楊國建 劉志祥 張志強(qiáng)

摘要：軌道車輛碰撞試驗(yàn)中的碰撞力是考核車輛耐撞性的重要參考依據(jù)，一般使用測(cè)力墻測(cè)力。由于軌道車輛結(jié)構(gòu)復(fù)雜、撞擊接觸面大，測(cè)力墻制造成本高，能否使用加速度計(jì)算碰撞力需試驗(yàn)驗(yàn)證。通過試驗(yàn)對(duì)比研究顯示，加速度計(jì)算得到的碰撞力，其平均力與測(cè)力墻得到的碰撞力誤差較小，但峰值力仍然有一定的差距。

關(guān)鍵詞：碰撞力;加速度;軌道車輛;碰撞試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：TB文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2022.07.088

0引言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，軌道車輛在國內(nèi)外已成為重要的交通工具。軌道車輛因體積大、載人多、速度快，發(fā)生碰撞時(shí)帶來的傷亡往往是巨大的，因此各國對(duì)于軌道車輛的安全非常重視。國內(nèi)中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司率先開展了高速動(dòng)車組整車沖擊試驗(yàn)，對(duì)軌道車輛的安全性提升提供了重要的試驗(yàn)支撐。

軌道車輛碰撞試驗(yàn)中，碰撞力是評(píng)價(jià)車輛耐撞性的重要指標(biāo)之一。在碰撞試驗(yàn)中，碰撞力的主要測(cè)試途徑有測(cè)力傳感器測(cè)試和加速度計(jì)算兩種，毋庸置疑測(cè)力傳感器測(cè)得的正面接觸的力是最為準(zhǔn)確的，面對(duì)軌道車輛非常復(fù)雜的測(cè)試工況，使用車體加速度計(jì)算碰撞力的測(cè)試方法精度如何，本研究將進(jìn)行相應(yīng)的對(duì)比研究，探究該測(cè)試方法的有效性。

1碰撞力測(cè)試方法

1.1測(cè)力傳感器直接測(cè)試方法

軌道車輛碰撞試驗(yàn)撞擊接觸面大，撞擊力高，在對(duì)車輛前端吸能裝置進(jìn)行仿真計(jì)算時(shí)，峰值力超過10MN，穩(wěn)定變形平臺(tái)力則在3000kN附近，而且載荷主要集中在接觸面附近，傳感器量程需要非常大。因此，要搭建一整面大量程傳感器的測(cè)力墻，成本非常高。

中南大學(xué)許平等人提出了一種基于“并聯(lián)分流”原理的軌道車輛大噸位測(cè)力墻設(shè)計(jì)方法，該方法通過在傳感器前安裝勻力板，能夠利用較小的力傳感器獲取到大撞擊面的撞擊力。但是，由于在傳感器上安裝的勻力板較厚重，降低了傳感器的自振頻率，在測(cè)量力值波動(dòng)較大的信號(hào)時(shí)，容易發(fā)生傳感器自振，導(dǎo)致測(cè)量失真。

中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司的測(cè)力墻采用壓電式力傳感器，如圖1所示。測(cè)力傳感器采用標(biāo)準(zhǔn)模塊設(shè)計(jì)，單個(gè)傳感器量程可以為700kN、1000kN、2500kN、5000kN、10000kN等多種規(guī)格，滿足不同接觸部位的多種量程需求。試驗(yàn)件直接撞擊測(cè)力墻上的傳感器，測(cè)得撞擊力精度高。但由于測(cè)力傳感器成本較高，目前只能滿足部件試驗(yàn)，整車試驗(yàn)無法滿足測(cè)力要求。

1.2加速度傳感器間接測(cè)試方法

加速度計(jì)算撞擊力的方法是通過在車體剛度較大且不變形的部位布置加速度傳感器，利用其測(cè)得的數(shù)據(jù)和車的重量，根據(jù)牛頓第三定律F=ma計(jì)算得出。由于該方法不和撞擊接觸面積相關(guān)，測(cè)量簡單方便，因此該方法常用于整車碰撞力的推算。

由于軌道車輛結(jié)構(gòu)復(fù)雜、撞擊力大、撞擊變形時(shí)間長，因此在使用該公式計(jì)算時(shí)，需驗(yàn)證測(cè)試精度。

2試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

為驗(yàn)證加速度計(jì)算方法在軌道車輛中測(cè)試撞擊力的準(zhǔn)確性，設(shè)計(jì)此試驗(yàn)進(jìn)行比對(duì)測(cè)試。

