碰撞脱轨事故下高速列车横向限位装置动力学特性及结构强度研究

侯帅昌，霍鑫龙，张相宁，卓天宇，高广军

碰撞脱轨事故下高速列车横向限位装置动力学特性及结构强度研究

侯帅昌1，霍鑫龙1，张相宁1，卓天宇2，高广军2

(1. 中车唐山机车车辆有限公司 技术研究中心，河北 唐山 063035；2. 中南大学 交通运输工程学院 轨道交通安全教育部重点实验室，湖南 长沙 410075)

基于试验和仿真分析对横向限位装置在列车碰撞事故下的动力学响应特性以及结构强度进行研究。仿真与试验结果表明：横向限位装置结构可靠且能够对列车碰撞脱轨事故进行防治。建立动力学仿真模型对横向限位装置的工作模式进行分析，在碰撞引起脱轨的过程中横向限位装置可以有效地分担轮轨横向力并制止车轮的爬轨趋势。通过有限元分析对该装置的结构强度进行验证，与试验结果对比可知误差基本稳定在5%以内，证明了横向限位装置可以承受200 kN均布载荷的作用，能够应用于列车脱轨防治工作之中。

脱轨；横向限位装置；动力学特性；有限元分析；轨道安全

列车脱轨事故的频繁发生会对乘员人身安全造成极大的威胁，并对国民经济建设造成无法预估的损失。2020年3月发生在湖南省郴州市的T179次客运列车撞击塌方体脱轨事故就引起了国人的关注，时隔仅半个月，K7384次列车又在锦州至承德段间脱轨。而在国外，仅2020年第1季度就有意大利、澳大利亚、法国等国家分别发生了不同程度的列车脱轨事故。为了杜绝或降低列车脱轨事故所造成的损失，提高铁道车辆的防脱轨性能是提升列车运行安全性的重要方法。从铁路诞生之日起，各国对于轨道车辆轮轨关系的研究就从未停止。目前。世界各国对于轨道车辆防脱轨性能的研究通常为对铁路基础设施的优化设计，旨在开发一种高效可靠的铁路基础设施作为脱轨防护的主要手段。针对轨道车辆脱轨事故的研究目前主要集中于对轨道车辆轮轨接触状态的研究和对于铁路基础设施的优化设计之中。在过去的百余年中，关于轮轨接触关系理论的研究已经取得了较为显著的进展。20世纪60年代以来，Ishida等[1]针对轮轨关系的稳定性展开了详尽的研究，发现只要脱轨系数超过0.8的时长控制在15 ms之内且车轮抬升量不超过1 mm，轮轨关系依旧能够保持充足的稳定。本世纪初，翟婉明等[2]分析了列车脱轨问题，认为轮轨抬升量可以作为评判列车状态的安全标准。上述理论研究均证明了在轨道车辆脱轨的动态过程中，车轮抬升量是影响车辆轮轨约束关系最终状态的重要指标之一，并且在短时间内的车轮剧烈抬升很容易引发列车脱轨事故的发生。而各类列车运行脱轨防护的设施和结构优化设计也得到了广泛地研究，近年来，随着轮轨接触关系理论研究的日臻完善以及车辆系统动力学方法的成熟和计算机算力的发展，针对列车脱轨防治技术的探究也在逐渐深入。GONG等[3]针对货运列车脱轨事故进行了能量随机分析，通过列车−轨道空间振动模型对超速过弯情况下货运列车转向架的摇头角及横向相对位移进行了数据分析，并对9～10级烈度地震情况下的货运列车脱轨行为进行全过程分析，开发对应的脱轨检测装置[4]，此外还对轨道扣件的横向刚度提出了具体的建议[5]。其他诸如：轮轨接触几何参数[6]、三角坑缺陷幅值[7]、车轮轮廓优化设计[8]、车轮直径非圆缺陷[9]等轮轨接触关系的研究也使得列车脱轨防治工作拥有了更为坚实的理论依据。此外，在工程应用领域，货车脱轨自制动装置[10]在货运列车发生脱轨时会紧急触发列车制动以降低脱轨事故的损失，槽型轨[11]则依靠增强轮轨匹配程度和减小磨耗的方式来降低列车的脱轨风险。由于列车发生碰撞时产生的冲击很容易造成车辆脱轨，具有一定的代表性，因此各国学者也投入了大量精力开展列车碰撞脱轨事故的相关研究。Drazetic等[12]采用弹簧和阻尼相连的集总质量模型对列车30 km/h正面碰撞事故产生的动力学响应进行了分析。Jeong等[13]则对冲击碰撞下高速列车的脱轨行为进行研究，得到了5种轮对脱轨外力的表现形式。LING等[14−15]对列车在交叉口处的碰撞安全问题进行了深入剖析，通过构建动力学仿真模型对列车碰撞脱轨事故中的行为和机理进行了研究。本文在上述研究的基础设计了一种安装于列车转向架上的车载高速列车横向限位装置结构，通过控制列车在碰撞过程中发生的车轮轮缘爬轨和横向位移，达到了较好的脱轨防治性能。本文研究了与某型高速列车适配的防脱轨装置在列车与障碍物发生正面斜向碰撞情况下的动力学响应，并以此检验装置的结构强度，从而论证该装置设计的合理性。文章第1部分提出了高速列车横向限位装置的设计思路和几何模型；第2部分构建了高速列车动力学仿真模型，并在列车与障碍物正面斜向碰撞情况下探究该装置的脱轨防治效果；第3部分则建立了横向限位装置的有限元仿真模型，对其进行结构强度分析；第4部分对装置样机进行试制，并通过试验验证结构强度分析的结果。

