謝耿昌，劉繼波，郝孟孟

(中車青島四方車輛研究所有限公司 鉤緩事業(yè)部，山東 青島 266031)

隨著軌道交通在“綠色、經(jīng)濟(jì)、安全”方向的快速發(fā)展，列車被動安全防護(hù)技術(shù)被大量應(yīng)用。EN 15227：2010《鐵路應(yīng)用 鐵路車輛的耐撞性要求》規(guī)定：25 km/h的碰撞速度下保留司乘生存空間，并保持乘客區(qū)域的結(jié)構(gòu)完整[1]。我國城市軌道交通車鉤緩沖裝置的要求是：車鉤緩沖裝置能完全吸收15 km/h碰撞速度下的碰撞能量。為滿足EN 15227：2010和我國相關(guān)要求，本文以某型城軌車輛變阻抗壓潰裝置為例[2]，研究了變阻抗壓潰裝置的應(yīng)用優(yōu)勢。

1 典型碰撞吸能結(jié)構(gòu)

城市軌道交通車輛多采用車端碰撞吸能與車間碰撞吸能相配合的碰撞吸能結(jié)構(gòu)[3-4]。車端碰撞吸能結(jié)構(gòu)由頭車車鉤緩沖裝置和防爬吸能裝置組成，頭車車鉤緩沖裝置包含彈性緩沖器、壓潰裝置和過載保護(hù)裝置[5]。車輛發(fā)生碰撞時，彈性緩沖器、壓潰裝置依次動作吸收碰撞能量；在壓潰裝置行程到限時，車鉤縱向力瞬間上升至過載保護(hù)裝置的預(yù)設(shè)值，過載保護(hù)后，頭車車鉤緩沖裝置脫落并后退，不再傳遞縱向力，此時防爬吸能裝置防爬齒互相咬合，在防止車輛爬起的同時將縱向力傳遞給防爬吸能裝置上的壓潰裝置或其他吸能裝置，繼續(xù)吸收碰撞能量。圖1為典型車端碰撞吸能結(jié)構(gòu)各裝置的吸能曲線。

車間碰撞吸能結(jié)構(gòu)為中間車車鉤緩沖裝置，包含彈性緩沖器和壓潰裝置，在整個碰撞過程中配合車端碰撞吸能結(jié)構(gòu)吸收碰撞能量[6]。

圖1 典型車端碰撞吸能結(jié)構(gòu)各裝置的吸能曲線

2 碰撞仿真模型

2.1 列車編組

以6輛編組的某型城軌列車為研究對象，列車兩端采用半自動車鉤，內(nèi)部各車輛間采用半永久車鉤。該列車的編組配置為：=Tc-M-M-M-M-Tc=，其中，Tc代表帶司機(jī)室的頭車，M代表中間車，“=”代表半自動車鉤，“-”代表半永久車鉤。該車Tc車的自重為33 t，M車的自重為35 t；抗拉載荷為850 kN，抗壓載荷為1 250 kN。

2.2 計算模型

按照列車縱向動力學(xué)理論，將整列車視為由鉤緩裝置連接的若干具有縱向單自由度的質(zhì)點，通過對質(zhì)點系運(yùn)動微分方程組的逐步求解得到整個碰撞過程中各個碰撞斷面的加速度、車鉤力、速度歷程曲線，以研究不同工況下防爬吸能裝置及鉤緩裝置的受力和能量吸收情況[7]。列車縱向動力學(xué)模型如圖2所示。

圖2 列車縱向動力學(xué)模型

列車縱向動力學(xué)模型的微分方程為：

mi——第i車的質(zhì)量，kg；

Fci1，F(xiàn)ci——分別為第i車前后車鉤力，N；

Fwi——第i車受到的外力，N。

對于N節(jié)車輛的城軌列車，可列出N個微分方程，組成一個二階微分方程組，并通過編制的專用程序聯(lián)合求解。

3 碰撞仿真分析

3.1 恒阻抗壓潰裝置方案

表1 恒阻抗壓潰裝置方案的車鉤防爬配置參數(shù)

