劉 凱，梁 森，計(jì)夢(mèng)男，董 磊，陳 旭

（北京軌道交通技術(shù)裝備集團(tuán)有限公司技術(shù)研究院，北京 100160）

隨著乘坐軌道交通出行的人越來(lái)越多，列車運(yùn)行時(shí)速度等級(jí)越來(lái)越高，一旦發(fā)生碰撞事故將會(huì)造成車毀人亡的后果，為此列車的安全性就越來(lái)越受到重視。在過(guò)去的20 多年里，世界各國(guó)學(xué)者為了提高列車碰撞時(shí)乘客的安全，對(duì)軌道車輛的耐碰撞性能進(jìn)行了廣泛地研究，并形成了EN15227 等標(biāo)準(zhǔn)。部分學(xué)者通過(guò)分析現(xiàn)有的列車碰撞事故，明確指出列車在碰撞過(guò)程中相鄰車輛之間容易出現(xiàn)相互爬升的現(xiàn)象，而車輛之間爬車程度直接關(guān)系到整個(gè)碰撞事故中人員的傷亡程度。因此，防爬器在軌道交通車輛方面至關(guān)重要。

1 防爬器要求

本文根據(jù)國(guó)內(nèi)某6 編組A 型地鐵車輛，編組圖及重量如下所示。

1.1 防爬器的縱向碰撞吸能要求

本文防爬器所適用的碰撞工況為，一列AW0 載荷列車以25 km/h 速度與另一處停放制動(dòng)狀態(tài)的AW0 載荷列車撞擊時(shí)，有效吸收撞擊能量而客室主體結(jié)構(gòu)無(wú)損壞。根據(jù)碰撞吸能要求，綜合車輛的縱向動(dòng)力學(xué)結(jié)果，除車鉤吸收能量外，單個(gè)防爬器需要吸收的能量值為383.68 kJ。綜合考慮車體的縱向壓縮強(qiáng)度和車體前端吸能空間，把防爬器設(shè)計(jì)成吸能變形力為640 kN，吸能行程為630 mm，吸收能量的設(shè)計(jì)值為403.2 kJ。

1.2 防爬器的垂向承載需求

防爬器需要保證車輛發(fā)生碰撞后，防爬器起作用時(shí)，不發(fā)生垂向屈曲且防爬器在承受垂向載荷后變形量不超過(guò)2 mm。根據(jù)合力矩定理確定防爬器垂向力的大小，公式如下所示：

m0（R）=∑m0（F）。

計(jì)算出結(jié)果：防爬器的垂向力需要不小于0.41 mg，增加安全系數(shù)按照1.3，按照垂向力0.5 mg 處理，即單個(gè)防爬器需要滿足承受0.25 mg 的重量，即為95 kN，且單個(gè)防爬器在承受垂向最大力時(shí)垂向不會(huì)發(fā)生屈服。

2 防爬器設(shè)計(jì)

根據(jù)防爬器的要求，選擇刨削式防爬器，吸能變形力為640 kN，吸能行程為630 mm。詳細(xì)設(shè)計(jì)如圖1 所示，設(shè)計(jì)的刨削式防爬器主要由防爬齒板、吸能管、刀具、安裝法蘭4 部分組成，在發(fā)生碰撞時(shí)分別起到以下作用。

圖1 防爬器模型示意圖

（1）防爬齒板：防爬齒板是在平板上開(kāi)設(shè)溝槽，當(dāng)車輛碰撞時(shí)，兩車之間的防爬齒能夠相互嚙合，限制兩車之間的相對(duì)高度，這樣能夠阻止碰撞中的某一輛車離開(kāi)軌面騎爬到另一輛車上。

（2）吸能管：在工作中有兩方面的作用，首先是導(dǎo)向作用，承受碰撞中的垂向和側(cè)向載荷，保證吸能過(guò)程中防爬裝置的穩(wěn)定工作；其次是吸能作用，工作時(shí)部分金屬材料從金屬管上剝離，將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能，吸收能量。

（3）刀具：碰撞時(shí)刀具刨削吸能管，使得金屬材料剝離，吸收碰撞能量。

（4）安裝法蘭：用于安裝刀具，同時(shí)還起到吸能管的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向作用，限制吸能管的運(yùn)動(dòng)方向。