1 结构几何模型

本文设计的高速列车横向限位装置可安装于高速列车转向架两侧的中部区域，装置在纵向上与前后轮对的距离相同且装置垂向约束平面在横向上与轮缘平齐，具体安装位置如图1所示。在列车正常运行过程中，该装置与轨道不发生接触，不会影响列车正常运行。当列车发生碰撞事故时，转向架一端车轮会率先抬升并产生横向位移，此时该装置会与轨道相接触，代替车轮形成临时的转向架和轨道间的约束，从而减缓车轮爬轨趋势，防治列车脱轨事故的发生。横向限位装置的结构由上部安装平面、垂向约束平面以及加固用的肋板和加强筋组成。其中上部安装平面分别由厚度均为30 mm的420 mm*350 mm的平板和150 mm*350 mm的平板组成；垂向约束平面则为厚度为32 mm的483 mm*350 mm平板，约束平面下部与车轮轮缘形状一致并开有倒角以便顺利通过道岔、护轨等复杂线路情况。装置在3块主要结构之间分别添加了3条等距离的加强筋，从而增强装置的结构，用以应对列车脱轨事故发生时装置与轨道之间的冲击。

图1 横向限位装置示意图

通过对装置结构进行上述设计，安装于某型高速列车转向架上的横向限位装置垂向约束平面可以与车轮轮缘保持同样的垂向高度和横向宽度，从而保证装置在列车正常运行时不与轨道发生接触。当列车产生脱轨趋势时，转向架的前轮对由于较大的横向作用力而爬上了轨道。安装了横向限位装置后，该装置将与转向架后轮对重新构建了一组转向架的横向约束，从而限制了转向架的横向位移。由于该装置仅具有横向约束，因此该装置在发生横向移动后不会像车轮那样向上移动，从而避免了像车轮一样使转向架脱轨趋势加剧的问题，具体情况如图3所示。

图2 横向限位装置的几何结构

图3 横向限位装置工作原理

2 动力学仿真分析

为了验证所设计的高速列车横向限位装置在高速列车碰撞事故下的脱轨防治能力，在SIMPACK软件平台中对高速列车的动力学仿真模型进行构建，并建立对应的碰撞仿真工况从而对事故进行动力学仿真分析。

2.1 动力学仿真模型建立

本文中采用的是42个自由度(DOF)的车辆系统动力学模型，该模型包括7个刚体：1个车体、2个转向架和4个轮对。车辆的每个组件都有纵向()、横向()、垂直()、侧倾()、俯仰()和偏航()这6个自由度，具体的悬挂参数如表1所示。

