趙子豪,李 寧,Anat Hasap,車全偉,姜焙晨,吳 悠

(1.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司,中國(guó) 山東 青島 266000;2.泰國(guó)科學(xué)技術(shù)研究院,泰國(guó) 巴吞他尼府 空鑾縣 12120)

1 引 言

隨著時(shí)代的快速發(fā)展,城軌車輛逐漸成為人們出行的重要交通工具。近年來(lái),城軌車輛的運(yùn)行速度不斷提高、客流量不斷增大,其運(yùn)行安全受到了更多的關(guān)注。一旦發(fā)生城軌車輛碰撞事故,會(huì)造成嚴(yán)重的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。由于車輛碰撞事故發(fā)生的原因復(fù)雜多變,僅靠主動(dòng)安全防護(hù)技術(shù)不可能完全避免碰撞事故的發(fā)生。因此,列車被動(dòng)安全保護(hù)設(shè)計(jì)逐漸成為研究熱點(diǎn),城軌車輛防爬器的材料和結(jié)構(gòu)研究是列車被動(dòng)安全保護(hù)設(shè)計(jì)研究的一個(gè)重要方面。

在城軌車輛發(fā)生碰撞后,有時(shí)會(huì)發(fā)生一列車爬到另一列車上的事故,相撞車輛發(fā)生較大變形,導(dǎo)致乘客生存空間大幅度減少,事故的傷亡率較高[1],因此有必要在列車端部安裝防爬器。若兩列車僅在縱向發(fā)生沖擊作用,可以通過(guò)鉤緩裝置、防爬器吸能裝置等將沖擊動(dòng)能耗散掉。防爬器是通過(guò)其外側(cè)壁的齒形槽與撞擊車頭部的防爬器相嚙合,以達(dá)到防止撞擊車與被撞車發(fā)生交疊的目的。本文基于城軌車輛防爬器結(jié)構(gòu)開展優(yōu)化設(shè)計(jì)研究,通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)與材料等方面的改進(jìn),提高防爬器吸能裝置的耐撞性和抗偏性能。

2 防爬器的設(shè)計(jì)思想與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

防爬吸能器又名防爬器,通常安裝在軌道車輛的車頭前端,主要起到列車防爬和吸收車輛撞擊時(shí)所產(chǎn)生的能量的作用。防爬器主要分為刨削式、脹管式和包覆式3種。刨削式防爬器的刨刀與刨削筒會(huì)產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng),刨刀刨削筒壁,刨削下條狀金屬[2]。刨削式防爬器主要通過(guò)刀具切削金屬管來(lái)吸收車輛撞擊時(shí)所產(chǎn)生的能量,并且通過(guò)前端防爬齒相互咬合來(lái)防止爬車。脹管式防爬器主要是列車在發(fā)生撞擊時(shí),將錐管壓入脹管之中,通過(guò)二者摩擦來(lái)吸能,并通過(guò)前端的防爬齒咬合起到防爬的作用。包覆式防爬器主要通過(guò)蒙皮包覆蜂窩等吸能元件,由吸能元件的塑性變形來(lái)吸收車輛撞擊時(shí)所產(chǎn)生的能量。包覆式防爬器相對(duì)于切削式和脹管式防爬器具有質(zhì)量輕、吸收載荷穩(wěn)定和無(wú)需后退空間等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)于防爬器的研究,金希紅等[3]在進(jìn)行某型號(hào)地鐵工程車碰撞分析時(shí),提出了一種基于LS-DYNA非彈性壓縮彈簧來(lái)模擬鉤緩特性以及防爬器吸能特性的仿真方法,并以兩相同列車以相對(duì)速度25km/h相撞為例進(jìn)行仿真分析,計(jì)算鉤緩裝置以及防爬器對(duì)列車碰撞工況能量吸收的貢獻(xiàn)程度。陳淑琴等[4]利用Hypermesh和LS-DYNA有限元軟件分別模擬了無(wú)防爬吸能裝置和安裝防爬吸能裝置的城軌車輛頭車以12.25km/h和18km/h的速度正面碰撞固定剛性墻的過(guò)程。梁炬星[5]通過(guò)LS-DYNA對(duì)防爬器切削吸能過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值仿真,并研究了初始切削厚度對(duì)整個(gè)切削吸能過(guò)程的影響。姜士鴻[6,7]基于Workbench及LS-DYNA,對(duì)防爬器吸能性能進(jìn)行了分析,并通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。

