衛(wèi) 亮 康 巍 萬 平

(1.大功率交流傳動電力機(jī)車系統(tǒng)集成國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，412001，株洲;2.中車株洲電力機(jī)車有限公司，412001，株洲∥第一作者，工程師)

對事故車輛車體結(jié)構(gòu)破壞吸能與動態(tài)響應(yīng)過程的調(diào)查研究，是提高軌道車輛耐撞性設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)性問題。目前，國內(nèi)關(guān)于軌道列車耐撞性設(shè)計(jì)的研究中，尚未有事故車輛結(jié)構(gòu)破壞情況的公開研究報(bào)道。城市軌道交通車輛運(yùn)營環(huán)境單一，發(fā)生事故的概率很低，但車輛在調(diào)試、調(diào)車等非運(yùn)營情況下發(fā)生事故的情況并不罕見。自2014年以來，僅在北京地區(qū)就發(fā)生過3起不同嚴(yán)重程度的地鐵、有軌電車事故。這些事故雖均未造成嚴(yán)重的人員傷亡，但該非典型工況下的城市軌道交通車輛碰撞事故仍然具備一定風(fēng)險(xiǎn)。

本文以2015年3月25日北京軌道交通車輛某線列車的脫軌碰撞事故為例，通過對事故列車車體的結(jié)構(gòu)破壞進(jìn)行調(diào)查，分析車輛結(jié)構(gòu)的破壞特征，拼接還原事故中各車輛的最終狀態(tài)，為后續(xù)的城市軌道交通車輛耐撞性研究與事故動態(tài)仿真提供一定的理論基礎(chǔ)。

1 事故簡介

事故發(fā)生于2015年3月25日15：00，列車從車輛段內(nèi)部測試軌道盡頭沖出，與河道發(fā)生脫軌碰撞事故，列車橫穿公路，最終車頭栽入緊靠公路的河道里。該列車為6輛編組(YZ0211—YZ0216)。事故導(dǎo)致 4節(jié)列車車體產(chǎn)生嚴(yán)重變形(見圖1)。事故發(fā)生時(shí)，列車處于車輛調(diào)試階段，并沒有搭載乘客，事故地點(diǎn)附近也沒有其他行人或車輛，事故僅導(dǎo)致一名駕駛員腿部骨折。

圖1 車輛碰撞現(xiàn)場及最終狀態(tài)示意圖[1]Fig.1 Diagram of site and final status of vehicle collision[1]

本次事故中，列車初時(shí)速度為30～40 km/h，其穿過長為22 m的草地，擊穿柵欄后直接竄上公路，穿行約60 m后車頭插入路邊河堤中。事故導(dǎo)致頭車(YZ0211)車體駕駛室嚴(yán)重變形，后繼中間車(YZ0212—YZ0214)車體由于鐵道路基、草地、公路路基的地形起伏，在巨大撞擊動能作用下，各車廂之間發(fā)生垂直方向上的爬車和水平方向上的蛇行錯(cuò)位碰撞現(xiàn)象。車體的主要破壞變形區(qū)域集中在駕駛室以及各節(jié)車廂之間相互擠壓的碰撞區(qū)域，其不銹鋼車體底架、頂棚、側(cè)墻和端墻等模塊間的連接處在事故中受到了嚴(yán)峻的考驗(yàn)。

2 事故車輛結(jié)構(gòu)破壞變形分析

2.1 頭車及駕駛室結(jié)構(gòu)變形破壞分析

事故車輛為B型不銹鋼車體，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。該型號車輛車體采用301L車輛專用不銹鋼，通過焊接形成薄壁整體承載結(jié)構(gòu)。車體由側(cè)墻、端墻、底架、頂棚和駕駛室等模塊組成，各模塊之間通過點(diǎn)焊連接。側(cè)墻、端墻頂棚由外墻薄板與補(bǔ)強(qiáng)型材點(diǎn)焊連接形成空腔結(jié)構(gòu)。車前底架設(shè)有防爬器，在防爬器后的底架設(shè)有誘導(dǎo)孔的吸能變形區(qū)。

圖2 不銹鋼車輛結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Diagram of stainless steel vehicle structure

