徐鳳妹

（中國(guó)南車集團(tuán) 南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司 客車設(shè)計(jì)部，江蘇南京210031）

運(yùn)行的列車尤其是高速運(yùn)行的列車一旦發(fā)生碰撞事故，在碰撞瞬間列車所攜帶的巨大動(dòng)能將在瞬間以其他形式的能量耗散，將會(huì)造成巨大的財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡。列車碰撞的安全問(wèn)題在現(xiàn)代車輛設(shè)計(jì)中日趨重要，它已經(jīng)成為當(dāng)今軌道車輛設(shè)計(jì)領(lǐng)域研究的一個(gè)熱點(diǎn)。國(guó)外一些國(guó)家，對(duì)車輛的耐碰撞性研究起步早，己經(jīng)取得了一定的成功經(jīng)驗(yàn)，并在一些高速列車、機(jī)車車輛、城市軌道車輛上得到了廣泛的應(yīng)用，少數(shù)國(guó)家進(jìn)行過(guò)實(shí)際列車撞車試驗(yàn)［2］。而我國(guó)隨著軌道車輛技術(shù)的引進(jìn)，在城軌車輛上已經(jīng)開始了車輛的被動(dòng)性安全設(shè)計(jì)，而鐵路客車領(lǐng)域更多的只是停留在引進(jìn)或研究階段，很少有車輛考慮車體的被動(dòng)性安全設(shè)計(jì)。

中國(guó)南車集團(tuán)南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司2010年承接了突尼斯國(guó)家鐵路的動(dòng)車項(xiàng)目，該項(xiàng)目《特別技術(shù)規(guī)范》要求對(duì)車體進(jìn)行被動(dòng)性安全（耐碰撞）設(shè)計(jì)。

列車發(fā)生碰撞時(shí)的安全防護(hù)技術(shù)可分為主動(dòng)防護(hù)技術(shù)和被動(dòng)防護(hù)技術(shù)兩類［3］。車體的被動(dòng)性安全設(shè)計(jì)屬被動(dòng)防護(hù)技術(shù)。當(dāng)列車發(fā)生碰撞事故時(shí)，通過(guò)設(shè)置在列車上的專用吸能裝置或頭車車體吸能結(jié)構(gòu)的變形等，來(lái)耗散巨大的撞擊動(dòng)能，從而最大限度地保護(hù)司乘人員和旅客生命安全及軌道車輛主體結(jié)構(gòu)的完好［2］。

突尼斯內(nèi)燃動(dòng)車組（以下簡(jiǎn)稱動(dòng)車組）由于司機(jī)室后面緊挨著客室，司機(jī)室只有2 200mm長(zhǎng)，比較短，頭車車體很難設(shè)置可變形區(qū)域作為吸能結(jié)構(gòu)。動(dòng)車組的整個(gè)車長(zhǎng)方向，除了低地板部位的側(cè)門（上方設(shè)置了冷卻裝置）其余都是乘客區(qū)，設(shè)置車體吸能結(jié)構(gòu)也比較困難，因而在列車頭部設(shè)置了防爬吸能裝置。該項(xiàng)目《特別技術(shù)規(guī)范》要求動(dòng)車組的被動(dòng)性安全設(shè)計(jì)按照EN 15227－2008《車輛被動(dòng)性安全設(shè)計(jì)》標(biāo)準(zhǔn)中C－Ⅲ類車輛要求設(shè)計(jì)。

1 車體設(shè)計(jì)

1.1 車體設(shè)計(jì)概況

動(dòng)車組由兩輛動(dòng)車車輛組成一個(gè)單元，車體結(jié)構(gòu)主要分成車頂、底架、側(cè)墻、端墻、司機(jī)室、車鉤等幾大部分，如圖1所示。

1.1.1 防爬吸能裝置

防爬吸能裝置在底架部分，安裝在司機(jī)室前端底部，如圖2所示，防爬吸能裝置主要由吸能元件、連接元件及防爬器等組成。如圖3所示。吸能元件由外圍槽型板和吸能管組成如圖4所示；連接元件由厚板焊接而成，主要用來(lái)連接防爬器、吸能元件；防爬器在碰撞過(guò)程中主要作用是防止爬車。

圖1 車體結(jié)構(gòu)

圖2 司機(jī)室前端底部

圖3 防爬吸能裝置

圖4 吸能裝置

1.1.2 車鉤

動(dòng)車組的兩端安裝全自動(dòng)車鉤，單元內(nèi)部安裝半永久車鉤。表1是車鉤的性能參數(shù)