當(dāng)兩列車發(fā)生碰撞時(shí),首先是車鉤緩沖裝置發(fā)生緩沖,在其失效后整個(gè)鉤緩裝置從安裝螺栓上退出;隨后兩車防爬器開始接觸,這時(shí)兩對(duì)防爬器上齒形槽發(fā)生交疊而相互嚙合在一起,從而使防爬器后面的吸能結(jié)構(gòu)僅受到縱向沖擊作用而發(fā)生有序疊縮塑性變形來(lái)耗散大量的沖擊動(dòng)能,有效地保護(hù)乘客生命和財(cái)產(chǎn)安全。

依據(jù)EN 15227:2008《鐵道車輛車體耐碰撞性要求》和美國(guó)聯(lián)邦法規(guī)(CFR)第238部分《客車設(shè)備安全標(biāo)準(zhǔn)》等有關(guān)地鐵、輕軌車輛耐碰撞設(shè)計(jì)規(guī)范及準(zhǔn)則,耐碰撞性地鐵列車頭車在低速下發(fā)生碰撞時(shí),應(yīng)達(dá)到如下要求[8-10]:兩列AW0或AW2列車以25km/h的速度相互碰撞時(shí),沖擊能量全部由可復(fù)原和不可復(fù)原吸能元件吸收外,在車輛兩端部設(shè)置的車體結(jié)構(gòu)碰撞變形能量吸收區(qū)參與碰撞能量吸收,使傳遞到乘客身上的加速度值在允許極限范圍內(nèi)。防爬器需滿足以可控漸進(jìn)形式變形吸收能量;防爬器在整個(gè)碰撞過(guò)程中防爬齒互鎖不分離;要求主/被動(dòng)車平均加速度不超過(guò)5g,每一個(gè)轉(zhuǎn)向架輪對(duì)至少有一個(gè)輪子保持與軌道接觸(其離軌面高度小于輪子法蘭高度75%),或在整個(gè)碰撞過(guò)程中防爬齒互鎖不分離的前提下,輪子抬升高度不超過(guò)100mm。

3 優(yōu)化前防爬器結(jié)構(gòu)

3.1 優(yōu)化前防爬器幾何結(jié)構(gòu)

優(yōu)化前的城軌車輛防爬器結(jié)構(gòu)為鋁蜂窩防爬器,主要由安裝板、導(dǎo)向梁、筋板、蜂窩芯、吸能梁、防爬齒和防爬齒安裝板組成。該防爬器包括11塊隔板以及起加強(qiáng)作用的鋁蜂窩材料。蜂窩芯呈梯形分布,截面形狀為帶筋的正六邊形,長(zhǎng)度為1.5m。優(yōu)化前防爬器結(jié)構(gòu)的重量為82.95kg,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 鋁蜂窩防爬器結(jié)構(gòu)

3.2 優(yōu)化前防爬器仿真建模

根據(jù)優(yōu)化前防爬器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),選用合適的單元類型,采用有限元仿真軟件Hyperworks進(jìn)行網(wǎng)格劃分。蜂窩芯、吸能梁、筋板、防爬齒安裝板采用殼單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格,導(dǎo)向梁、安裝板、防爬齒采用實(shí)體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格,在上下吸能梁的結(jié)合處創(chuàng)建焊接點(diǎn),材料與吸能梁一致,如圖2所示。最終,模型所劃分的網(wǎng)格單元總數(shù)為813170,節(jié)點(diǎn)總數(shù)為605974。在整車仿真模型中,對(duì)車體和轉(zhuǎn)向架等結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模型簡(jiǎn)化,最終形成的整車碰撞仿真模型如圖3所示。

(a)殼體單元(SHELL) (b)實(shí)體單元(SOLID)

圖3 整車碰撞模型

仿真建模中使用的材料模型包括:MAT_24、MAT_98、MAT_20。MAT_24是一種能夠反映材料彈塑性力學(xué)特性的材料模型,可以直接輸入應(yīng)力應(yīng)變曲線,應(yīng)用于導(dǎo)向梁、蜂窩芯等結(jié)構(gòu)材料的參數(shù)定義。MAT_98是簡(jiǎn)化Johnson-Cook本構(gòu)模型,可以通過(guò)輸入相關(guān)參數(shù)進(jìn)行定義,應(yīng)用于吸能梁、筋板、安裝板、防爬齒等結(jié)構(gòu)材料的參數(shù)定義。MAT_20是一種剛體材料模型,應(yīng)用于固定螺栓、剛性板等結(jié)構(gòu)材料的參數(shù)定義。防爬器結(jié)構(gòu)各部件的材料模型及相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 防爬器各部件材料模型及參數(shù)

