陳海俊　田菲　杜彥品

摘要：為了設計阿根廷客車耐碰撞車體，文章分別對車鉤箱車體結(jié)構(gòu)和牽引梁車體結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化以及仿真計算和對比分析，并對車體防爬吸能裝置進行了優(yōu)化設計和試驗驗證，為軌道車輛防碰撞車體結(jié)構(gòu)設計提供了理論參考。

關鍵詞：阿根廷客車；防碰撞車體結(jié)構(gòu)；車鉤箱車體結(jié)構(gòu)；牽引梁車體結(jié)構(gòu)；防爬吸能裝置 文獻標識碼：A

中圖分類號：U270 文章編號：1009-2374（2015）33-0003-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.33.002

1 概述

近幾年，由于阿根廷幾次的交通事故，目前阿根廷交通管理部門強制要求新采購的車輛要充分考慮車體的耐碰撞性，滿足EN15227標準的要求，不符合這個標準就很難獲得審批。

2 車體耐碰撞系統(tǒng)設計思路

2.1 車體碰撞設計思路

列車吸能裝置的種類繁多，主要有車鉤緩沖裝置、防爬吸能裝置等，它們與列車車體結(jié)構(gòu)中能夠誘發(fā)局部變形從而吸收撞擊能量的“易變形區(qū)域”一起組成了列車的被動安全防護系統(tǒng)。在列車發(fā)生碰撞事故時，根據(jù)不同的碰撞形式和碰撞程度，這些吸能裝置分別作用，從而使乘客和司機能夠得到保護，通常分為如下三個階段：（1）正常調(diào)車階段：車輛連掛或者緊急制動等情況，此時車鉤緩沖器吸收車輛動能，車鉤壓饋管和防爬器不動作，此時車體和吸能裝置可恢復；（2）輕微碰撞或低速碰撞階段：車鉤緩沖裝置緩沖器走完行程，安裝于車體端部的車鉤壓饋管裝置和防爬器發(fā)生作用，吸收沖擊和縱向力，耗散碰撞能量，壓饋管和防爬器發(fā)生塑性變形，變形不可恢復，此時車體不發(fā)生損壞，只需更換壓饋管和防爬器等吸能部件；（3）高速碰撞階段，除了車鉤緩沖裝置、車體端部弱剛度部位的防爬吸能裝置等完全發(fā)揮吸能作用外，車體結(jié)構(gòu)中可變形區(qū)域也將發(fā)生塑性變形以吸收高速碰撞所帶來的巨大能量，此時車體變形可控，變形發(fā)生在無人區(qū)域。

2.2 吸能裝置設計思路

吸能裝置的吸能特性主要決定于金屬吸能元件的性能，因此用于軌道車輛上的能量吸收元件應具有以下的性能要求：（1）碰撞動能應能夠盡量不可逆地完全轉(zhuǎn)換成變形能（除緩沖器外）；（2）在碰撞過程中，能量吸收裝置應具有穩(wěn)定的變形模式，即吸能元件在碰撞事件中能以相對固定的模式吸收碰撞能量；（3）在吸收能量的過程中應能夠控制碰撞力和碰撞減速度的變化，將過載控制在人體傷害極限范圍內(nèi)，以保護乘客的生命安全；（4）為了使減速度最小，并吸收更多的能量，吸能元件應能提供足夠長的變形行程，而且在變形前不占據(jù)過大的空間，變形后不造成次生破壞（例如侵穿或碎片飛裂等）；（5）吸能元件應該具有較輕的質(zhì)量和良好的“比吸能”，即盡量使單位質(zhì)量所吸收的能量最高；（6）能量吸收元件通常是一次性使用的，應具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉等特點，并且易于制造和更換?？傊?，吸能元件不僅應具有有效行程長和沖擊力平穩(wěn)等特點，還應該保證具有較高的總吸能和比吸能的特點。

3 阿根廷客車車體結(jié)構(gòu)設計

阿根廷圣馬丁線城市列車由7～9輛車輛編組，其中首尾車為行李合造車，一輛機車牽引組成。機車與車輛之間采用全自動車鉤連接，車輛之間采用本永久車鉤連接，車體端部設置防爬器，編組兩端無風擋，中間采用折棚風擋。車體強度符合《鐵道應用—軌道車身的結(jié)構(gòu)要求》（EN12663：2010）中定義的P-Ⅲ要求，最大壓縮力為800kN，最大拉伸力為650kN。車體結(jié)構(gòu)各部件主要材料為耐候鋼，板厚大于6mm的采用低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼。車體鋼結(jié)構(gòu)采用薄壁筒形整體承載無中梁全鋼焊接結(jié)構(gòu)，由底架、側(cè)墻、車頂、端墻組成，車體鋼結(jié)構(gòu)兩側(cè)各設兩個大拉門，車窗大，窗間距小，對車體的強度和剛度提出了很高的要求，其結(jié)構(gòu)特點如下：底架橫梁、側(cè)墻立柱、車項彎梁主結(jié)構(gòu)設計成封閉環(huán)結(jié)構(gòu)；在大拉門處底架邊梁設計成雙槽鋼結(jié)構(gòu)；側(cè)門框為方形結(jié)構(gòu)；側(cè)梁上邊梁在門口處設計成封閉斷面；大拉門門角加焊圓角，避免應力集中。在窗角處加焊圓角，避免應力集中。

