侯帥昌，霍鑫龍，張相寧，卓天宇，高廣軍

碰撞脫軌事故下高速列車橫向限位裝置動力學(xué)特性及結(jié)構(gòu)強度研究

侯帥昌1，霍鑫龍1，張相寧1，卓天宇2，高廣軍2

(1. 中車唐山機車車輛有限公司 技術(shù)研究中心，河北 唐山 063035；2. 中南大學(xué) 交通運輸工程學(xué)院 軌道交通安全教育部重點實驗室，湖南 長沙 410075)

基于試驗和仿真分析對橫向限位裝置在列車碰撞事故下的動力學(xué)響應(yīng)特性以及結(jié)構(gòu)強度進行研究。仿真與試驗結(jié)果表明：橫向限位裝置結(jié)構(gòu)可靠且能夠?qū)α熊嚺鲎裁撥壥鹿蔬M行防治。建立動力學(xué)仿真模型對橫向限位裝置的工作模式進行分析，在碰撞引起脫軌的過程中橫向限位裝置可以有效地分擔(dān)輪軌橫向力并制止車輪的爬軌趨勢。通過有限元分析對該裝置的結(jié)構(gòu)強度進行驗證，與試驗結(jié)果對比可知誤差基本穩(wěn)定在5%以內(nèi)，證明了橫向限位裝置可以承受200 kN均布載荷的作用，能夠應(yīng)用于列車脫軌防治工作之中。

