某型內燃調車機車被動安全性設計驗證

摘 要：文章針對一種內燃調車機車，介紹了機車的被動安全性設計，并利用數值模擬仿真的方法進行了符合EN15227標準要求的驗證，使內燃調車機車被動安全性的設計與國際接軌。

關鍵詞：被動安全性；耐撞性；碰撞；結構

1 前言

由于機車車體被動安全設計所涉及到的問題的復雜性和研究投入費用的巨大，鐵路機車車體是否必須進行被動安全設計，一直是一個有爭議的議題。以歐美為代表的發達國家都對此研究進行了大量的投入，并制定了相關標準。[1]我國近些年各高校和科研院所也開展了相關仿真計算研究，自7.23甬溫線事故以來，軌道交通裝備的被動安全性更是被突出到了一個非常重要的地位，各主機廠開發的高鐵、動車、地鐵及輕軌車輛的設計大都要求參照國外的標準，如EN12663、EN15227等，但是針對調車機車的防撞設計和研究還基本是空白。

2 EN15227標準對內燃調車機車被動安全性的要求

為了在碰撞事故中避免爬車，以可控的方式吸收碰撞能量，保證乘客的生存空間并保持結構的完整性，減小碰撞減速度，降低脫軌風險及撞擊軌道障礙物引起后果的嚴重性，內燃調車機車的設計要求考慮EN15227的以下四種碰撞場景。[2]

（1）以36km/h與同類列車正面對撞；（2）以36km/h與80t貨車正面對撞；（3）以Min（Vmax-50，110）km/h聯掛參考車輛與15t可變形物相撞，以模擬平交道口處與公路車輛碰撞；（4）與低矮軌道障礙物相撞，模擬與軌道上的轎車、動物及石塊等相撞。

內燃調車機車的設計應滿足以下的要求[2]：

（1） 生存空間要求：在上述碰撞場景中，司機室生存空間尺寸減少不超過1%或者塑性應變不超過10%；（2） 減速度限制：在上述碰撞場景中，司機室生存空間的縱向平均減速度最好限制在5g以下，不應超過7.5g； （3） 爬車要求：在碰撞場景1中，考慮40mm的垂直位移偏置條件下，滿足（1）和（2）中對減速度和生存空間的要求；（4） 對排障器的要求：中間區域承受120kN靜載，排障器無永久變形；兩側區域各承受100kN靜載，排障器無永久變形；中間區域最大變形達到120mm時，排障器不脫落。

3 被動安全性設計介紹

根據內燃調車機車的使用環境和標準要求，在調車機車的總體布局、鉤緩裝置、排障器、司機室鋼結構、車端、底架結構等方面進行了防撞性設計[3]，如圖 1所示。

司機室布置在車體中部，使兩端的車體各室自然形成了碰撞時的緩沖和能量吸收結構。安裝的緩沖器能吸收能量100kJ，在2MN外力作用下，行程范圍90～120mm。排障器由厚12mm的Q345E鋼板焊接而成，并用16mm厚的肋板座和14mm厚的筋板加強，通過12條M30的8.8級高強螺栓與前端牽引梁相連，底架能承載3500kN縱向壓縮和2500kN縱向拉伸。

司機室的主承力柱為12mm厚的Q345E槽型壓型梁與鋼板組焊而成的箱型梁，外蒙皮為4mm厚Q345E鋼板，下窗沿和頂側梁能承受300kN靜壓力，無永久變形。車體兩端的輔助室和制動室主要采用3mm厚的Z型和槽型壓型梁作為骨架，上側梁能承受300kN靜壓力無永久變形，距地板150mm處承受400kN靜壓力無永久變形。掃石器由厚10～16mm的Q345E鋼板焊接而成，能承受相應的靜載荷和疲勞載荷。