表1 車鉤性能參數(shù)

《特別技術(shù)規(guī)范》要求當(dāng)一列空車以不超過(guò)5km／h的速度撞擊另一列施加了停放制動(dòng)的空車時(shí)，車鉤緩沖裝置，吸收撞擊能量，車鉤不發(fā)生損壞；當(dāng)一列空車以不大于15km／h的速度撞擊另一列施加了停放制動(dòng)的空車時(shí)，車體不損壞，車鉤的過(guò)載保護(hù)不動(dòng)作。當(dāng)速度大于15km／h速度時(shí)，車鉤的過(guò)載保護(hù)起作用，車鉤脫落，防爬吸能裝置吸能。

1.2 車體耐碰撞性能仿真計(jì)算工況

根據(jù)EN 15227－2008標(biāo)準(zhǔn)中C－Ⅲ類車輛要求設(shè)計(jì)，碰撞計(jì)算工況如下：

工況1：一列動(dòng)車組以25km／h的速度與另一列靜置的相同動(dòng)車組相撞。

工況2：一列動(dòng)車組以25km／h的速度與配備側(cè)緩沖器的鐵路車輛相撞。該鐵路車輛是質(zhì)量為80t的4軸貨車。

工況3：一列動(dòng)車組以10km／h的速度與一輛129 t的鐵道貨車相撞。

工況4：一列動(dòng)車組以25km／h的速度與靜止的15 t可變形障礙物發(fā)生碰撞。

為了實(shí)現(xiàn)動(dòng)車組的耐碰撞功能，在設(shè)計(jì)中采用多級(jí)能量耗散的設(shè)計(jì)方式，實(shí)現(xiàn)了沖擊能量被分級(jí)有序地吸收和消耗。

動(dòng)車組正常連掛（沖擊速度不大于5km／h）、正常運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的沖擊能量，由可復(fù)原的車鉤橡膠緩沖器來(lái)吸收。

工況1～4碰撞產(chǎn)生的能量由車鉤吸能原件、防爬吸能裝置來(lái)共同吸收。

1.3 車體被動(dòng)安全性能

根據(jù)EN 15227－2008標(biāo)準(zhǔn)的要求，發(fā)生碰撞后，動(dòng)車組車體應(yīng)滿足以下條件：

（1）無(wú)論是在車組的兩端還是中間任何一節(jié)，都必須限制爬車現(xiàn)象。允許碰撞車組間產(chǎn)生一個(gè)垂向錯(cuò)動(dòng)，其垂向錯(cuò)動(dòng)位移限制為≤40mm。

（2）沖擊能量全部由可復(fù)原和不可復(fù)原能量吸收元件吸收，不造成車體結(jié)構(gòu)的損壞，客室結(jié)構(gòu)應(yīng)該是安全和穩(wěn)定的，乘務(wù)人員具有足夠的安全空間，弱剛度結(jié)構(gòu)的可變形區(qū)域最大變形量一般不超過(guò)100mm，車輛上的設(shè)備不會(huì)脫離約束和產(chǎn)生重大變形。

（3）傳遞到乘客身上的加速度值在允許極限范圍內(nèi)，第1、2、3工況允許的最大加速度值為5g，第4工況允許的最大加速度值為7.5g，車輛的平均減速度的確定方法是碰撞列車上的凈接觸力超過(guò)零開始再次下降到零為止的時(shí)間相對(duì)應(yīng)。

2 仿真模型

計(jì)算仿真采用ANSYS軟件高級(jí)分析技術(shù)，ANSYS／LS－DYNA軟件的算法基礎(chǔ)和使用方法。模型中采 用 的 單 元 類 型 為 shell63、shell64、beanm161、mass166和剛性單元。

由于動(dòng)車組車體兩側(cè)對(duì)稱，為簡(jiǎn)化計(jì)算模型和運(yùn)算的順利進(jìn)行，在不影響計(jì)算要求和精度的前提下，分析時(shí)取半車進(jìn)行碰撞仿真分析。結(jié)合碰撞仿真計(jì)算的要求及碰撞結(jié)構(gòu)變形的特點(diǎn)，對(duì)仿真模型進(jìn)行了結(jié)構(gòu)針對(duì)性離散。即司機(jī)室端結(jié)構(gòu)單元采用尺寸較小，車體中部采用單元尺寸較大，從而提高仿真分析可靠性和時(shí)效性。車體有限元模型見圖5。