3.3 優(yōu)化前防爬器碰撞仿真分析

采用LS-DYNA對(duì)優(yōu)化前防爬器結(jié)構(gòu)進(jìn)行碰撞仿真分析。將主動(dòng)車碰撞的初始速度設(shè)定為25km/h,整車碰撞變形仿真結(jié)果如圖4所示,整車碰撞截面力曲線仿真結(jié)果如圖5所示。

(a) t=0.00s

圖5 整車碰撞截面力曲線

通過(guò)分析碰撞仿真結(jié)果可得,在碰撞的剛開始階段,壓縮褶痕就出現(xiàn)在兩防爬器的頭部、中部和尾部,防爬器的變形呈現(xiàn)不可控漸進(jìn)式狀態(tài)。通過(guò)分析整車碰撞截面力曲線可得,兩個(gè)防爬器在整個(gè)碰撞過(guò)程中也有較長(zhǎng)一段時(shí)間處于分開狀態(tài)(0.11s～0.23s),且防爬齒處有Z向大幅度的抬升。

究其原因,防爬器縱向剛度太高,能量傳遞主要發(fā)生在剛開始的0.11s之內(nèi),在這段時(shí)間里接觸力高達(dá)850kN,兩個(gè)防爬器在X向力共1700kN,已經(jīng)超過(guò)車體所允許的1500kN的最大縱向力。兩個(gè)防爬器在X向被壓縮量為226mm,如圖6所示。

(a)碰撞前

主動(dòng)車車體與被動(dòng)車車體在X向的速度時(shí)間曲線如圖7所示。在0.072s時(shí),主/被動(dòng)車取得相同的X向速度,此后各自圍繞此速度波動(dòng),但幅度較小,大部分的能量交換在很短的時(shí)間內(nèi)完成了。主動(dòng)車在0.013s～0.014s間發(fā)生很大速度突變。

圖7 主/被動(dòng)車速度時(shí)間曲線

主動(dòng)車車體在X向的加速度時(shí)間曲線如圖8所示,瞬態(tài)最大加速度為80g。依據(jù)EN 15227中計(jì)算平均加速度的定義,可以得出在碰撞過(guò)程中主動(dòng)車的平均加速度有兩個(gè),在剛開始階段的平均加速度為5.84g,在結(jié)束前階段的平均加速度為2.20g。被動(dòng)車車體在X向的加速度時(shí)間曲線如圖9所示,瞬態(tài)最大加速度約135g。在剛開始階段的平均加速度為5.96g,在結(jié)束前階段的平均加速度為0.58g。

圖8 主動(dòng)車加速度時(shí)間曲線

圖9 被動(dòng)車加速度時(shí)間曲線

主/被動(dòng)車車輪Z向位移云圖顯示了碰撞后的車輪離軌高度,如圖10所示;表2是離軌高度與接觸狀態(tài)。結(jié)果顯示,每個(gè)輪對(duì)都有一個(gè)車輪在軌、一個(gè)車輪離軌。3個(gè)離軌高度超100mm,最大離軌高度超過(guò)223mm;最小離軌高度為97mm,也接近100mm。這些值雖然都偏高,存在一定的脫軌風(fēng)險(xiǎn),但仍然滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求。

表2 主/被動(dòng)車車輪離軌高度與接觸狀態(tài)

(a)主動(dòng)車后輪對(duì)

4 優(yōu)化后防爬器結(jié)構(gòu)

4.1 優(yōu)化后防爬器幾何結(jié)構(gòu)

為實(shí)現(xiàn)防爬器結(jié)構(gòu)的輕量化,在原防爬器的基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。用2mm厚且截面尺寸為140mm×157mm的內(nèi)方管替換原防爬器結(jié)構(gòu)的鋁蜂窩材料,并將原來(lái)的11塊隔板減少至6塊,取消防爬器的頭部前3個(gè)隔板間內(nèi)管。為了提高防爬器導(dǎo)向梁的強(qiáng)度,將導(dǎo)向梁的材料由Q235B改為Q420。優(yōu)化后防爬器結(jié)構(gòu)的重量為68.04kg,較優(yōu)化前防爬器結(jié)構(gòu)減重17.97%。優(yōu)化后的防爬器結(jié)構(gòu)如圖11所示。

