變阻抗壓潰裝置碰撞吸能研究

謝耿昌，劉繼波，郝孟孟

(中車(chē)青島四方車(chē)輛研究所有限公司 鉤緩事業(yè)部，山東 青島 266031)

隨著軌道交通在“綠色、經(jīng)濟(jì)、安全”方向的快速發(fā)展，列車(chē)被動(dòng)安全防護(hù)技術(shù)被大量應(yīng)用。EN 15227：2010《鐵路應(yīng)用 鐵路車(chē)輛的耐撞性要求》規(guī)定：25 km/h的碰撞速度下保留司乘生存空間，并保持乘客區(qū)域的結(jié)構(gòu)完整[1]。我國(guó)城市軌道交通車(chē)鉤緩沖裝置的要求是：車(chē)鉤緩沖裝置能完全吸收15 km/h碰撞速度下的碰撞能量。為滿足EN 15227：2010和我國(guó)相關(guān)要求，本文以某型城軌車(chē)輛變阻抗壓潰裝置為例[2]，研究了變阻抗壓潰裝置的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

1 典型碰撞吸能結(jié)構(gòu)

城市軌道交通車(chē)輛多采用車(chē)端碰撞吸能與車(chē)間碰撞吸能相配合的碰撞吸能結(jié)構(gòu)[3-4]。車(chē)端碰撞吸能結(jié)構(gòu)由頭車(chē)車(chē)鉤緩沖裝置和防爬吸能裝置組成，頭車(chē)車(chē)鉤緩沖裝置包含彈性緩沖器、壓潰裝置和過(guò)載保護(hù)裝置[5]。車(chē)輛發(fā)生碰撞時(shí)，彈性緩沖器、壓潰裝置依次動(dòng)作吸收碰撞能量；在壓潰裝置行程到限時(shí)，車(chē)鉤縱向力瞬間上升至過(guò)載保護(hù)裝置的預(yù)設(shè)值，過(guò)載保護(hù)后，頭車(chē)車(chē)鉤緩沖裝置脫落并后退，不再傳遞縱向力，此時(shí)防爬吸能裝置防爬齒互相咬合，在防止車(chē)輛爬起的同時(shí)將縱向力傳遞給防爬吸能裝置上的壓潰裝置或其他吸能裝置，繼續(xù)吸收碰撞能量。圖1為典型車(chē)端碰撞吸能結(jié)構(gòu)各裝置的吸能曲線。

車(chē)間碰撞吸能結(jié)構(gòu)為中間車(chē)車(chē)鉤緩沖裝置，包含彈性緩沖器和壓潰裝置，在整個(gè)碰撞過(guò)程中配合車(chē)端碰撞吸能結(jié)構(gòu)吸收碰撞能量[6]。

圖1 典型車(chē)端碰撞吸能結(jié)構(gòu)各裝置的吸能曲線

2 碰撞仿真模型

2.1 列車(chē)編組

以6輛編組的某型城軌列車(chē)為研究對(duì)象，列車(chē)兩端采用半自動(dòng)車(chē)鉤，內(nèi)部各車(chē)輛間采用半永久車(chē)鉤。該列車(chē)的編組配置為：=Tc-M-M-M-M-Tc=，其中，Tc代表帶司機(jī)室的頭車(chē)，M代表中間車(chē)，“=”代表半自動(dòng)車(chē)鉤，“-”代表半永久車(chē)鉤。該車(chē)Tc車(chē)的自重為33 t，M車(chē)的自重為35 t；抗拉載荷為850 kN，抗壓載荷為1 250 kN。

2.2 計(jì)算模型

按照列車(chē)縱向動(dòng)力學(xué)理論，將整列車(chē)視為由鉤緩裝置連接的若干具有縱向單自由度的質(zhì)點(diǎn)，通過(guò)對(duì)質(zhì)點(diǎn)系運(yùn)動(dòng)微分方程組的逐步求解得到整個(gè)碰撞過(guò)程中各個(gè)碰撞斷面的加速度、車(chē)鉤力、速度歷程曲線，以研究不同工況下防爬吸能裝置及鉤緩裝置的受力和能量吸收情況[7]。列車(chē)縱向動(dòng)力學(xué)模型如圖2所示。

圖2 列車(chē)縱向動(dòng)力學(xué)模型

列車(chē)縱向動(dòng)力學(xué)模型的微分方程為：

mi——第i車(chē)的質(zhì)量，kg；

Fci1，F(xiàn)ci——分別為第i車(chē)前后車(chē)鉤力，N；

Fwi——第i車(chē)受到的外力，N。

對(duì)于N節(jié)車(chē)輛的城軌列車(chē)，可列出N個(gè)微分方程，組成一個(gè)二階微分方程組，并通過(guò)編制的專(zhuān)用程序聯(lián)合求解。