脫軌；橫向限位裝置；動力學(xué)特性；有限元分析；軌道安全

列車脫軌事故的頻繁發(fā)生會對乘員人身安全造成極大的威脅，并對國民經(jīng)濟建設(shè)造成無法預(yù)估的損失。2020年3月發(fā)生在湖南省郴州市的T179次客運列車撞擊塌方體脫軌事故就引起了國人的關(guān)注，時隔僅半個月，K7384次列車又在錦州至承德段間脫軌。而在國外，僅2020年第1季度就有意大利、澳大利亞、法國等國家分別發(fā)生了不同程度的列車脫軌事故。為了杜絕或降低列車脫軌事故所造成的損失，提高鐵道車輛的防脫軌性能是提升列車運行安全性的重要方法。從鐵路誕生之日起，各國對于軌道車輛輪軌關(guān)系的研究就從未停止。目前。世界各國對于軌道車輛防脫軌性能的研究通常為對鐵路基礎(chǔ)設(shè)施的優(yōu)化設(shè)計，旨在開發(fā)一種高效可靠的鐵路基礎(chǔ)設(shè)施作為脫軌防護的主要手段。針對軌道車輛脫軌事故的研究目前主要集中于對軌道車輛輪軌接觸狀態(tài)的研究和對于鐵路基礎(chǔ)設(shè)施的優(yōu)化設(shè)計之中。在過去的百余年中，關(guān)于輪軌接觸關(guān)系理論的研究已經(jīng)取得了較為顯著的進展。20世紀60年代以來，Ishida等[1]針對輪軌關(guān)系的穩(wěn)定性展開了詳盡的研究，發(fā)現(xiàn)只要脫軌系數(shù)超過0.8的時長控制在15 ms之內(nèi)且車輪抬升量不超過1 mm，輪軌關(guān)系依舊能夠保持充足的穩(wěn)定。本世紀初，翟婉明等[2]分析了列車脫軌問題，認為輪軌抬升量可以作為評判列車狀態(tài)的安全標準。上述理論研究均證明了在軌道車輛脫軌的動態(tài)過程中，車輪抬升量是影響車輛輪軌約束關(guān)系最終狀態(tài)的重要指標之一，并且在短時間內(nèi)的車輪劇烈抬升很容易引發(fā)列車脫軌事故的發(fā)生。而各類列車運行脫軌防護的設(shè)施和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計也得到了廣泛地研究，近年來，隨著輪軌接觸關(guān)系理論研究的日臻完善以及車輛系統(tǒng)動力學(xué)方法的成熟和計算機算力的發(fā)展，針對列車脫軌防治技術(shù)的探究也在逐漸深入。GONG等[3]針對貨運列車脫軌事故進行了能量隨機分析，通過列車?軌道空間振動模型對超速過彎情況下貨運列車轉(zhuǎn)向架的搖頭角及橫向相對位移進行了數(shù)據(jù)分析，并對9～10級烈度地震情況下的貨運列車脫軌行為進行全過程分析，開發(fā)對應(yīng)的脫軌檢測裝置[4]，此外還對軌道扣件的橫向剛度提出了具體的建議[5]。其他諸如：輪軌接觸幾何參數(shù)[6]、三角坑缺陷幅值[7]、車輪輪廓優(yōu)化設(shè)計[8]、車輪直徑非圓缺陷[9]等輪軌接觸關(guān)系的研究也使得列車脫軌防治工作擁有了更為堅實的理論依據(jù)。此外，在工程應(yīng)用領(lǐng)域，貨車脫軌自制動裝置[10]在貨運列車發(fā)生脫軌時會緊急觸發(fā)列車制動以降低脫軌事故的損失，槽型軌[11]則依靠增強輪軌匹配程度和減小磨耗的方式來降低列車的脫軌風(fēng)險。由于列車發(fā)生碰撞時產(chǎn)生的沖擊很容易造成車輛脫軌，具有一定的代表性，因此各國學(xué)者也投入了大量精力開展列車碰撞脫軌事故的相關(guān)研究。Drazetic等[12]采用彈簧和阻尼相連的集總質(zhì)量模型對列車30 km/h正面碰撞事故產(chǎn)生的動力學(xué)響應(yīng)進行了分析。Jeong等[13]則對沖擊碰撞下高速列車的脫軌行為進行研究，得到了5種輪對脫軌外力的表現(xiàn)形式。LING等[14?15]對列車在交叉口處的碰撞安全問題進行了深入剖析，通過構(gòu)建動力學(xué)仿真模型對列車碰撞脫軌事故中的行為和機理進行了研究。本文在上述研究的基礎(chǔ)設(shè)計了一種安裝于列車轉(zhuǎn)向架上的車載高速列車橫向限位裝置結(jié)構(gòu)，通過控制列車在碰撞過程中發(fā)生的車輪輪緣爬軌和橫向位移，達到了較好的脫軌防治性能。本文研究了與某型高速列車適配的防脫軌裝置在列車與障礙物發(fā)生正面斜向碰撞情況下的動力學(xué)響應(yīng)，并以此檢驗裝置的結(jié)構(gòu)強度，從而論證該裝置設(shè)計的合理性。文章第1部分提出了高速列車橫向限位裝置的設(shè)計思路和幾何模型；第2部分構(gòu)建了高速列車動力學(xué)仿真模型，并在列車與障礙物正面斜向碰撞情況下探究該裝置的脫軌防治效果；第3部分則建立了橫向限位裝置的有限元仿真模型，對其進行結(jié)構(gòu)強度分析；第4部分對裝置樣機進行試制，并通過試驗驗證結(jié)構(gòu)強度分析的結(jié)果。

1 結(jié)構(gòu)幾何模型

本文設(shè)計的高速列車橫向限位裝置可安裝于高速列車轉(zhuǎn)向架兩側(cè)的中部區(qū)域，裝置在縱向上與前后輪對的距離相同且裝置垂向約束平面在橫向上與輪緣平齊，具體安裝位置如圖1所示。在列車正常運行過程中，該裝置與軌道不發(fā)生接觸，不會影響列車正常運行。當列車發(fā)生碰撞事故時，轉(zhuǎn)向架一端車輪會率先抬升并產(chǎn)生橫向位移，此時該裝置會與軌道相接觸，代替車輪形成臨時的轉(zhuǎn)向架和軌道間的約束，從而減緩車輪爬軌趨勢，防治列車脫軌事故的發(fā)生。橫向限位裝置的結(jié)構(gòu)由上部安裝平面、垂向約束平面以及加固用的肋板和加強筋組成。其中上部安裝平面分別由厚度均為30 mm的420 mm*350 mm的平板和150 mm*350 mm的平板組成；垂向約束平面則為厚度為32 mm的483 mm*350 mm平板，約束平面下部與車輪輪緣形狀一致并開有倒角以便順利通過道岔、護軌等復(fù)雜線路情況。裝置在3塊主要結(jié)構(gòu)之間分別添加了3條等距離的加強筋，從而增強裝置的結(jié)構(gòu)，用以應(yīng)對列車脫軌事故發(fā)生時裝置與軌道之間的沖擊。