YZ0211車體插入河堤中發(fā)生變形，前端最終狀態(tài)示意圖如圖3 a)和圖3 b)所示。YZ0211車體設(shè)有防爬器和具備誘導(dǎo)孔的吸能單元，如圖3 c)所示。車頭撞入河道泥土，因泥土剛度相對較低，所以防爬器及后面能量吸收單元沒有發(fā)生明顯的塑性變形。頭車落入河道過程中，YZ0211車體的轉(zhuǎn)向架與車體發(fā)生相對較大角度的擺動。由于轉(zhuǎn)向架上的懸掛與抗側(cè)滾、抗翻轉(zhuǎn)等設(shè)施的綜合作用，轉(zhuǎn)向架只與底架上的電氣管線發(fā)生撞擊，并沒有撞擊到車體底架，如圖3 d)所示。

圖3 YZ0211車體前端最終狀態(tài)示意圖Fig.3 Diagram of final status of YZ0211 vehicle body front end

事故后，駕駛室內(nèi)部被入侵的情況如圖4所示。撞擊發(fā)生后，窗下橫梁與窗下立柱發(fā)生嚴(yán)重變形并內(nèi)翻，座椅上的司機(jī)被翻轉(zhuǎn)的操作臺壓住，座椅隨著駕駛室的入侵也被迫向后傾倒，司機(jī)腿部由于空間不足導(dǎo)致骨折。

駕駛室框架通過8根立柱與底架連接。中間4根較短的窗下立柱位于駕駛室正前方，通過螺栓連接于駕駛室地板上。事故中，由于車頭框架受力，窗下立柱產(chǎn)生形變并帶起地板，進(jìn)而螺栓受力被拔出(見圖5)。4根較短的窗下立柱失效后，隨著駕駛室框架繼續(xù)變形，大部分撞擊力由外側(cè)2根較長的立柱承擔(dān)，導(dǎo)致立柱與底架焊縫處發(fā)生斷裂(見圖6)。最終，駕駛室正前方的6根立柱連接全部失效，駕駛室框架失去了底架的支撐，發(fā)生嚴(yán)重形變而被入侵約50 cm。

圖4 駕駛室內(nèi)部變形圖Fig.4 Diagram of driver’s cabin interior deformation

圖5 窗下立柱螺栓連接失效示意圖

2.2 中間車結(jié)構(gòu)變形破壞分析

在撞擊河道后，YZ0211車體停止運(yùn)動，但后繼5輛車仍具有相當(dāng)大的動能，進(jìn)而發(fā)生了一系列的連續(xù)碰撞。YZ0212車體端墻與翹起的YZ0211車尾端底架碰撞，如圖7所示。在后繼車輛的連續(xù)沖擊力作用下，YZ0212車體側(cè)墻也跟隨端墻發(fā)生嚴(yán)重屈曲變形,端墻的縱向壓縮量約為30 cm，底架垂向變形量約為10 cm。YZ0213車體在制動過程中,受到地形與鉤緩結(jié)構(gòu)引導(dǎo)發(fā)生爬車趨勢，其底架嵌入前車YZ0212車體端墻，YZ0212車體端墻縱向壓縮約40 cm(見圖8),車廂側(cè)墻發(fā)生斷裂，裂紋長度約為28 cm。這種爬車現(xiàn)象讓車廂變形主要集中在端墻、側(cè)墻、底架和頂棚等模塊的連接處。

圖6 窗下立柱焊接失效示意圖

圖7 YZ0211車體與YZ0212車體撞擊后的變形照片

這種車輛之間的錯(cuò)位碰撞現(xiàn)象，對中間車車體造成了嚴(yán)重的破壞。文獻(xiàn)[2]將這種現(xiàn)象簡化為采用完全重疊工況和垂向偏移工況的靜載試驗(yàn)，并通過試驗(yàn)研究表明,相比于完全重疊工況，垂向偏移工況下，車體的抗壓縮能力下降了60%，在相同變形情況下的能量吸收也大大減少。點(diǎn)焊工藝的抗剪切能力高于抗拔拉能力。YZ0212車體側(cè)墻與底架的連接在母材已經(jīng)出現(xiàn)裂紋的情況下，焊點(diǎn)只發(fā)生了少數(shù)的剪切失效(見圖8 d))。而在YZ0213車體端墻與頂棚的連接位置，點(diǎn)焊受到拔拉方向的力而發(fā)生變形，發(fā)生大面積的焊點(diǎn)拔拉失效(見圖8f))。YZ0212車體在端墻受到后車底架沖擊后，端墻外蒙皮與底架連接的塞焊剪切失效(見圖8 e))。

