临界碰撞速度下的编组列车耐撞性研究*

刘鹏飞，王晋乐，朱 涛

（1 中车青岛四方机车车辆股份有限公司 技术中心，山东青岛266111；2 西南交通大学 牵引动力国家重点实验室，成都610031）

随着我国轨道交通产业的迅猛发展，运营环境复杂、车辆种类众多、运营速度等级差异大等特点日益突出。虽然主动安全保护和被动安全保护作为2种最重要的运营保障手段，在列车运营过程中时刻发挥着重要作用，但是列车碰撞安全事故仍时有发生。

目前车辆被动安全的研究主要有理论计算、实际试验及仿真分析3种。理论计算可以得出车辆整体的动力学性能，但是无法准确得到某具体位置的力学响应，而列车碰撞安全与端部结构及吸能缓冲装置关系密切［1］，因此纯理论计算有一定的局限性。实际的部件级试验，其规模小、边界条件简单，可在精度和经济间取得平衡［2］，但列车级试验于各方面都实现困难。仿真分析介于上述两者之间，且现如今计算机的计算能力足以得到满足精度要求的近似解，因此仿真分析在碰撞研究中的应用较为广泛。

列车碰撞的有限元数值模拟以其经济便捷、操作性强、周期短和可重复性成为目前最常用的结构耐撞性设计与验证手段之一，研究最多的是车体结构耐撞性，包括：吸能元件设计与仿真［3］、结构薄弱位置设计改进［4］、碰撞能量管理［5］，以及乘员安全性［6］等。朱涛等对列车被动安全进行了系统的归纳，对现阶段被动安全研究的重点与难点进行了指导性的评述与探讨［7］。王卉子等研究了100%低地板有轨电车的同类列车碰撞、刚性障碍物碰撞响应，为有轨电车的耐撞性设计提供了参考［8］。王晋乐等对机车的钩缓装置与吸能装置的建模方法进行了研究，对多级能量耗散机制与整车安全性能进行了验证［1］。李少芳等对地铁列车在重载条件下的碰撞响应进行了研究，提出在整车校核中考虑超员工况的可行性［9］。赵士忠等研究了碰撞过程中车体内部的结构响应和司乘人员所受伤害［10］。以上的研究集中针对一些车型的耐撞性指标进行仿真校核，指出改进意见或综合提出指导设计的方案。

由于列车碰撞仿真分析的快捷和可重复性，使得碰撞临界速度确定成为可能。针对某型8辆可采用固定编组和重联编组2种形式的列车，根据欧洲标准EN 15227-2008［11］的相关要求，对其临界速度下的耐撞性进行了校核，并针对编组形式对耐撞性的影响提出了指导性的意见。

1 列车碰撞场景与工况

1.1 列车编组

编组列车主要有2种形式：固定编组形式为“=MC1-R1-R2-M 2-M1-R1-R2-MC2=”；重联编组形式为“=MC1-R1-R2-MC2=MC1-R1-R2-MC2=”。其中，MC为带司机室的动车，R为拖车，M为动车，“=”代表全自动车钩；“-”代表半永久牵引杆。

1.2 碰撞工况确定

根据标准EN 15227-2008，通过前期对不同速度等级下的对撞试算分析，最终确定碰撞形式为：列车以42 km/h临界工况速度撞击另一列处于静止无制动状态的同类列车，主、被动列车同类型同配置，碰撞发生在直线轨道上，碰撞过程中两车均未采取任何制动措施，两列车存在40 mm高度差。

注：基于前期一系列的计算，确定了编组地铁列车临界速度为42 km/h，远大于标准规定的25 km/h，限于篇幅文中没有具体给出其详细的推导过程。

因此设计2个工况，即在碰撞形式不变的前提下，工况1为固定编组列车，如图1所示；工况2为重联编组列车，如图2所示。

图1 工况1碰撞场景示意图（固定编组）

图2 工况2碰撞场景示意图（重联编组）

2 碰撞仿真模型

2.1 车体结构及参数

此编组列车主要为钢结构车体。主要由司机室、底架、侧墙、端墙和顶盖组成，使用的钢材有4种，分别是EN1.4003+2B、Q355GNHD、Q345C、和Q310GNHD。车辆所用材料参数见表1。

表1 车体所用材料力学性能

列车头尾端采用全自动钩缓装置，列车内部使用半永久钩缓装置，其中，半永久钩缓装置分为2种。车钩缓冲装置主要由缓冲器和压溃管组成。车钩缓冲装置的详细参数见表2~表4。

表2 全自动钩缓装置参数

表4 半永久车钩2参数

此外，头车司机室端部两侧安装有防爬吸能装置，端部中央位置安装有主吸能装置。头车二位端及中间车两端均安装有车间防爬吸能装置。

表3 半永久车钩1参数

2.2 有限元模型

基于车辆几何模型、材料、设备布置及钩缓特性等，建立详细的列车碰撞有限元模型，其中头车有限元模型如图3所示。为了提高有限元模型的计算效率，将车体端部及防爬吸能、主吸能结构网格进行了细化［9］。

图3 头车有限元模型

3 碰撞仿真分析结果

3.1 速度及加速度对比分析

假设碰撞仿真时间为1.6 s。列车在固定编组42 km/h对撞过程中，固定编组速度变化曲线如图4所示，重联编组速度变化曲线如图5所示。由曲线看出，重联编组的碰撞时间比固定编组更长，且主、被动车同速后其速度反向更为明显。