圖1 橫向限位裝置示意圖

通過對裝置結(jié)構(gòu)進行上述設(shè)計，安裝于某型高速列車轉(zhuǎn)向架上的橫向限位裝置垂向約束平面可以與車輪輪緣保持同樣的垂向高度和橫向?qū)挾龋瑥亩ＷC裝置在列車正常運行時不與軌道發(fā)生接觸。當列車產(chǎn)生脫軌趨勢時，轉(zhuǎn)向架的前輪對由于較大的橫向作用力而爬上了軌道。安裝了橫向限位裝置后，該裝置將與轉(zhuǎn)向架后輪對重新構(gòu)建了一組轉(zhuǎn)向架的橫向約束，從而限制了轉(zhuǎn)向架的橫向位移。由于該裝置僅具有橫向約束，因此該裝置在發(fā)生橫向移動后不會像車輪那樣向上移動，從而避免了像車輪一樣使轉(zhuǎn)向架脫軌趨勢加劇的問題，具體情況如圖3所示。

圖2 橫向限位裝置的幾何結(jié)構(gòu)

圖3 橫向限位裝置工作原理

2 動力學(xué)仿真分析

為了驗證所設(shè)計的高速列車橫向限位裝置在高速列車碰撞事故下的脫軌防治能力，在SIMPACK軟件平臺中對高速列車的動力學(xué)仿真模型進行構(gòu)建，并建立對應(yīng)的碰撞仿真工況從而對事故進行動力學(xué)仿真分析。

2.1 動力學(xué)仿真模型建立

本文中采用的是42個自由度(DOF)的車輛系統(tǒng)動力學(xué)模型，該模型包括7個剛體：1個車體、2個轉(zhuǎn)向架和4個輪對。車輛的每個組件都有縱向()、橫向()、垂直()、側(cè)傾()、俯仰()和偏航()這6個自由度，具體的懸掛參數(shù)如表1所示。

依據(jù)上述動力學(xué)參數(shù)可以在SIMPACK中建立車輛動力學(xué)仿真模型，此外列車運行環(huán)境的軌道譜采用德國低干擾譜，碰撞脫軌事故工況如圖4所示。

為了降低上述碰撞脫軌工況的仿真難度，可以對改工況進行簡化，假設(shè)列車車身分為壓潰區(qū)和不可變形區(qū)組成，壓潰區(qū)設(shè)置力元模擬列車端部碰撞吸能曲線對列車碰撞障礙物工況進行仿真。本文采用較為典型的三級吸能力?位移曲線進行仿真，此外還對碰撞過程中障礙物與列車端部間的角度及運動方向進行限定，并且還依據(jù)列車車輪踏面形狀對橫向限位裝置的下部和軌道之間的接觸進行約束，以此得到了簡化的列車碰撞脫軌事故仿真模型。仿真過程中列車懸掛采用5，3和43號力元進行仿真，列車與障礙物的碰撞工況采用105，197號力元進行仿真。

表1 某型高速列車的動力學(xué)參數(shù)

圖4 列車碰撞脫軌工況示意圖

2.2 碰撞事故動力學(xué)仿真分析

通過采用上述列車碰撞脫軌仿真工況，可以對安裝橫向限位裝置前后的車輛動力學(xué)模型進行碰撞事故下的動力學(xué)仿真分析，根據(jù)標準EN15227中對列車碰撞安全性的要求，將列車碰撞事故的碰撞速度設(shè)置為36 km/h，障礙物質(zhì)量設(shè)置為15 t，通過調(diào)整不同的碰撞角度可以得到如表2所示的高速列車碰撞事故仿真結(jié)果。