4 數(shù)值仿真計算

4.1 車鉤縱向沖擊性能計算

為了研究阿根廷客車以不同速度撞擊車檔時，車鉤力及緩沖系統(tǒng)能量吸收情況。采用專用列車縱向動力學計算程序，按照列車縱向動力學理論，將整列車視為由鉤緩裝置連接的若干單自由度（縱向）質(zhì)點，通過對質(zhì)點系運動微分方程組的逐步求解計算整個碰撞過程各個車位的加速度、車鉤力、速度歷程曲線，研究不同工況下鉤緩裝置的受力情況和能量吸收情況，計算依據(jù)如下所示：

車鉤壓饋管不觸發(fā)前的位移力曲線 車鉤壓饋管走完行程時的位移力曲線

圖1 車鉤吸能特性

按照標準規(guī)定的工況計算：四輛編組的阿根廷客車撞擊車檔時壓潰管觸發(fā)前能達到的最大速度為4.2km/h；壓潰管行程走完時能達到的最大速度為7.4km/h，車鉤壓饋管觸發(fā)前后的位移-力曲線如圖1所示。

4.2 防爬器吸能強度計算和實驗對比

為了更好地對吸能防爬裝置試驗件進行準靜態(tài)壓縮試驗，同時對數(shù)值模型的仿真結(jié)果進行驗證，在進行靜態(tài)壓縮試驗之前，首先根據(jù)該裝置的設計圖紙，建立了其詳細的有限元模型，并基于LS-DYNA進行了仿真分析。試驗件最大壓縮量為114.89mm，約為總行程的40%，最大壓縮載荷為1270.6kN，從實驗數(shù)據(jù)計算出其能量大約為88.5kJ，若考慮75%的壓縮行程，根據(jù)線性插值原理，計算出吸能量約161.7kJ，與仿真值170.05kJ較為接近，防爬器變形有序，吸能情況樂觀。

4.3 整車碰撞吸能研究計算

為了掌握鐵道車輛的碰撞特性，分別設計出了4種類型的吸能防爬裝置，并選擇其中性能最匹配的方案安裝于牽引梁車體和車鉤箱車體上，各自建立了兩列車的非線性大變形碰撞動力學有限元力學模型，并應用LS-DYNA非線性大變形分析計算軟件，展開包括吸能裝置和車體結(jié)構(gòu)的碰撞特性研究，得到能夠滿足EN15227標準CII類要求的優(yōu)化車體方案。

通過對牽引梁車體和車鉤箱車體兩種車體結(jié)構(gòu)的計算分析，車體均可滿足EN15227標準CII類的要求，兩種車體結(jié)構(gòu)的碰撞情況如下：（1）平均減速度方面，配置新型防爬吸能裝置的車鉤箱結(jié)構(gòu)列車，碰撞過程中客車縱向平均減速度最大值為3.839g；配置新型防爬吸能裝置的牽引梁結(jié)構(gòu)列車，縱向平均減速度最大值為3.696g。相比于車鉤箱結(jié)構(gòu)，牽引梁結(jié)構(gòu)其救生空間的縱向最大平均減速度值更小，但是均小于標準規(guī)定的5g要求。（2）乘客生存空間變形方面，配置新型防爬吸能裝置的車鉤箱結(jié)構(gòu)列車，在整個碰撞過程中，乘客生存空間縱向長度變化量最大值為13.488mm；配置新型防爬吸能裝置的牽引梁結(jié)構(gòu)列車，在整個碰撞過程中乘客生存空間縱向長度變化量最大值分別為13.229mm。相比于車鉤箱結(jié)構(gòu)，牽引梁結(jié)構(gòu)其乘客生存空間縱向長度變化量更小，但是均小于標準規(guī)定的50mm要求。（3）防爬方面，配置新型防爬吸能裝置的車鉤箱結(jié)構(gòu)列車，輪對與軌面間的最大垂向距離為16.324mm；配置新型防爬吸能裝置的牽引梁結(jié)構(gòu)列車，整個碰撞過程中，輪對與軌面間的最大垂向距離為11.359mm，二者各輪對于軌面間的最大垂向距離相差不大，且都不會發(fā)生爬車現(xiàn)象，都能滿足標準EN15227的要求。（4）能量方面，配置新型防爬吸能裝置的車鉤箱結(jié)構(gòu)列車其各防爬吸能裝置吸能量為1029.400kJ，車體吸能量為3816.167kJ，牽引梁結(jié)構(gòu)列車其各防爬吸能裝置吸能量為1026.200kJ，車體吸能量為3692.948kJ，相比于車鉤箱客車，牽引梁客車其車體吸能量略小。

5 結(jié)語

通過對車體結(jié)構(gòu)的不斷優(yōu)化，對兩種車體進行了數(shù)值模擬分析，牽引梁優(yōu)化車體結(jié)構(gòu)配置方案防爬裝置后，根據(jù)EN15227標準要求，按碰撞場景1（1輛機車+9輛客車）進行了碰撞分析，結(jié)果表明該車體結(jié)構(gòu)其各項耐碰撞性能指標都滿足了標準EN15227的要求，在場景1時的最大碰撞速度增加到了36km/h；車鉤箱車體在場景1時的最大碰撞速度增加到了35km/h。

作者簡介：陳?？。?981-），男，河南林州人，供職于南車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司客車設計部，中級職稱，碩士。

（責任編輯：周 瓊）