劉 凱，梁 森，董 磊，韓紹華，王 旭，計夢男

（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）

軌道交通作為大城市解決市民出行、增加城市效率的重要解決方案，其安全性被更廣泛的重視。除了增加主動防護(hù)等級，增加被動防護(hù)措施，通過增加安裝吸能附件和設(shè)置車輛自身結(jié)構(gòu)吸能區(qū)等方式，更大程度地增加了整車的安全性。

以國內(nèi)某B型車項目為例，為滿足EN15227標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)置了車輛前端吸能系統(tǒng)，主要包括車鉤、帶吸能的防爬器以及車體吸能區(qū)。本文詳細(xì)介紹了地鐵車輛前端吸能系統(tǒng)的設(shè)計流程和對該結(jié)構(gòu)的吸能特性分析。設(shè)計流程主要是，先根據(jù)車輛參數(shù)以及碰撞要求，初步擬定一個車鉤方案，根據(jù)車鉤的力值參數(shù)，綜合考慮車體的壓縮載荷和拉伸載荷，以及車體前端的吸能空間，得到初步方案的車鉤、防爬器以及車體前端吸能結(jié)構(gòu)的參數(shù)。對擬定的參數(shù)進(jìn)行碰撞仿真計算，根據(jù)仿真結(jié)果對前端吸能系統(tǒng)方案進(jìn)行驗(yàn)證。

1 車輛參數(shù)

1.1 車體強(qiáng)度

車體的壓縮載荷應(yīng)為1 000 kN，車體拉伸載荷應(yīng)為800 kN。

1.2 編組方式

=Tc－Mp－M＋M－Mp－Tc=

“＋”半自動車鉤；

“－”半永久式牽引桿；

“＝”全自動車鉤。

1.3 車重

Tc車（AW0加二分之一定員）：33.5 t；

Mp、M車（AW0加二分之一定員）：35 t。

1.4 碰撞工況

根據(jù)EN15227-2008+A1-2010《軌道交通鐵路車輛車身的防撞要求》的定義，本項目地鐵車輛屬于C-II類型車輛，碰撞場景需要滿足要求，進(jìn)行兩列相同配置列車的25 km/h碰撞分析，并計算當(dāng)一列6編組AW0（加二分之一定員）列車以25 km/h的速度與另一列靜止且不帶停放制動的6編組AW0（加二分之一定員）列車相互碰撞時吸收撞擊能量而客室無損壞。

2 前端吸能結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 車鉤選型

根據(jù)車輛編組要求，采用Tc車一位端為全自動車鉤，M1車和M2車之間為半自動車鉤，其余車輛之間為半永久車鉤。具體配置見表1。

表1 車鉤配置方案

2.2 防爬器配置

防爬器主要由防爬齒、吸能管、安裝法蘭和刀具4部分組成，其模型如圖1所示，在發(fā)生碰撞時分別起到以下作用。

圖1 第一級刨削式防爬器

（1）防爬齒：當(dāng)車輛碰撞時，兩車之間的防爬齒能夠相互嚙合，限制兩車之間的相對位移，這樣能夠阻止碰撞中的某一輛列車離開軌面騎爬到另一列車上。

（2）吸能管：在碰撞過程中承受垂向和側(cè)向載荷，并在刀具的作用下，吸能管金屬撕裂吸能。

（3）刀具：切削吸能管，使吸能管上的材料將動能轉(zhuǎn)換為內(nèi)能。

（4）安裝法蘭：與吸能管配合，將車輛端部的縱向、垂向和側(cè)向力可靠地傳遞至車體。

2.3 車體前端吸能區(qū)配置

為了最大程度地增加車輛的被動安全等級，不能一味地增加防爬器的長度，這對于車輛的美觀、客室容量以及司機(jī)室空間等都有影響。防爬器過長還有可能導(dǎo)致在碰撞過程中，防爬器剛度不夠發(fā)生彎折，無法起到防爬器的作用，會帶來更壞的影響。所以在防爬器吸能空間之外新增車體前端吸能區(qū)設(shè)計，更加有效地保證客室區(qū)域的安全。