表2 碰撞事故仿真結(jié)果

從表2結(jié)果可知，當碰撞角度較小時，列車與障礙物發(fā)生碰撞不會引發(fā)列車脫軌事故，但當碰撞角度增大后，列車會由于較大的橫向沖擊力而發(fā)生脫軌。本文設(shè)計的橫向限位裝置可以在此情況下對列車脫軌事故進行防治，能夠成功制止小碰撞角度下的列車發(fā)生脫軌事故，但當碰撞角度持續(xù)增大后，碰撞所產(chǎn)生的較大橫向沖擊力也會超過橫向限位裝置所產(chǎn)生的約束范圍。在列車碰撞過程中車輛的動力學(xué)響應(yīng)以及橫向限位裝置所起到的作用如下圖所示，圖中所示工況為列車以時速36 km的速度斜向6°撞擊15 t障礙物所產(chǎn)生的動力學(xué)響應(yīng)。

(a) 脫軌系數(shù)；(b) 輪對抬升量；(c) 車體側(cè)滾角；(d) 裝置受力

如圖5所示，當列車與障礙物發(fā)生碰撞后，列車輪軌關(guān)系會遭到破壞。當列車未安裝橫向限位裝置時，列車前轉(zhuǎn)向架前輪對的脫軌系數(shù)會超過EN14363中規(guī)定的安全限值1.2(如圖5(a))，并在一段時間的波動后徹底發(fā)生脫軌，對應(yīng)的輪對抬升量也顯示出了該列車輪對在發(fā)生爬軌后又從軌面上跌落(如圖5(b))。安裝了橫向限位裝置的列車則在發(fā)生碰撞后由于橫向限位裝置與軌道發(fā)生接觸(如圖5(d))，形成了新的約束，制止了列車前轉(zhuǎn)向架前輪對的脫軌趨勢。從圖5(c)可知，當在碰撞后，未安裝橫向限位裝置的列車車體側(cè)滾角會持續(xù)維持在一個較大的范圍內(nèi)波動，有發(fā)散的趨勢，而安裝了橫向限位裝置的列車車體側(cè)滾角則會在碰撞發(fā)生后到達峰值，后續(xù)逐漸收斂，恢復(fù)到正常范圍內(nèi)。從上述分析中可知，橫向限位裝置可以在高速列車發(fā)生碰撞事故后與軌道發(fā)生接觸，分擔(dān)部分橫向沖擊力，減少列車輪對所受的橫向沖擊，制止車輪的爬軌與脫軌趨勢，達到防止碰撞事故下的列車脫軌事故。

3 結(jié)構(gòu)強度有限元分析及靜壓試驗

本文采用四面體網(wǎng)格對橫向限位裝置進行離散，網(wǎng)格大小為4 mm，整體結(jié)構(gòu)共有190 200個節(jié)點和912 897個單元。裝置采用45號鋼材料，在7個固定螺栓孔處施加約束以模擬橫向限位裝置安裝在高速列車轉(zhuǎn)向架上的固定形式，裝置受力區(qū)域被施加均布載荷用以仿真裝置與軌道相接觸時的受力情況，裝置應(yīng)力云圖如圖6所示。

圖6 結(jié)構(gòu)強度分析結(jié)果

為測試裝置的結(jié)構(gòu)強度，對裝置下部受力區(qū)域施加車體重量的一半以檢測裝置是否可以在列車即將脫軌的情況下制止列車的脫軌行為，即對裝置施加200 kN的均布載荷。有限元分析結(jié)果如圖6所示，當裝置受200 kN的均布載荷時，裝置所受最大應(yīng)力為257.5 MPa。由于裝置采用的45號鋼材屈服強度為355 MPa，因此裝置在該工況下不會產(chǎn)生塑性應(yīng)變，故本文設(shè)計的橫向限位裝置結(jié)構(gòu)強度可以滿足脫軌防治的要求。

為驗證上述有限元結(jié)構(gòu)強度仿真分析的準確性，對橫向限位裝置進行了樣機試制和靜壓試驗，由表3中對比可知，試驗數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)之間的誤差較小，均不超過5%，在可接受范圍內(nèi)，由此可以證明試驗與仿真結(jié)果的可靠性，此外上述結(jié)果還說明本文設(shè)計的橫向限位裝置能夠承受200 kN的均布載荷作用力，可以較好地應(yīng)用于列車脫軌傾覆防護中。