對(duì)設(shè)計(jì)后的防爬器進(jìn)行有限元分析以驗(yàn)證其在垂向力為95 kN 作用下能否滿足設(shè)計(jì)要求。首先對(duì)防爬器進(jìn)行材料屬性的定義見(jiàn)表1。計(jì)算得到結(jié)果如圖2 所示。

圖2 防爬器靜強(qiáng)度計(jì)算應(yīng)力云圖

表1 防爬器材料屬性表

吸能管的最大應(yīng)力為440.7 MPa，小于屈服強(qiáng)度550 MPa；安裝法蘭的最大應(yīng)力為542.9 MPa，小于屈服強(qiáng)度700 MPa；安裝螺栓的最大應(yīng)力為682.6 MPa，小于屈服強(qiáng)度900 MPa；防爬齒的最大應(yīng)力為42.14 MPa，小于屈服強(qiáng)度235 MPa。通過(guò)有限元計(jì)算可知，防爬器的設(shè)計(jì)滿足垂向承載的要求。

3 防爬器試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 縱向吸收能量能力試驗(yàn)

防爬器碰撞吸能試驗(yàn)必須滿足EN15227 標(biāo)準(zhǔn)：

（1）碰撞實(shí)驗(yàn)中防爬吸能結(jié)構(gòu)吸收的能量應(yīng)至少為設(shè)計(jì)吸收能力的80%。

（2）碰撞試驗(yàn)中撞擊速度不低于對(duì)應(yīng)列車碰撞工況初始速度的50%。

根據(jù)碰撞試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的要求，設(shè)計(jì)試驗(yàn)臺(tái)車配重及碰撞速度：試驗(yàn)臺(tái)車的重量為31 540 kg，碰撞速度為17.57 km/h，設(shè)計(jì)試驗(yàn)的總能量值為375.639 kJ 大于設(shè)計(jì)總能量值的80%。

如圖3 所示，試驗(yàn)前防爬器的行程為630 mm，試驗(yàn)后為97 mm，壓縮位移為533 mm。

圖3 防爬器試驗(yàn)前后縱向距離

圖4 中曲線與橫坐標(biāo)軸圍成區(qū)域的面積，即為所吸收的能量，通過(guò)積分得出該防爬器裝置在碰撞試驗(yàn)中通過(guò)塑性變形所吸收的能量為351.2 kJ。

圖4 防爬器的力與位移曲線圖

3.2 垂向加載試驗(yàn)

如圖5 所示，使用圖中試驗(yàn)工裝和設(shè)備，通過(guò)液壓千斤頂從防爬齒位置對(duì)防爬器進(jìn)行垂向加載，逐步增加至傳感器顯示載荷達(dá)到95 kN 時(shí)，停止加壓，保持1 min 后卸掉壓力。觀察整個(gè)過(guò)程中的結(jié)構(gòu)變形情況，是否出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象。

圖5 防爬器垂向承載試驗(yàn)設(shè)備圖

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)后，得到如下結(jié)果，整個(gè)加載的過(guò)程中，結(jié)構(gòu)變形量隨著加載力值增加而線性增加，過(guò)程中沒(méi)有出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，卸掉壓力后，殘余變形量為0.81 mm。

通過(guò)以上2 個(gè)試驗(yàn)可以得出，防爬器能夠滿足碰撞過(guò)程中的要求，結(jié)構(gòu)變形穩(wěn)定，壓潰力在預(yù)期范圍內(nèi)，能夠滿足BSEN15227：2008+A1：2010《鐵路設(shè)施.鐵路車輛車身的防撞性要求》的規(guī)定，檢測(cè)結(jié)果合格。而且，防爬器的垂向加載試驗(yàn)證明：能夠滿足車輛對(duì)防爬器的要求，檢測(cè)結(jié)果合格。

4 結(jié)論

在防爬器的設(shè)計(jì)過(guò)程中，先根據(jù)整車縱向動(dòng)力學(xué)計(jì)算，得到防爬器所需要吸收的能量值，然后根據(jù)車體強(qiáng)度和吸能行程確定防爬器的設(shè)計(jì)參數(shù)及型號(hào)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中可根據(jù)有限元計(jì)算防爬器設(shè)計(jì)的有效性，然后使用防爬器樣品進(jìn)行垂向承載和縱向吸能試驗(yàn)，進(jìn)行驗(yàn)證。