趙子豪,李 寧,Anat Hasap,車全偉,姜焙晨,吳 悠

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

1 引 言

隨著時代的快速發(fā)展,城軌車輛逐漸成為人們出行的重要交通工具。近年來,城軌車輛的運行速度不斷提高、客流量不斷增大,其運行安全受到了更多的關注。一旦發(fā)生城軌車輛碰撞事故,會造成嚴重的人員傷亡和財產(chǎn)損失。由于車輛碰撞事故發(fā)生的原因復雜多變,僅靠主動安全防護技術不可能完全避免碰撞事故的發(fā)生。因此,列車被動安全保護設計逐漸成為研究熱點,城軌車輛防爬器的材料和結構研究是列車被動安全保護設計研究的一個重要方面。

在城軌車輛發(fā)生碰撞后,有時會發(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,可以通過鉤緩裝置、防爬器吸能裝置等將沖擊動能耗散掉。防爬器是通過其外側(cè)壁的齒形槽與撞擊車頭部的防爬器相嚙合,以達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構開展優(yōu)化設計研究,通過對結構與材料等方面的改進,提高防爬器吸能裝置的耐撞性和抗偏性能。

2 防爬器的設計思想與評價標準

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產(chǎn)生相對運動,刨刀刨削筒壁,刨削下條狀金屬[2]。刨削式防爬器主要通過刀具切削金屬管來吸收車輛撞擊時所產(chǎn)生的能量,并且通過前端防爬齒相互咬合來防止爬車。脹管式防爬器主要是列車在發(fā)生撞擊時,將錐管壓入脹管之中,通過二者摩擦來吸能,并通過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蒙皮包覆蜂窩等吸能元件,由吸能元件的塑性變形來吸收車輛撞擊時所產(chǎn)生的能量。包覆式防爬器相對于切削式和脹管式防爬器具有質(zhì)量輕、吸收載荷穩(wěn)定和無需后退空間等優(yōu)點。

關于防爬器的研究,金希紅等[3]在進行某型號地鐵工程車碰撞分析時,提出了一種基于LS-DYNA非彈性壓縮彈簧來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速度25km/h相撞為例進行仿真分析,計算鉤緩裝置以及防爬器對列車碰撞工況能量吸收的貢獻程度。陳淑琴等[4]利用Hypermesh和LS-DYNA有限元軟件分別模擬了無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程。梁炬星[5]通過LS-DYNA對防爬器切削吸能過程進行了數(shù)值仿真,并研究了初始切削厚度對整個切削吸能過程的影響。姜士鴻[6,7]基于Workbench及LS-DYNA,對防爬器吸能性能進行了分析,并通過試驗進行了驗證。

當兩列車發(fā)生碰撞時,首先是車鉤緩沖裝置發(fā)生緩沖,在其失效后整個鉤緩裝置從安裝螺栓上退出;隨后兩車防爬器開始接觸,這時兩對防爬器上齒形槽發(fā)生交疊而相互嚙合在一起,從而使防爬器后面的吸能結構僅受到縱向沖擊作用而發(fā)生有序疊縮塑性變形來耗散大量的沖擊動能,有效地保護乘客生命和財產(chǎn)安全。

依據(jù)EN 15227:2008《鐵道車輛車體耐碰撞性要求》和美國聯(lián)邦法規(guī)(CFR)第238部分《客車設備安全標準》等有關地鐵、輕軌車輛耐碰撞設計規(guī)范及準則,耐碰撞性地鐵列車頭車在低速下發(fā)生碰撞時,應達到如下要求[8-10]:兩列AW0或AW2列車以25km/h的速度相互碰撞時,沖擊能量全部由可復原和不可復原吸能元件吸收外,在車輛兩端部設置的車體結構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形式變形吸收能量;防爬器在整個碰撞過程中防爬齒互鎖不分離;要求主/被動車平均加速度不超過5g,每一個轉(zhuǎn)向架輪對至少有一個輪子保持與軌道接觸(其離軌面高度小于輪子法蘭高度75%),或在整個碰撞過程中防爬齒互鎖不分離的前提下,輪子抬升高度不超過100mm。

3 優(yōu)化前防爬器結構

3.1 優(yōu)化前防爬器幾何結構

優(yōu)化前的城軌車輛防爬器結構為鋁蜂窩防爬器,主要由安裝板、導向梁、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,長度為1.5m。優(yōu)化前防爬器結構的重量為82.95kg,其結構如圖1所示。