3 碰撞仿真分析

3.1 恒阻抗壓潰裝置方案

表1 恒阻抗壓潰裝置方案的車(chē)鉤防爬配置參數(shù)

根據(jù)EN 15227：2010規(guī)定，用1列6輛編組AW0列車(chē)以25 km/h的速度撞擊1列6輛編組的靜止列車(chē)，按50%坐席乘客質(zhì)量(60 kg/人×20人)、表1恒阻抗壓潰裝置方案的配置參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，以25 km/h速度碰撞后各斷面的最大車(chē)鉤力Fmax、壓潰裝置最大行程Sa、防爬吸能裝置最大行程Sb、吸收能量E及吸能利用率α的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2，其中斷面6為直接沖擊斷面。

表2 恒阻抗壓潰裝置方案以25 km/h的速度碰撞后的吸能情況

3.2 變阻抗壓潰裝置方案

表3 變阻抗壓潰裝置方案車(chē)鉤防爬配置參數(shù)

圖3 半永久車(chē)鉤B、C的壓潰裝置吸能特性曲線

按照與恒阻抗壓潰裝置方案相同碰撞工況，對(duì)表3中變阻抗壓潰裝置方案車(chē)鉤防爬配置參數(shù)進(jìn)行仿真計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

3.3 碰撞分析

我國(guó)對(duì)城市軌道交通車(chē)輛車(chē)鉤緩沖裝置的要求是，能夠完全吸收一列AW0列車(chē)以15 km/h速度撞擊另一列靜止并施加制動(dòng)的AW0列車(chē)的碰撞能量，同時(shí)要求不得導(dǎo)致車(chē)輛主要結(jié)構(gòu)部件損壞。根據(jù)上述要求，按照表1和表3配置參數(shù)對(duì)恒阻抗壓潰裝置方案和變阻抗壓潰裝置方案進(jìn)行仿真計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。表5可以看出，2種方案的計(jì)算結(jié)果均滿足上述要求。

表4 變阻抗壓潰裝置方案以25 km/h的速度碰撞后的吸能情況

表5 恒阻抗壓潰裝置和變阻抗壓潰裝置方案碰撞后吸能情況

比較2種方案，變阻抗壓潰裝置方案存在以下優(yōu)勢(shì)：

(1) 整體碰撞吸能能力高。恒阻抗壓潰裝置方案共有3個(gè)斷面的吸能利用率超過(guò)90%，直接碰撞斷面的吸能利用率為98.88%，25 km/h速度的碰撞已經(jīng)達(dá)到該方案吸能極限；而變阻抗壓潰裝置方案共有3個(gè)碰撞斷面的吸能利用率超過(guò)85%，直接碰撞斷面為93.56%，25 km/h碰撞時(shí)該方案尚有一定吸能余量，確保了系統(tǒng)可靠性[10]。

(2) 鉤緩裝置種類(lèi)少。變阻抗壓潰裝置方案相比恒阻抗壓潰裝置方案減少了一種半永久車(chē)鉤，有助于降低設(shè)計(jì)生產(chǎn)成本。同時(shí)變阻抗壓潰裝置方案半永久車(chē)鉤D可以采用半永久車(chē)鉤C的鉤型代替，進(jìn)一步減少半永久車(chē)鉤種類(lèi)。

(3) 防爬吸能裝置行程短。恒阻抗壓潰裝置方案在25 km/h速度碰撞時(shí)防爬吸能裝置觸發(fā)行程為254.5 mm，而變阻抗壓潰裝置方案防爬吸能裝置觸發(fā)行程為228.3 mm，為增加司機(jī)生存空間，可將其有效行程縮減為240 mm[11]。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以6輛編組的某型城軌列車(chē)為例，分別對(duì)配有恒阻抗和變阻抗壓潰裝置的車(chē)鉤緩沖裝置及防爬吸能裝置進(jìn)行縱向動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算，結(jié)果表明，兩方案均能滿足EN 15227：2010關(guān)于25 km/h碰撞速度的吸能要求，車(chē)鉤緩沖裝置都可以完全吸收15 km/h碰撞速度的碰撞能量。但變阻抗壓潰裝置方案在整體吸能能力、鉤緩裝置種類(lèi)數(shù)量和防爬吸能裝置行程方面有明顯優(yōu)勢(shì)，建議擴(kuò)大工程應(yīng)用。