圖11 優(yōu)化后的防爬器結(jié)構(gòu)

4.2 優(yōu)化后防爬器碰撞仿真分析

對(duì)優(yōu)化后的防爬器結(jié)構(gòu)進(jìn)行主動(dòng)車25km/h初始速度的碰撞仿真分析。優(yōu)化后防爬器結(jié)構(gòu)的整車碰撞變形情況及整車碰撞截面力曲線如圖12、圖13所示。分析碰撞仿真結(jié)果可知,兩個(gè)防爬器的變形褶痕呈現(xiàn)可控漸進(jìn)式,并且在整個(gè)碰撞過(guò)程中,兩個(gè)防爬齒持續(xù)咬合并保持接觸狀態(tài)。碰撞能量傳遞是漸緩進(jìn)行的,接觸力保持在350kN左右,兩個(gè)防爬器在X向力共700kN,這個(gè)力小于車體所允許的1500kN的最大縱向力。兩防爬器被壓縮775mm,如圖14所示,較原有設(shè)計(jì)大幅增加,在防爬齒處Z向沒有抬升。

(a) t=0.00s

圖13 整車碰撞截面力曲線

(a) 碰撞前

圖15為主/被動(dòng)車車體在X向的速度時(shí)間曲線。在約0.200s時(shí),主/被動(dòng)車取得相同的X向速度,此后各自速度波動(dòng)幅度很小。主動(dòng)車與被動(dòng)車在開始階段各有一個(gè)速度突變,但與原設(shè)計(jì)方案相比小很多,這點(diǎn)也可以從下面的加速度曲線上得到驗(yàn)證。主動(dòng)車速度的下降與被動(dòng)車速度的上升都相當(dāng)平穩(wěn),這表明能量的交換進(jìn)行得很平穩(wěn)。

圖15 主/被動(dòng)車車體速度變化曲線

圖16為主動(dòng)車車體X向加速度時(shí)間曲線及統(tǒng)計(jì)分析。按照EN 15227平均加速度計(jì)算定義,主動(dòng)車車體的平均加速度為0.773g,滿足平均加速度不超過(guò)5g的指標(biāo)要求。被動(dòng)車車體X向加速度時(shí)間曲線及統(tǒng)計(jì)分析如圖17所示,被動(dòng)車車體的平均加速度為0.054g,滿足平均加速度不超過(guò)5g的指標(biāo)要求。

圖16 主動(dòng)車車體加速度變化曲線

圖17 被動(dòng)車車體加速度變化曲線

圖18為主/被動(dòng)車車輪Z向位移云圖,相應(yīng)地給出了車輪離軌高度,表3是離軌高度與接觸狀態(tài)。結(jié)果顯示,每個(gè)輪對(duì)都有一個(gè)車輪在軌、一個(gè)車輪離軌,但離軌高度較原設(shè)計(jì)大幅減少。按照EN 15227標(biāo)準(zhǔn),達(dá)到了在整個(gè)碰撞過(guò)程中防爬齒互鎖不分離的前提下,輪子抬升高度不超過(guò)100mm的指標(biāo)要求。

(a) 主動(dòng)車后輪對(duì)

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)城軌車輛防爬器結(jié)構(gòu)的輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)研究,從防爬器結(jié)構(gòu)與材料等方面進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)改進(jìn)。利用有限元仿真軟件HyperWorks與LS-DYNA,建立城軌車輛碰撞仿真模型,對(duì)優(yōu)化前和優(yōu)化后的防爬器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真分析。通過(guò)輕量化設(shè)計(jì)優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)了城軌車輛防爬器結(jié)構(gòu)由82.95kg減重至68.04kg,防爬器結(jié)構(gòu)減重17.97%。通過(guò)碰撞仿真分析,驗(yàn)證了優(yōu)化后的防爬器結(jié)構(gòu)能夠滿足整車碰撞25km/h速度下以可控漸進(jìn)形式變形吸收能量的碰撞標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)要求,實(shí)現(xiàn)了在防爬器結(jié)構(gòu)減重的同時(shí)提升防爬器結(jié)構(gòu)的耐撞性和抗偏性能。優(yōu)化后的防爬器結(jié)構(gòu)能夠更好地保護(hù)司乘人員的安全,具有重要的工程應(yīng)用指導(dǎo)意義。