圖1 鋁蜂窩防爬器結構

3.2 優(yōu)化前防爬器仿真建模

根據(jù)優(yōu)化前防爬器的結構特點,選用合適的單元類型,采用有限元仿真軟件Hyperworks進行網(wǎng)格劃分。蜂窩芯、吸能梁、筋板、防爬齒安裝板采用殼單元劃分網(wǎng)格,導向梁、安裝板、防爬齒采用實體單元劃分網(wǎng)格,在上下吸能梁的結合處創(chuàng)建焊接點,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)點總數(shù)為605974。在整車仿真模型中,對車體和轉(zhuǎn)向架等結構進行了模型簡化,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特性的材料模型,可以直接輸入應力應變曲線,應用于導向梁、蜂窩芯等結構材料的參數(shù)定義。MAT_98是簡化Johnson-Cook本構模型,可以通過輸入相關參數(shù)進行定義,應用于吸能梁、筋板、安裝板、防爬齒等結構材料的參數(shù)定義。MAT_20是一種剛體材料模型,應用于固定螺栓、剛性板等結構材料的參數(shù)定義。防爬器結構各部件的材料模型及相關參數(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對優(yōu)化前防爬器結構進行碰撞仿真分析。將主動車碰撞的初始速度設定為25km/h,整車碰撞變形仿真結果如圖4所示,整車碰撞截面力曲線仿真結果如圖5所示。

(a) t=0.00s

圖5 整車碰撞截面力曲線

通過分析碰撞仿真結果可得,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)不可控漸進式狀態(tài)。通過分析整車碰撞截面力曲線可得,兩個防爬器在整個碰撞過程中也有較長一段時間處于分開狀態(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),在這段時間里接觸力高達850kN,兩個防爬器在X向力共1700kN,已經(jīng)超過車體所允許的1500kN的最大縱向力。兩個防爬器在X向被壓縮量為226mm,如圖6所示。

(a)碰撞前

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

圖7 主/被動車速度時間曲線

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

圖8 主動車加速度時間曲線

圖9 被動車加速度時間曲線

主/被動車車輪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)。結果顯示,每個輪對都有一個車輪在軌、一個車輪離軌。3個離軌高度超100mm,最大離軌高度超過223mm;最小離軌高度為97mm,也接近100mm。這些值雖然都偏高,存在一定的脫軌風險,但仍然滿足標準的要求。

表2 主/被動車車輪離軌高度與接觸狀態(tài)

(a)主動車后輪對

4 優(yōu)化后防爬器結構

4.1 優(yōu)化后防爬器幾何結構

為實現(xiàn)防爬器結構的輕量化,在原防爬器的基礎上進行結構優(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構的鋁蜂窩材料,并將原來的11塊隔板減少至6塊,取消防爬器的頭部前3個隔板間內(nèi)管。為了提高防爬器導向梁的強度,將導向梁的材料由Q235B改為Q420。優(yōu)化后防爬器結構的重量為68.04kg,較優(yōu)化前防爬器結構減重17.97%。優(yōu)化后的防爬器結構如圖11所示。

圖11 優(yōu)化后的防爬器結構

4.2 優(yōu)化后防爬器碰撞仿真分析

對優(yōu)化后的防爬器結構進行主動車25km/h初始速度的碰撞仿真分析。優(yōu)化后防爬器結構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。分析碰撞仿真結果可知,兩個防爬器的變形褶痕呈現(xiàn)可控漸進式,并且在整個碰撞過程中,兩個防爬齒持續(xù)咬合并保持接觸狀態(tài)。碰撞能量傳遞是漸緩進行的,接觸力保持在350kN左右,兩個防爬器在X向力共700kN,這個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,較原有設計大幅增加,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/被動車車體在X向的速度時間曲線。在約0.200s時,主/被動車取得相同的X向速度,此后各自速度波動幅度很小。主動車與被動車在開始階段各有一個速度突變,但與原設計方案相比小很多,這點也可以從下面的加速度曲線上得到驗證。主動車速度的下降與被動車速度的上升都相當平穩(wěn),這表明能量的交換進行得很平穩(wěn)。

圖15 主/被動車車體速度變化曲線

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

圖16 主動車車體加速度變化曲線

圖17 被動車車體加速度變化曲線

圖18為主/被動車車輪Z向位移云圖,相應地給出了車輪離軌高度,表3是離軌高度與接觸狀態(tài)。結果顯示,每個輪對都有一個車輪在軌、一個車輪離軌,但離軌高度較原設計大幅減少。按照EN 15227標準,達到了在整個碰撞過程中防爬齒互鎖不分離的前提下,輪子抬升高度不超過100mm的指標要求。

(a) 主動車后輪對

5 結束語

通過對城軌車輛防爬器結構的輕量化優(yōu)化設計研究,從防爬器結構與材料等方面進行了優(yōu)化設計改進。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,對優(yōu)化前和優(yōu)化后的防爬器結構進行了仿真分析。通過輕量化設計優(yōu)化,實現(xiàn)了城軌車輛防爬器結構由82.95kg減重至68.04kg,防爬器結構減重17.97%。通過碰撞仿真分析,驗證了優(yōu)化后的防爬器結構能夠滿足整車碰撞25km/h速度下以可控漸進形式變形吸收能量的碰撞標準設計要求,實現(xiàn)了在防爬器結構減重的同時提升防爬器結構的耐撞性和抗偏性能。優(yōu)化后的防爬器結構能夠更好地保護司乘人員的安全,具有重要的工程應用指導意義。