 m豎曲線（標(biāo)準(zhǔn)要求不小于1000 m，本車按500 m校核）時(shí)，考核車輛與軌面的干涉情況，如圖3所示。車鉤安裝高度初期定為395mm，經(jīng) R 500 m豎曲線校核，發(fā)現(xiàn)車鉤最低點(diǎn)（平直段距軌面132 mm）在凸曲線變坡點(diǎn)處與軌面發(fā)生干涉;將車鉤安裝高度調(diào)整為430 mm，并對(duì)車端結(jié)構(gòu)梁上傾1.4°設(shè)計(jì)，干涉消除，滿足車輛爬坡要求，車端各部件位置關(guān)系如圖4所示。

3.2 平面曲線校核

通過動(dòng)力學(xué)軟件SIMPACK進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，車輛以限速14.5 km/h通過無超高最小平面曲線R 25 m時(shí)，脫軌系數(shù)最大為1.12，小于GB 5599-1985《鐵道車輛動(dòng)力學(xué)性能評(píng)定和試驗(yàn)鑒定規(guī)范》（以下簡稱GB 5599）中規(guī)定的脫軌系數(shù)1.2的限度;重車AW3工況下輪軸橫向力最大值為33.7 kN，小于GB 5599規(guī)定的計(jì)算值59.01kN，輪重減載率最大值為0.42，小于GB 5599規(guī)定的限度0.6。此時(shí)車鉤最大轉(zhuǎn)角為21.93°，對(duì)導(dǎo)流罩的開度按照車鉤最大轉(zhuǎn)角進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)論為合格。

3.3 吸能行程校核

依據(jù)EN 15227標(biāo)準(zhǔn)，采用吸收能量較大的碰撞情景進(jìn)行吸能行程計(jì)算：列車以15 km/h 速度與1列靜止的相同編組的列車正面碰撞。設(shè)碰撞前兩車總質(zhì)量分別為M1、M2，運(yùn)行速度分別為v1和v2，撞擊后的速度為u，則撞擊前總動(dòng)能Wd為：

（1）

撞擊后總動(dòng)能Wh為：

（2）

由動(dòng)量守恒定理得，撞擊前的動(dòng)量等于撞擊后的動(dòng)量：

（3）

由式（1）～式（3）可得碰撞過程中所需耗散的能量Wf為：

（4）

式（4）中， M1 = M2 = 51034kg（車輛整備加滿座1/2乘客質(zhì)量），v1 = 15 km/h，v2 = 0 km/h，可得出碰撞情形中需要耗散的能量為221.5 kJ。相同車組，每一車組需吸收一半的能量110.75 kJ。壓潰管平均穩(wěn)態(tài)力為200kN，每列車設(shè)有2個(gè)壓潰管，由此可估算出每個(gè)壓饋管的吸能行程為277 mm，目前壓潰管吸能行程為300mm，滿足碰撞要求。

3.4 位置關(guān)系校核

車端各部件位置關(guān)系見圖4，導(dǎo)流罩向上旋轉(zhuǎn)打開時(shí)，折疊車鉤連掛孔距導(dǎo)流罩前端距離為310 mm，保證兩車輛連掛時(shí)通過最小平面曲線，無干涉;防爬梁內(nèi)檔距鋼結(jié)構(gòu)前端350 mm，保證壓潰管的最大吸能行程300 mm;前端結(jié)構(gòu)下部上傾1.4°，確保車輛豎曲線通過;防爬吸能裝置與車鉤采取上下布置關(guān)系，中心距離707.5 mm，開閉機(jī)構(gòu)采用分體動(dòng)作式。

4 耐撞性分析

4.1 碰撞情景設(shè)置

有軌電車屬于EN 15227標(biāo)準(zhǔn)中的C-IV類車輛，需滿足2種碰撞情景：①列車以15 km/h 速度與1列靜止的相同編組列車正面碰撞;②列車以25 km/h 速度呈45°角與1個(gè)3 t障礙物碰撞。碰撞質(zhì)量為列車整備質(zhì)量加上滿座50%乘客質(zhì)量。

4.2 耐撞性評(píng)價(jià)指標(biāo)

EN 15227車體的耐撞性評(píng)價(jià)指標(biāo)要求如下。

（1）減少爬車風(fēng)險(xiǎn)：碰撞過程中應(yīng)保持每個(gè)轉(zhuǎn)向架至少有1個(gè)輪對(duì)與軌道有效接觸，可轉(zhuǎn)化為每個(gè)轉(zhuǎn)向架至少有1個(gè)輪對(duì)的垂直位移不大于輪緣高度的75%來判斷。

（2）生存空間和結(jié)構(gòu)完整性要求：乘客生存空間的減少量在任何5 m長度內(nèi)不得超過50 mm，或者在這些區(qū)域塑性變形應(yīng)限定為10%。

（3）減速要求：生存空間內(nèi)的平均縱向減速度對(duì)于第1種碰撞情景不超過5 g，第2種碰撞情景下不超過7.5 g。

4.3 碰撞吸能仿真分析

4.3.1 碰撞情景1

由圖5 碰撞變形應(yīng)力云圖可知，在15 km/h 的碰撞速度等級(jí)下，車頭區(qū)域發(fā)生了輕微變形，變形區(qū)域主要發(fā)生在司機(jī)室門立柱上，結(jié)構(gòu)變形有序可控。