2.1試驗(yàn)設(shè)備

參與本次試驗(yàn)比對(duì)的設(shè)備主要有加速度傳感器、測(cè)力傳感器。加速度傳感器為量程為±1000g;測(cè)力傳感器為量程為10-1000kN。上述所用設(shè)備均在校準(zhǔn)有效期內(nèi)。

2.2測(cè)試方案

本次測(cè)試采用沖擊臺(tái)車作為撞擊車，臺(tái)車前端安裝試驗(yàn)件，同時(shí)在臺(tái)車縱梁的前、中、后各布置一個(gè)縱向加速度傳感器，通道號(hào)分別為C-A-10、C-A-10、C-A-20，剛性墻上安裝測(cè)力傳感器，如圖3、4所示。

使用牽引裝置，使沖擊臺(tái)車以預(yù)定的速度撞向測(cè)力傳感器，同步采集車體加速度數(shù)據(jù)和測(cè)力傳感器的數(shù)據(jù)，按照EN 15227：2020《Railway applications -Crashworthiness requirements for rail vehicles》標(biāo)準(zhǔn)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，分析使用測(cè)力傳感器采集的撞擊力和使用車載加速度計(jì)算的撞擊力數(shù)據(jù)。

3測(cè)試結(jié)果及分析

本次沖擊試驗(yàn)過程持續(xù)時(shí)間為0.42s，由于原始加速度波動(dòng)較大，需對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，根據(jù)EN 15227：2020標(biāo)準(zhǔn)要求，試驗(yàn)數(shù)據(jù)濾波頻率為1000Hz低通濾波，濾波后按照公式F=ma計(jì)算沖擊力，分別如圖5（a）、（b）、（c）所示，對(duì)三個(gè)通道取平均值，如圖5（d）所示，力傳感測(cè)試數(shù)據(jù)如圖5（e）所示。

分別取各通道的力的最大值，并計(jì)算0-0.42s區(qū)間內(nèi)的平均值，對(duì)比如表1所示。

經(jīng)過1000Hz的低通濾波后，加速度測(cè)試數(shù)據(jù)依然波動(dòng)較大，峰值力均在1000kN以上，這與撞擊物的理論力值（設(shè)計(jì)峰值力在600kN左右，平均力在350kN左右）差距較大，反映出測(cè)試信號(hào)存在失真，而力傳感器數(shù)據(jù)則較為平穩(wěn)，最大力值在587kN左右，與理論力值相差較小。但平均力均反應(yīng)一致，在350kN左右。

繼續(xù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行60Hz低通濾波，加速度力值與測(cè)力傳感器力值曲線如圖6（a）-（e）所示。

分別取各通道的力的最大值，并計(jì)算0-0.42s區(qū)間內(nèi)的平均值，對(duì)比如表2所示。

經(jīng)過60Hz的低通濾波后，加速度數(shù)據(jù)波動(dòng)大幅降低，峰值力除撞擊臺(tái)車前部測(cè)點(diǎn)外，均已降至與力傳感器相似的水平，平均力值依然反應(yīng)一致，均在350kN左右，差別不大。

將60Hz濾波加速度計(jì)算出的平均力與直接力傳感器測(cè)出力對(duì)比，如圖7所示。

加速度計(jì)算數(shù)據(jù)與力傳感器測(cè)得數(shù)據(jù)相比可以看出，加速度計(jì)算得出力值曲線在局部波動(dòng)幅度相對(duì)較大，但與直接測(cè)得的力值整體走勢(shì)一致。

4結(jié)論

通過對(duì)軌道車輛進(jìn)行兩種測(cè)力方法的對(duì)比測(cè)試研究，按照標(biāo)準(zhǔn)1000Hz濾波條件下，加速度計(jì)算得出的峰值力與理論值相比偏差較大，平均力基本相同，而力傳感器測(cè)得力值無論峰力還是平均力均與理論值偏差較小;按照60Hz濾波條件下，加速度計(jì)算得出的峰值力基本與力傳感器測(cè)得的峰值力相同，但其波動(dòng)依然較力傳感器大，如峰值力出現(xiàn)在波動(dòng)較大處時(shí)，則峰值力測(cè)試誤差較大。

因此，在軌道車輛碰撞測(cè)力時(shí)，優(yōu)先選用測(cè)力傳感器測(cè)試，如無法實(shí)現(xiàn)，則可使用平均加速度計(jì)算得出，且宜采用60Hz進(jìn)行濾波，其平均力相對(duì)較為準(zhǔn)確，但峰值力可能存在偏差。

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作者簡介：楊國建，男，工程師，主要從事軌道車輛碰撞試驗(yàn)工作。

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