根據(jù)EN 15227：2010規(guī)定，用1列6輛編組AW0列車以25 km/h的速度撞擊1列6輛編組的靜止列車，按50%坐席乘客質(zhì)量(60 kg/人×20人)、表1恒阻抗壓潰裝置方案的配置參數(shù)進(jìn)行計算，以25 km/h速度碰撞后各斷面的最大車鉤力Fmax、壓潰裝置最大行程Sa、防爬吸能裝置最大行程Sb、吸收能量E及吸能利用率α的計算結(jié)果見表2，其中斷面6為直接沖擊斷面。

表2 恒阻抗壓潰裝置方案以25 km/h的速度碰撞后的吸能情況

3.2 變阻抗壓潰裝置方案

表3 變阻抗壓潰裝置方案車鉤防爬配置參數(shù)

圖3 半永久車鉤B、C的壓潰裝置吸能特性曲線

按照與恒阻抗壓潰裝置方案相同碰撞工況，對表3中變阻抗壓潰裝置方案車鉤防爬配置參數(shù)進(jìn)行仿真計算，計算結(jié)果見表4。

3.3 碰撞分析

我國對城市軌道交通車輛車鉤緩沖裝置的要求是，能夠完全吸收一列AW0列車以15 km/h速度撞擊另一列靜止并施加制動的AW0列車的碰撞能量，同時要求不得導(dǎo)致車輛主要結(jié)構(gòu)部件損壞。根據(jù)上述要求，按照表1和表3配置參數(shù)對恒阻抗壓潰裝置方案和變阻抗壓潰裝置方案進(jìn)行仿真計算，計算結(jié)果見表5。表5可以看出，2種方案的計算結(jié)果均滿足上述要求。

表4 變阻抗壓潰裝置方案以25 km/h的速度碰撞后的吸能情況

表5 恒阻抗壓潰裝置和變阻抗壓潰裝置方案碰撞后吸能情況

比較2種方案，變阻抗壓潰裝置方案存在以下優(yōu)勢：

(1) 整體碰撞吸能能力高。恒阻抗壓潰裝置方案共有3個斷面的吸能利用率超過90%，直接碰撞斷面的吸能利用率為98.88%，25 km/h速度的碰撞已經(jīng)達(dá)到該方案吸能極限；而變阻抗壓潰裝置方案共有3個碰撞斷面的吸能利用率超過85%，直接碰撞斷面為93.56%，25 km/h碰撞時該方案尚有一定吸能余量，確保了系統(tǒng)可靠性[10]。

(2) 鉤緩裝置種類少。變阻抗壓潰裝置方案相比恒阻抗壓潰裝置方案減少了一種半永久車鉤，有助于降低設(shè)計生產(chǎn)成本。同時變阻抗壓潰裝置方案半永久車鉤D可以采用半永久車鉤C的鉤型代替，進(jìn)一步減少半永久車鉤種類。

(3) 防爬吸能裝置行程短。恒阻抗壓潰裝置方案在25 km/h速度碰撞時防爬吸能裝置觸發(fā)行程為254.5 mm，而變阻抗壓潰裝置方案防爬吸能裝置觸發(fā)行程為228.3 mm，為增加司機(jī)生存空間，可將其有效行程縮減為240 mm[11]。

4 結(jié)束語

本文以6輛編組的某型城軌列車為例，分別對配有恒阻抗和變阻抗壓潰裝置的車鉤緩沖裝置及防爬吸能裝置進(jìn)行縱向動力學(xué)仿真計算，結(jié)果表明，兩方案均能滿足EN 15227：2010關(guān)于25 km/h碰撞速度的吸能要求，車鉤緩沖裝置都可以完全吸收15 km/h碰撞速度的碰撞能量。但變阻抗壓潰裝置方案在整體吸能能力、鉤緩裝置種類數(shù)量和防爬吸能裝置行程方面有明顯優(yōu)勢，建議擴(kuò)大工程應(yīng)用。