由圖6兩列車碰撞能量-時(shí)間曲線圖可知，車輛碰撞前總動(dòng)能為446 kJ，碰撞后剩余動(dòng)能為220 kJ，占初始動(dòng)能的49.3%;碰撞過程中車輛吸收能量為218 kJ，占初始動(dòng)能的48.9%，其中壓潰管吸收能量197 kJ，小于壓潰管吸能器總量240 kJ（兩列車2×120 kJ），其他能量消耗為（218-197）kJ = 21kJ，計(jì)算過程中產(chǎn)生的沙漏能為8.0 kJ，沙漏能占總能量比例為1.8%。

碰撞過程中，同一轉(zhuǎn)向架，運(yùn)動(dòng)列車輪對(duì)最大抬升量為41.4mm，次最大抬升量為8.8 mm;靜止列車輪對(duì)最大抬升量為35.5 mm，次最大抬升量為7.6 mm;滿足每個(gè)轉(zhuǎn)向架至少有1個(gè)輪對(duì)的垂直位移小于輪緣高度的75%（即21 mm）的要求。

通過仿真計(jì)算，碰撞車體間距5 m的2個(gè)節(jié)點(diǎn)碰撞后相對(duì)最大位移為8.7 mm，列車平均減速度為0.65 g，滿足乘客生存空間的減少量在任何5 m長度內(nèi)不得超過50mm以及在生存空間內(nèi)的平均縱向減速度不超過5 g的要求。

基于以上分析，本案例碰撞情景1的碰撞能量主要由吸能裝置壓潰管吸收，因此，壓潰管參數(shù)的選取滿足碰撞要求。

4.3.2 碰撞情景2

由圖7列車碰撞變形應(yīng)力云圖可知，在25 km/h 的碰撞速度等級(jí)下，碰撞后車體前端防撞梁右側(cè)角部發(fā)生了較大變形，司機(jī)室門立柱有輕微塑性變形。

由圖8兩列車碰撞能量-時(shí)間曲線圖可知，車輛碰撞前總動(dòng)能為 1.24 MJ，碰撞后剩余動(dòng)能為1.166 MJ，占初始動(dòng)能的94.03%，碰撞過程中車輛吸收能量為67.5kJ，占初始動(dòng)能的5.44%，沙漏能為 6.5 kJ，占總能量比例為0.53%。

通過仿真計(jì)算，碰撞過程中碰撞車體間距 5 m 的2個(gè)節(jié)點(diǎn)碰撞后相對(duì)最大位移為21.1 mm，碰撞過程中車體平均減速度為0.95 g，滿足限定生存空間的減少量在任何5m長度上不超過 50 mm 以及在生存空間內(nèi)的平均縱向減速度不超過7.5 g的的要求。

基于以上分析，碰撞情景2的碰撞能量主要由車輛前端結(jié)構(gòu)變形吸收，部分結(jié)構(gòu)發(fā)生塑性變形，但主結(jié)構(gòu)完整，可以保證乘客的安全生存空間。

5 結(jié)論及建議

通過對(duì)有現(xiàn)代軌電車車端系統(tǒng)主要參數(shù)校核及碰撞能量分析，表明該有軌電車車端系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置滿足EN 15227車體的耐撞性要求。但以上分析計(jì)算在很大程度上依賴于車輛保持直線運(yùn)行，與相撞車輛完全接觸，通常這與實(shí)際情況存在差異。因此，還應(yīng)考慮由非兩端相撞引起的翻滾和局部壓潰。當(dāng)車輛橫向失穩(wěn)，車輛側(cè)面或車頂著地時(shí)，車輛還應(yīng)具有足夠的翻滾強(qiáng)度，保存有效的乘客生存空間。在結(jié)構(gòu)允許的情況下，可設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)吸能梁。通過梁柱的塑性變形，吸收碰撞能量。有數(shù)據(jù)表明碰撞發(fā)生時(shí)結(jié)構(gòu)吸能是最可靠、高效的吸能方式。

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收稿日期 2019-05-15

責(zé)任編輯 宗仁莉

Configuration and crashworthiness analysis of

modern tram end system

Gao Yunfeng， Wang Jianquan， Wang Jun

Abstract： This paper introduces the composition and main parameters of the modern tram end system. Taking a tram as an example， it verifies and optimizes the parameters of the end system from the aspects of vertical curve， plane curve， energy absorption stroke and position relationship. According to EN 15227-2008 + A1-2010 Railway Applications - Crashworthiness Requirements for Railway Vehicle Body， the front impact of a train at speed of 15 km/h and a static train of the same configuration， as well as the impact of a train at speed of 25 km/h and 45° angle on a 3t obstacle are calculated， and the changes of parameters such as energy in the vehicle body， kinetic energy， vehicle speed and acceleration during the collision are tested. This paper discusses the crashworthiness and structural integrity of the car body， the insufficiency of collision calculation， and puts forward some suggestions.

Keywords： modern tram， vehicle end system， energy absorption， crashworthiness