圖8 YZ0212車體與YZ0213車體撞擊后的變形照片F(xiàn)ig.8 Photo of deformation after collision between YZ0212 and YZ0213 vehicle bodies

碰撞結(jié)束時(shí)，YZ0214車體后半部分停留在高為0.5 m的軌道上，其前半部分與YZ0213車體相撞。由于兩節(jié)車廂位于整列車的中間位置，發(fā)生碰撞時(shí)的動能相對較小，僅僅在頂棚與端墻連接處發(fā)生了小面積的塑性變形(見圖9)。

圖9 YZ0213車體與YZ0214車體撞擊后的變形照片

3 鉤緩連接系統(tǒng)的破壞調(diào)查

鉤緩連接系統(tǒng)的動態(tài)行為對列車縱向動力學(xué)能夠產(chǎn)生極大的影響[3-7]。城市軌道交通車輛的鉤緩連接系統(tǒng)除了擔(dān)負(fù)車輛之間的連接以及傳遞和緩沖車輛的運(yùn)動外，也是城市軌道交通車輛多級吸能中不可缺少的環(huán)節(jié)。文獻(xiàn)[8]指出，對于有多級吸能設(shè)計(jì)的軌道車輛，鉤緩裝置應(yīng)在中、低速碰撞中起到主要的吸能緩沖作用。本文所涉及的事故車輛全自動車鉤(頭車)和半永久車鉤(中間車)在碰撞過程中相繼發(fā)生破壞變形，起到了部分吸能作用。

3.1 全自動車鉤的變形破壞

事故車輛的全自動車鉤由連接系統(tǒng)、擴(kuò)張式壓潰管和橡膠回轉(zhuǎn)支座等3個(gè)部分組成，如圖10 a)所示。壓潰吸能管在事故過程中發(fā)生擴(kuò)張式壓潰，事故后只有橡膠回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)與車體保持連接，如圖10 b)所示。

圖10 碰撞后僅剩下支座的全自動車鉤Fig.10 Automatic coupler with only bracket after collision

3.2 半永久車鉤的變形破壞

事故列車的各車輛間由一對半永久車鉤相連接。半永久車鉤主要由回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、橡膠緩沖器、牽引桿、壓潰管、導(dǎo)向桿和安裝座等構(gòu)成。在碰撞事故中，半永久車鉤主要依靠橡膠緩沖變形以及擴(kuò)張式壓潰管破裂吸能[8]。

本次事故中，只有頭車YZ0211車體尾端的半永久車鉤觸發(fā)了壓潰失效，事故后僅剩下支座與回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，如圖11 a)所示,其余各節(jié)車體發(fā)生碰撞的半永久車鉤的壓潰機(jī)構(gòu)并沒有被觸發(fā)，如圖11 b)和圖11 c)所示。事故中，各車廂之間一方面受到前后撞擊力的擠壓，另一方面由于地形的起伏，部分縱向撞擊力被轉(zhuǎn)化為垂向的沖擊力矩作用于中間車鉤上，后車底架被抬起進(jìn)而撞擊到前車底架，如圖11 d)所示。由圖11可知，在垂向的沖擊力矩作用下，車鉤的牽引桿部分與底架發(fā)生碰撞，并留有撞擊凹痕。

圖11 事故后的半永久車鉤照片及其垂向力矩示意圖

4 結(jié)論

1) 該次事故中，車體結(jié)構(gòu)破壞的位置主要集中在駕駛室框架、底架、側(cè)墻和端墻等模塊的連接處。駕駛室框架在與河道接觸碰撞過程中與底架的連接失效，駕駛室內(nèi)部空間被入侵約50 cm。

2) 在復(fù)雜的事故地形和鉤緩系統(tǒng)的共同影響下，各節(jié)車廂在沖擊力作用下發(fā)生了一系列相互錯(cuò)位的碰撞。車體破壞表現(xiàn)為塑性變形與多種形式的韌性斷裂。YZ0212車體是事故中變形斷裂最為嚴(yán)重的車廂，其緊鄰頭車YZ0211的I端位縱向壓縮量約為30 cm，垂向變形約為10 cm；與YZ0213車體碰撞的II端位縱向壓縮量約為40 cm，并在側(cè)墻出現(xiàn)長約28 cm的裂紋。

3) 事故中涉及的全自動車鉤和半永久車鉤在碰撞過程中部分壓潰，起到了一定的吸能作用。半永久車鉤在事故中由于垂向的力矩與底架發(fā)生碰撞。