圖5 車體有限元仿真模型

3 動(dòng)車組車體碰撞仿真計(jì)算結(jié)果分析

3.1 工況1

一列動(dòng)車組與一列靜置的同類動(dòng)車組以25km／h速度碰撞，碰撞過(guò)程中端部車鉤首先發(fā)生碰撞，并開始吸收能量，當(dāng)碰撞界面力達(dá)到車鉤剪切銷剪斷力時(shí)（碰撞發(fā)生78ms左右），車鉤開始脫離。這時(shí)防爬吸能裝置開始接觸并開始吸收能量，吸能元件在碰撞發(fā)生300 ms左右時(shí)基本上達(dá)到其有效行程，并吸收最多能量，在碰撞結(jié)束后，司機(jī)室、客室，車端均未出現(xiàn)塑性變形。

碰撞過(guò)程中，列車之間連接界面處的垂向錯(cuò)動(dòng)位移都小于標(biāo)準(zhǔn)要求的40mm，車體結(jié)構(gòu)內(nèi)的任何部位的最大變形量都沒(méi)有超過(guò)100mm。

碰撞過(guò)程中，各車輛的加速度曲線如圖6所示，速度曲線如圖7所示。

圖6 兩列動(dòng)車組碰撞過(guò)程中的加速度—時(shí)間曲線

圖7 兩列動(dòng)車組碰撞過(guò)程中的速度—時(shí)間曲線

由上圖可知，兩列車從發(fā)生碰撞到230ms這個(gè)時(shí)間段內(nèi)兩列車是碰撞接觸，超過(guò)230ms后兩列車開始脫離，被動(dòng)車運(yùn)行速度變快而主動(dòng)車運(yùn)行速度變慢。其加速度的變化也是類似的，超過(guò)230ms后主動(dòng)車的減速度逐漸減小，被動(dòng)車的加速度也是逐漸減小，最大減速度值為4.28g，最大加速度值為2.69g。

由仿真分析得知，碰撞動(dòng)能由初始1 247.8kJ到碰撞結(jié)束后剩余的動(dòng)能為571.5kJ。碰撞完成后，兩列車共吸收能量為437.4kJ，這些能量主要由車鉤、防爬器吸能裝置、中間車鉤吸收。接觸面的滑移耗散能也相當(dāng)可觀，達(dá)到224.5kJ。模型中的沙漏能14.4kJ，占總能量的1.16%。

3.2 工況2

以25km／h的速度與裝有側(cè)緩沖器的80t鐵路車輛（如圖8所示）碰撞。

碰撞過(guò)程中首先發(fā)生碰撞的是防爬吸能裝置，當(dāng)防爬吸能裝置壓縮到一定程度后，車鉤與貨車發(fā)生碰撞，并當(dāng)車鉤界面力達(dá)到車鉤剪切銷剪斷力時(shí)，車鉤開始脫離。這時(shí)防爬吸能裝置繼續(xù)吸收能量，當(dāng)碰撞時(shí)間達(dá)到95ms左右，吸能元件達(dá)到有效行程，這時(shí)防爬器吸能裝置的導(dǎo)向段產(chǎn)生變形吸收能量。在碰撞結(jié)束后，司機(jī)室、客室，車端均未出現(xiàn)塑性變形。

圖8 帶有側(cè)緩沖器的鐵路車輛連接面

動(dòng)車組與鐵路貨車之間的垂向位移，車體結(jié)構(gòu)內(nèi)的任何部位的最大變形量都沒(méi)有超過(guò)100mm。

動(dòng)車組與80t的鐵路車輛碰撞后，各車輛的速度和加速度曲線如圖9所示，速度和時(shí)間曲線如圖10所示。

圖9 碰撞過(guò)程中的加速度—時(shí)間曲線

圖10 碰撞過(guò)程中的速度—時(shí)間曲線

由仿真分析得知，碰撞動(dòng)能由初始1 247.8kJ到碰撞結(jié)束后剩余的動(dòng)能為652.02kJ，碰撞完成后動(dòng)車組及貨車共吸收能量為490.6kJ，能量主要由車鉤、吸能防爬器吸收。接觸面的滑移耗散能98.53kJ，模型中的沙漏能6.65kJ，占總能量的0.53%。