車體前端吸能區(qū)主要由吸能箱和車體結(jié)構(gòu)吸能構(gòu)成。

2.3.1 吸能箱

吸能箱主要起蜂窩吸能和碰撞過程導(dǎo)向的作用。其結(jié)構(gòu)主要由前端安裝板、導(dǎo)向管、蒙皮、鋁蜂窩和安裝座5部分組成，其模型如圖2所示，在發(fā)生碰撞時分別起到以下作用。

圖2 第二級蒙皮蜂窩式吸能器

（1）前端安裝板：前端安裝板通過螺栓與第一級刨削式防爬器法蘭安裝的橫梁連接，在碰撞過程中將縱向力傳遞給蒙皮和鋁蜂窩。

（2）導(dǎo)向管：在碰撞過程中承受垂向和側(cè)向載荷。

（3）蒙皮：起到保護(hù)蜂窩的作用，在變形過程中與蜂窩一同變形吸能。

（4）鋁蜂窩：通過塑性變形吸收碰撞能量，是二級吸能器的主要吸能元件。

（5）安裝座：通過螺栓與車體連接，并于導(dǎo)向管配合。將蜂窩、導(dǎo)向管傳遞過來的縱向、垂向和側(cè)向力可靠地傳遞至車體。

2.3.2 車體前端吸能區(qū)

車體前端吸能區(qū)主要由橫梁、變形梁、地板支撐梁和地板4部分組成。其中，橫梁采用大截面鋁合金型材，具有較大的剛度，作為防爬器的安裝橫梁，且在車體碰撞變形過程中，能夠保證兩側(cè)的吸能裝置一起后退變形。橫梁通過焊接的方式與兩側(cè)的變形梁和司機(jī)室柱子連接；變形梁位于車端吸能區(qū)兩側(cè)，主要起到支撐司機(jī)室上部結(jié)構(gòu)以及司機(jī)室設(shè)備的作用，在碰撞過程中能通過塑性變形進(jìn)行變形吸能。變形梁與橫梁和車體端梁焊接在一起；地板支撐梁位于地板正下方，起到了支撐地板的作用，在吸能區(qū)變形吸能過程中，支撐梁也通過疊縮變形進(jìn)行吸能。支撐梁與橫梁和車體端梁焊接；地板通過焊接與車體端梁、變形梁和橫梁連接。

車體前端吸能區(qū)既做到了能夠滿足車輛日常使用的強(qiáng)度要求，又通過結(jié)構(gòu)削弱處理，能夠使吸能區(qū)的結(jié)構(gòu)在碰撞過程中發(fā)生變形吸能，更加有效地保護(hù)客室乘客安全。

車體前端吸能區(qū)采用鋁合金大斷面擠壓型材及板材制造，通過模擬分析，在合適的位置進(jìn)行結(jié)構(gòu)削弱處理，前端吸能區(qū)域的變形吸能力值為815 kN，吸能行程長度大于320 mm。

2.4 分級吸能原理

耐碰撞車輛結(jié)構(gòu)設(shè)計的目標(biāo)則是通過引入吸能結(jié)構(gòu)，合理設(shè)置不同部位的縱向壓縮強(qiáng)度，以保證在意外碰撞事故發(fā)生時，通過車體前端變形吸能結(jié)構(gòu)產(chǎn)生可控的、順序的變形來吸收碰撞產(chǎn)生的能量，這就是分級吸收原理。列車多級能量吸收系統(tǒng)的吸能順序和過程如圖3所示。采用多級能量吸收系統(tǒng)吸收撞擊能量，在吸能行程的0到55 mm區(qū)間內(nèi)，車鉤的彈性緩沖裝置起作用，此部分是可恢復(fù)的吸能裝置；在吸能行程的55 mm到255 mm區(qū)間內(nèi)，車鉤的壓潰管通過結(jié)構(gòu)變形起作用；在吸能行程的255 mm到445 mm區(qū)間內(nèi)，車鉤的過載保護(hù)裝置工作，車鉤的主體與車鉤緩沖器分離，車輛防爬器的防爬齒相嚙合，防爬器吸收碰撞產(chǎn)生的能量；在吸能行程的445 mm到765 mm區(qū)間內(nèi)，車鉤和防爬器的吸能達(dá)到極限，剩余能量由車體前端變形吸能區(qū)吸收，保證客室空間不受影響。