图4 固定编组车辆速度—时间曲线

图5 重联编组车辆速度—时间曲线

对于固定编组列车，列车纵向最大平均减速度值为3.44g，发生在主动车MC1；对于重联编组列车，列车纵向最大平均减速度值为3.24g，发生在主动车R2。

3.2 碰撞界面响应对比分析

固定编组列车在碰撞过程中，S8界面车钩剪切失效，该界面车体前端结构碰撞接触，其他界面的各车端部均未发生接触。界面S8的碰撞界面力—时间曲线如图6所示。

图6 固定编组S8界面碰撞界面力—时间曲线

重联编组列车在碰撞过程中，S4、S8、S12界面车钩剪切失效，相应界面车体前端结构碰撞接触，其他界面各车端部均未发生接触。S8界面力—时间曲线如图7所示，S4、S12界面力—时间曲线如图8所示。

图7 重联编组S8界面碰撞界面力—时间曲线

图8 重联编组S4、S12界面碰撞界面力—时间曲线

在S8界面上，固定和重联编组的界面力级相差不大。重联编组中重联界面处，S4、S12界面力趋势及大小基本无差别。固定编组S9界面，重联编组S5、S11界面压缩行程略微超出最大设计行程，但车钩最大轴向力未超出车钩最大压溃力，因此车钩并未发生剪切失效。各界面钩缓变形量见表5。

表5 各界面车钩缓冲装置压缩变形量

3.3 其他安全性指标对比分析

该列车的头车与中间车的一、二位端均设有防爬单元，其在碰撞过程中作用明显。由结果可知，固定编组列车与重联编组列车在防爬齿啮合的前提下各车辆轮轨相对垂向位移均未同时超过100 mm，因此不会发生爬车情况。

固定编组碰撞结束时刻头车结构变形图如图9所示，重联编组碰撞结束时刻头车结构变形图如图10所示，从图9和图10可以看出，碰撞结束时刻，2种编组形式的A1和B1车的防爬装置相互啮合，两车的防爬齿后端的吸能装置均未走完行程；主吸能装置变形较小，其压缩行程较短；同时A1和B1车司机室骨架结构均发生了一定程度的塑性变形，其中B1车司机室的骨架结构变形较明显，客室结构未发生塑性变形。能够保证车辆的安全性。

图9 固定编组碰撞结束时刻头车结构变形图

图10 重联编组碰撞结束时刻头车结构变形图

碰撞结束后，固定编组主动车A1-A4车乘客区纵向生存空间的变化量分别为22.3 mm、24.5 mm、22.8 mm、25.9 mm，被动车B1-B4车乘客区纵向生存空间的变化量分别为22.1 mm、18.9 mm、23.1 mm、14.9 mm；重联编组主动车A1-A4车乘客区纵向生存空间的变化量分别为24.8 mm、24.3 mm、16.7 mm、14.6 mm，被 动 车B1-B4车乘客区纵向生存空间的变化量分别为21.1 mm、17.6 mm、19.5 mm、14.3 mm。重联编组列车的生存空间纵向变形量相对固定编组略小，其原因重联编组在其车体其他部位吸收了更多的能量。

固定编组列车碰撞初始动能为27 324 kJ，碰撞结束后剩余动能为13 625 kJ；碰撞过程中共吸收能量13 462 kJ，占初始动能的49.27%；接触面上耗散掉的滑移能为83.23 kJ；模型沙漏能为256 kJ。重联编组列车碰撞初始动能为27 455 kJ，碰撞结束后剩余动能为13 701 kJ；碰撞过程中共吸收能量13 363 kJ，占初始动能的49.77%；接触面上耗散掉的滑移能为188.62 kJ；模型沙漏能为277.03 kJ。由于重量不同，重联编组列车初始动能略大于固定编组列车，且重联编组列车的吸收能量占比也略大，其原因为重联处全自动车钩剪断后，车体前端接触吸收能量的效果更好。

4 结论

通过对编组列车在临界碰撞速度下2种碰撞工况的仿真计算结果分析，表明在车辆端部（包括一位端和二位端）安装防爬吸能装置可有效防止列车爬车，同时显著提高碰撞临界安全速度。通过分析主要得到以下以下结论：

（1）当碰撞初速度低于42 km/h时，列车耐撞性的各项指标均在允许的范围内，该速度为碰撞临界速度，该速度明显高于标准EN 15227中规定25 km/h的校核性速度，说明车体结构耐撞性设计具有较大的余量。

（2）42 km/h碰撞速度下，2种工况下列车的加速度、车体变形、轮对抬升量，以及能量变化等耐撞性考核指标均满足标准EN 15227的要求，相对于25 km/h校核性速度而言，该临界碰撞安全速度对列车实际运行安全性是十分重要的。

（3）相同初始速度下，重联编组的列车碰撞性能略优于固定编组列车，但重联编组重联处两车体司机室处有不可恢复的塑性变形，由于碰撞导致的维护和修复成本更高，因此在实际的运营管理中应适当考虑该因素。

（4）使用重联编组形式的列车，可在列车重联处安装较长的吸能装置，保证重联处两车辆在发生接触前碰撞已经结束，避免因司机室接触变形带来的不必要的经济损失。

通过对比分析临界碰撞速度42 km/h下的列车耐撞性，表明列车在远高于25 km/h下仍具有良好的碰撞安全性；后续将深入研究不同结构参数、不同车钩缓冲装置等对编组列车临界速度的影响，为列车的耐撞性设计提供设计支撑。