3.3 工況3

動(dòng)車組以10km／h的速度與一輛129t的鐵道貨車如圖11所示碰撞。

圖11 鐵道貨車障礙物

碰撞過(guò)程中車鉤首先與129t貨車發(fā)生碰撞，并開始吸收能量，當(dāng)碰撞界面力達(dá)到車鉤剪切銷剪斷力時(shí)（碰撞發(fā)生280ms左右），車鉤開始脫離。這時(shí)防爬吸能裝置開始接觸并開始吸收能量，由于碰撞速度低，吸能元件基本沒(méi)有產(chǎn)生變形，也沒(méi)有吸收能量。在碰撞結(jié)束后，司機(jī)室、客室、車端均未出現(xiàn)塑性變形。

碰撞過(guò)程中，車體結(jié)構(gòu)內(nèi)的任何部位的最大變形量都沒(méi)有超過(guò)100mm，動(dòng)車組最大減速度值為1.78g。

由仿真分析得知，碰撞動(dòng)能由初始192.67kJ到碰撞結(jié)束后剩余的動(dòng)能為45.04kJ，碰撞完成后吸能元件吸收的能量為87.4kJ。這些能量主要由車鉤、吸能防爬器吸收，接觸面的滑移耗散能為55.79kJ，模型中的沙漏能4.44kJ，占總能量的2.3%。

3.4 工況4

動(dòng)車組以25km／h的速度與15t可變形障礙物如圖12所示碰撞。

在動(dòng)車組與15t可變形障礙物的碰撞中，車鉤及防爬吸能裝置基本不起作用，主要產(chǎn)生碰撞部位為司機(jī)室前腰梁。從發(fā)生碰撞到障礙物的脫離基本上都是上腰梁與障礙物的上部產(chǎn)生碰撞接觸。在碰撞結(jié)束后，司機(jī)室、客室、車端均未出現(xiàn)塑性變形。

碰撞過(guò)程中，車體結(jié)構(gòu)內(nèi)的任何部位的最大變形量都沒(méi)有超過(guò)100mm。

動(dòng)車組以25km／h的速度與靜置的15t可變形障礙物發(fā)生碰撞后，速度就開始下降，但下降速率較低，這也說(shuō)明了減速度變化較小。其減速度值為1.92g。

由仿真分析得知，碰撞動(dòng)能由初始1 185.9kJ到碰撞結(jié)束后剩余的動(dòng)能為667.3kJ，動(dòng)車組及可變形障礙物共吸收能量為98.97kJ。接觸面的滑移耗散能達(dá)到了396.8kJ。模型中的沙漏能22.83kJ，占總能量的1.9%。

圖12 可變形障礙物

4 結(jié)論

一般仿真要求沙漏能占總能量的比例小于5%，以上4個(gè)工況計(jì)算結(jié)果中沙漏能占總能量的比例均小于5%。保證了計(jì)算結(jié)果的可靠性。

（1）在4種碰撞工況下，轉(zhuǎn)向架的輪對(duì)與鋼軌始終保持接觸狀態(tài)，碰撞車組間產(chǎn)生的垂向錯(cuò)動(dòng)位移都小于40mm，沒(méi)有發(fā)生爬車現(xiàn)象。車體結(jié)構(gòu)內(nèi)的任何部位的最大變形量都沒(méi)有超過(guò)100mm。

（2）在4種碰撞工況下，司機(jī)室座椅前后左右的安全逃生空間滿足大于750mm的要求，具有足夠的生存空間。

（3）在工況第1、2、3碰撞下，動(dòng)車組沖擊能量全部由可復(fù)原和不可復(fù)原能量吸收元件吸收，車體結(jié)構(gòu)沒(méi)有發(fā)生塑性變形，客室結(jié)構(gòu)是安全和穩(wěn)定的，司乘人員具有足夠的安全空間，車輛上的設(shè)備沒(méi)有脫離約束。

（4）在4種碰撞工況下，傳遞到乘客身上的加速度值均在各自允許極限值范圍內(nèi)。

綜合上述結(jié)論，突尼斯內(nèi)燃動(dòng)車組的耐碰撞性能完全能夠滿足EN 15227－2008標(biāo)準(zhǔn)的要求。

［1］EN 15227－2008.車輛被動(dòng)安全設(shè)計(jì)［S］.

［2］王萬(wàn)靜，田紅旗，等.出口伊朗吸能車體設(shè)計(jì)及撞擊分析［J］.鐵道機(jī)車車輛，2003，23（3）：17－20.

［3］趙洪倫，王文斌，廖彥芳.城市軌道車輛動(dòng)車組耐撞擊設(shè)計(jì)研究［J］.鐵道車輛，2003，41（12）：1－4.