依据上述动力学参数可以在SIMPACK中建立车辆动力学仿真模型，此外列车运行环境的轨道谱采用德国低干扰谱，碰撞脱轨事故工况如图4所示。

为了降低上述碰撞脱轨工况的仿真难度，可以对改工况进行简化，假设列车车身分为压溃区和不可变形区组成，压溃区设置力元模拟列车端部碰撞吸能曲线对列车碰撞障碍物工况进行仿真。本文采用较为典型的三级吸能力−位移曲线进行仿真，此外还对碰撞过程中障碍物与列车端部间的角度及运动方向进行限定，并且还依据列车车轮踏面形状对横向限位装置的下部和轨道之间的接触进行约束，以此得到了简化的列车碰撞脱轨事故仿真模型。仿真过程中列车悬挂采用5，3和43号力元进行仿真，列车与障碍物的碰撞工况采用105，197号力元进行仿真。

表1 某型高速列车的动力学参数

图4 列车碰撞脱轨工况示意图

2.2 碰撞事故动力学仿真分析

通过采用上述列车碰撞脱轨仿真工况，可以对安装横向限位装置前后的车辆动力学模型进行碰撞事故下的动力学仿真分析，根据标准EN15227中对列车碰撞安全性的要求，将列车碰撞事故的碰撞速度设置为36 km/h，障碍物质量设置为15 t，通过调整不同的碰撞角度可以得到如表2所示的高速列车碰撞事故仿真结果。

表2 碰撞事故仿真结果

从表2结果可知，当碰撞角度较小时，列车与障碍物发生碰撞不会引发列车脱轨事故，但当碰撞角度增大后，列车会由于较大的横向冲击力而发生脱轨。本文设计的横向限位装置可以在此情况下对列车脱轨事故进行防治，能够成功制止小碰撞角度下的列车发生脱轨事故，但当碰撞角度持续增大后，碰撞所产生的较大横向冲击力也会超过横向限位装置所产生的约束范围。在列车碰撞过程中车辆的动力学响应以及横向限位装置所起到的作用如下图所示，图中所示工况为列车以时速36 km的速度斜向6°撞击15 t障碍物所产生的动力学响应。

(a) 脱轨系数；(b) 轮对抬升量；(c) 车体侧滚角；(d) 装置受力

如图5所示，当列车与障碍物发生碰撞后，列车轮轨关系会遭到破坏。当列车未安装横向限位装置时，列车前转向架前轮对的脱轨系数会超过EN14363中规定的安全限值1.2(如图5(a))，并在一段时间的波动后彻底发生脱轨，对应的轮对抬升量也显示出了该列车轮对在发生爬轨后又从轨面上跌落(如图5(b))。安装了横向限位装置的列车则在发生碰撞后由于横向限位装置与轨道发生接触(如图5(d))，形成了新的约束，制止了列车前转向架前轮对的脱轨趋势。从图5(c)可知，当在碰撞后，未安装横向限位装置的列车车体侧滚角会持续维持在一个较大的范围内波动，有发散的趋势，而安装了横向限位装置的列车车体侧滚角则会在碰撞发生后到达峰值，后续逐渐收敛，恢复到正常范围内。从上述分析中可知，横向限位装置可以在高速列车发生碰撞事故后与轨道发生接触，分担部分横向冲击力，减少列车轮对所受的横向冲击，制止车轮的爬轨与脱轨趋势，达到防止碰撞事故下的列车脱轨事故。

3 结构强度有限元分析及静压试验

本文采用四面体网格对横向限位装置进行离散，网格大小为4 mm，整体结构共有190 200个节点和912 897个单元。装置采用45号钢材料，在7个固定螺栓孔处施加约束以模拟横向限位装置安装在高速列车转向架上的固定形式，装置受力区域被施加均布载荷用以仿真装置与轨道相接触时的受力情况，装置应力云图如图6所示。

图6 结构强度分析结果

为测试装置的结构强度，对装置下部受力区域施加车体重量的一半以检测装置是否可以在列车即将脱轨的情况下制止列车的脱轨行为，即对装置施加200 kN的均布载荷。有限元分析结果如图6所示，当装置受200 kN的均布载荷时，装置所受最大应力为257.5 MPa。由于装置采用的45号钢材屈服强度为355 MPa，因此装置在该工况下不会产生塑性应变，故本文设计的横向限位装置结构强度可以满足脱轨防治的要求。