圖3 車體前端吸能結(jié)構(gòu)順序圖

3 碰撞仿真計算

3.1 計算方法

本報告采用多體動力學(xué)理論對軌道交通列車進(jìn)行碰撞能量一維仿真分析。將整個列車簡化成質(zhì)量彈簧系統(tǒng)，利用達(dá)朗貝爾原理，建立該系統(tǒng)的動力學(xué)平衡方程：

采用四階龍格庫塔方法對上述非線性微分方程組進(jìn)行求解。求得各車輛位移、速度隨時間的變化，進(jìn)而計算出車體在整個碰撞過程中的加速度、界面力和能量吸收隨時間的變化。

3.2 計算結(jié)果

3.2.1 車輛加速度

車輛在碰撞過程中的加速度與碰撞時間的結(jié)果如圖4所示。

圖4 車體加速度時程曲線

圖4顯示了兩列車碰撞過程中的最大加速度的變化，具體數(shù)值見表2。

表2 車輛最大加速度與平均加速度

從表2中可知，碰撞過程中最大的平均加速度為車5和車8，均為0.73 g，滿足EN15227規(guī)范第6.4.1條的要求。

3.2.2 車體速度時程曲線分析

車體速度時程曲線如圖5所示，模擬了碰撞過程中兩列車的速度變化，分別從0和25 km/h變成12.5 km/h左右。

圖5 車體速度時程曲線

3.2.3 界面力位移曲線分析

界面力-行程曲線如圖6所示，分別介紹了碰撞過程中一列車的6個界面中力與行程的情況，兩列車的6個界面可以近似認(rèn)為是相互對稱，所以只列舉了前6個界面，根據(jù)界面6的曲線可以看出在碰撞發(fā)生的過程中，力與行程的曲線與圖6的基本一致。

圖6 界面力-行程曲線

3.2.4 界面吸能曲線分析

分別對碰撞過程各個界面壓縮行程和吸能量進(jìn)行統(tǒng)計，結(jié)果見表3。

表3 界面壓縮量與吸能統(tǒng)計結(jié)果

碰撞過程中的兩列車總的系統(tǒng)能量變化曲線如圖7所示，初始動能在碰撞中被車體前端吸收掉2 413 kJ。

3.3 計算結(jié)果

根據(jù)計算可以證明車輛前端吸能系統(tǒng)方案，在一列6編組AW0（加二分之一定員）列車以25 km/h的速度與另一列靜止且不帶停放制動的6編組AW0（加二分之一定員）列車相互碰撞時，車體平均加速度/減速度為0.73 g，小于EN15227要求的5 g，并且由車鉤、防爬器和車體變形吸能區(qū)組成的車輛前端吸能系統(tǒng)能夠吸收兩列車在25 km/h碰撞產(chǎn)生的全部能量，滿足規(guī)范EN15227的要求。

4 結(jié)論

（1）對分級吸能原理進(jìn)行了描述，車輛前端吸能系統(tǒng)在碰撞過程中的能量吸收分為4級：第1級為車鉤緩沖裝置緩沖器，第2級為緩沖裝置中的壓潰變形管，第3級為車鉤剪切螺栓，第4級為位于頭車前端底架的吸能結(jié)構(gòu)和防爬器等可變形結(jié)構(gòu)。

（2）建立車輛前端吸能系統(tǒng)設(shè)計流程，先根據(jù)車體強(qiáng)度、車輛連掛需求初步設(shè)計車鉤參數(shù)，然后針對車重和碰撞速度等要求對防爬器和車體碰撞吸能區(qū)進(jìn)行設(shè)計。

（3）建立碰撞計算數(shù)學(xué)模型，通過各碰撞工況的數(shù)值仿真，計算出碰撞過程中的車輛加速度、車體速度變化、界面力和能量值等，以此印證方案設(shè)計的可行性。