表3 仿真和試驗結(jié)果對比

4 裝置通過性試驗及機理驗證

通過對裝置的樣機進行試制和安裝，可以對裝置的通過性及機理進行試驗驗證。如圖7所示，裝置在通過道岔以及護軌時由于裝置下部與車輪輪緣在橫向和垂向方向上的一致性，具有良好的通過性，并不會影響車輛的正常運行。

(a) 裝置通過道岔；(b) 裝置通過護軌

此外為驗證裝置的作用機理，還檢測了安裝了橫向限位裝置的轉(zhuǎn)向架在脫軌器作用下的脫軌防治能力，具體過程如圖8所示。試驗結(jié)果表明，該裝置的工作機理可行，裝置可以在一側(cè)車輪爬升至軌面時對轉(zhuǎn)向架的橫向位移進行限制，保護列車不發(fā)生脫軌事故。

(a1), (b1), (c1) 正常位置；(a2), (b2), (c2) 輪緣爬升；(a3), (b3), (c3) 裝置與軌道相接觸；(a4), (b4), (c4) 終止位置

5 結(jié)論

1) 本文設(shè)計的安裝于高速列車轉(zhuǎn)向架側(cè)架中部的橫向限位裝置可以有效地降低列車因碰撞發(fā)生的脫軌事故，在列車以36 km/h速度撞擊15 t障礙物時，碰撞角度在4°～6°范圍內(nèi)裝置的效果顯著，可以較好地防治脫軌事故的發(fā)生。

2) 根據(jù)動力學(xué)仿真計算結(jié)果可知，橫向限位裝置在列車與障礙物發(fā)生碰撞過程中會與軌道發(fā)生接觸，分擔(dān)部分橫向沖擊力，遏制車輪的爬軌趨勢。安裝了橫向限位裝置的列車在碰撞發(fā)生后脫軌系數(shù)和輪對抬升量均有顯著改善，車體側(cè)滾角也逐漸收斂。

3) 在有限元仿真分析中，橫向限位裝置的結(jié)構(gòu)強度可以承受200 kN的均布載荷，且經(jīng)過靜壓試驗對比，二者誤差基本穩(wěn)定在5%以內(nèi)，證明了該數(shù)值仿真模型的有效性，可以用于更多工況下的裝置強度校核。

4) 通過對裝置進行通過性試驗和工作機理驗證，安裝了橫向限位裝置的轉(zhuǎn)向架在道岔、護軌等區(qū)段依舊有良好的通過性能，此外裝置可以在一側(cè)車輪爬升至軌面時對轉(zhuǎn)向架的橫向位移進行限制，保護列車不發(fā)生脫軌事故。

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Study on dynamic characteristics and structural strength of lateral limiting device for high-speed train under collision derailment accident

HOU Shuaichang1, HUO Xinlong1, ZHANG Xiangning1, ZHUO Tianyu2, GAO Guangjun2

(1. Technology Research Center, CRRC Tangshan Co., Ltd., Tangshan 063035, China 2. Key Laboratory of Traffic Safety on Track of Ministry of Education, School of Traffic & Transportation Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

Based on tests and simulation analysis, the dynamic response characteristics and structure strength of lateral limiting device under train collision accident were studied. The results of simulation and tests show that the lateral limiting device has a reliable structure and can prevent train derailment accidents. A dynamic simulation model was established to analyze the working mode of the lateral limiting device. The lateral limiting device could effectively share the wheel-rail lateral force and prevent the wheel from climbing during the process of derailment caused by collision. The structural strength of the lateral limiting device was verified by finite element analysis. Compared with the test results, the error was fairly stable within ±5%, thus proving that the lateral limiting device could withstand a uniform load of 200 kN and could be used in the prevention of train derailment.

derailment; lateral limiting device; dynamic characteristics; finite element analysis; railway safety

U270

A

1672 ? 7029(2021)03 ? 0588 ? 08

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20201015

2020?10?27

國家重點研發(fā)計劃資助項目(2016YFB1200505)

高廣軍(1973?)，男，河南安陽人，教授，從事列車撞擊動力學(xué)研究；E?mail：gjgao@ csu.edu.cn

(編輯 蔣學(xué)東)