为验证上述有限元结构强度仿真分析的准确性，对横向限位装置进行了样机试制和静压试验，由表3中对比可知，试验数据和仿真数据之间的误差较小，均不超过5%，在可接受范围内，由此可以证明试验与仿真结果的可靠性，此外上述结果还说明本文设计的横向限位装置能够承受200 kN的均布载荷作用力，可以较好地应用于列车脱轨倾覆防护中。

表3 仿真和试验结果对比

4 装置通过性试验及机理验证

通过对装置的样机进行试制和安装，可以对装置的通过性及机理进行试验验证。如图7所示，装置在通过道岔以及护轨时由于装置下部与车轮轮缘在横向和垂向方向上的一致性，具有良好的通过性，并不会影响车辆的正常运行。

(a) 装置通过道岔；(b) 装置通过护轨

此外为验证装置的作用机理，还检测了安装了横向限位装置的转向架在脱轨器作用下的脱轨防治能力，具体过程如图8所示。试验结果表明，该装置的工作机理可行，装置可以在一侧车轮爬升至轨面时对转向架的横向位移进行限制，保护列车不发生脱轨事故。

(a1), (b1), (c1) 正常位置；(a2), (b2), (c2) 轮缘爬升；(a3), (b3), (c3) 装置与轨道相接触；(a4), (b4), (c4) 终止位置

5 结论

1) 本文设计的安装于高速列车转向架侧架中部的横向限位装置可以有效地降低列车因碰撞发生的脱轨事故，在列车以36 km/h速度撞击15 t障碍物时，碰撞角度在4°～6°范围内装置的效果显著，可以较好地防治脱轨事故的发生。

2) 根据动力学仿真计算结果可知，横向限位装置在列车与障碍物发生碰撞过程中会与轨道发生接触，分担部分横向冲击力，遏制车轮的爬轨趋势。安装了横向限位装置的列车在碰撞发生后脱轨系数和轮对抬升量均有显著改善，车体侧滚角也逐渐收敛。

3) 在有限元仿真分析中，横向限位装置的结构强度可以承受200 kN的均布载荷，且经过静压试验对比，二者误差基本稳定在5%以内，证明了该数值仿真模型的有效性，可以用于更多工况下的装置强度校核。

4) 通过对装置进行通过性试验和工作机理验证，安装了横向限位装置的转向架在道岔、护轨等区段依旧有良好的通过性能，此外装置可以在一侧车轮爬升至轨面时对转向架的横向位移进行限制，保护列车不发生脱轨事故。

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Study on dynamic characteristics and structural strength of lateral limiting device for high-speed train under collision derailment accident

HOU Shuaichang1, HUO Xinlong1, ZHANG Xiangning1, ZHUO Tianyu2, GAO Guangjun2

(1. Technology Research Center, CRRC Tangshan Co., Ltd., Tangshan 063035, China 2. Key Laboratory of Traffic Safety on Track of Ministry of Education, School of Traffic & Transportation Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

Based on tests and simulation analysis, the dynamic response characteristics and structure strength of lateral limiting device under train collision accident were studied. The results of simulation and tests show that the lateral limiting device has a reliable structure and can prevent train derailment accidents. A dynamic simulation model was established to analyze the working mode of the lateral limiting device. The lateral limiting device could effectively share the wheel-rail lateral force and prevent the wheel from climbing during the process of derailment caused by collision. The structural strength of the lateral limiting device was verified by finite element analysis. Compared with the test results, the error was fairly stable within ±5%, thus proving that the lateral limiting device could withstand a uniform load of 200 kN and could be used in the prevention of train derailment.

derailment; lateral limiting device; dynamic characteristics; finite element analysis; railway safety

U270

A

1672 − 7029(2021)03 − 0588 − 08

10.19713/j.cnki.43−1423/u.T20201015

2020−10−27

国家重点研发计划资助项目(2016YFB1200505)

高广军(1973−)，男，河南安阳人，教授，从事列车撞击动力学研究；E−mail：gjgao@ csu.edu.cn

(编辑 蒋学东)