4 被動安全性數值模擬驗證

有兩種途徑驗證車體被動安全性，一是通過實物試驗，另外是通過數值模擬仿真。車體一般長約20m，寬度3m，高1.6～2m，屬大型結構，實物試驗費用高，要求設備特殊，試驗數據獲取及處理難度大，因此機車的被動安全性實物試驗很少實施，隨著計算機軟件和硬件技術的發展，采用數值模擬仿真的方法驗證機車的被動安全性在國內外已被廣泛接受。

由三維CAD模型建立有限元模型，通過顯示非線性分析模擬計算該型調車機車車體在第3節描述的碰撞場景1、2和3中的減速度變化、能量吸收、生存空間尺寸變化、輪軌分離間隙等；通過準靜態線性分析計算該型調車機車排障器、掃石器的強度。由于篇幅所限，本文僅就碰撞場景3的計算情況進行說明。

4.1 有限元模型介紹

該型機車最大速度100km/h，根據碰撞場景3的要求，機車與參考（80t剛性貨車）車輛以50km/h的速度與15t的可變形障礙物相撞。為保守起見，考慮機車與參考車輛從司機室近端與15t可變性障礙物進行碰撞，其碰撞動力學有限元模型如圖2所示。

（1）仿真策略

機車車體結構離散為尺寸為25mm的單元，而剛性參考車輛采用尺寸為100mm的單元模擬，共1183058個單元，1153508個節點。車架上部結構與機車車架的螺栓連接方式通過梁單元模擬，另外車架及車架上部的制動室、司機室、電氣室、動力室、冷卻室和輔助室等部分的不同重量通過分別配重來實現。

鉤緩裝置用梁單元來模擬，并在LS-DYNA中賦予119號材料，根據鉤緩產品的技術規格書，碰撞端鉤緩參數為車鉤緩沖器試驗性能力位移曲線；根據EN15227的要求，與參考車輛連掛端鉤緩參數的力位移特性曲線。

轉向架與車體之間通過拐臂-側拉桿連接，支承裝置采用疊層橡膠堆，輪對采用軸箱拉桿定位，所有連接均用梁單元模擬，并在LS-DYNA中賦予66號材料，根據實際情況輸入的梁單元的三向剛度值。

可變形障礙物質量為15t，根據EN15227的規定，定義外形尺寸，并賦予可變形物障礙特殊的密度和剛度值以滿足EN15227的要求。

（2）接觸邊界條件定義

聯掛參考車輛的機車與15T可變形障礙物發生碰撞時，首先機車前端結構（包括機車自動車鉤）與障礙物發生面面接觸，若機車前端結構或障礙物產生大變形還會發生自身接觸，接著聯接參考車輛的車鉤若發生壓縮破壞，機車后端還會與剛性參考車輛發生面面接觸，同時機車后端也可能發生大變形而產生自身接觸，再若障礙物落到軌面上，還存在障礙物與軌面間的面面接觸。此外，模型中還考慮了輪軌之間的點面接觸，在有限元模型中不考慮制動，輪軌接觸的動、靜摩擦系數都取0.1，其余接觸靜、動摩擦系數分別取0.2和0.15。模型中包括以下幾類接觸。

第一類接觸：面面接觸（包括自動車鉤及機車前端結構與障礙物間的接觸，機車后端與參考車輛間的接觸）；第二類接觸：單面接觸（機車端部結構及障礙物自身接觸）；第三類接觸：點面接觸（輪軌接觸）。

4.2 模擬仿真結果分析

對碰撞動力學有限元模型進行顯示非線性分析后，碰撞過程中車鉤輸出的力-位移特性曲線基本與輸入曲線一致，機車與參考車輛之間的車鉤發生壓縮破壞；機車與可變形障礙物的接觸力正常，最大約1.5MN；輪軌始終接觸，無分離；沙漏能量僅占碰撞總能量的0.96%。計算結果也顯示了司機室速度及加速度變化、關鍵部位變形等。

機車、參考車輛及障礙物在碰撞期間的縱向速度變化如圖 3所示。可以看出，機車、參考車輛由初速50km/h（13.889m/s）逐步減速，障礙物則由靜止逐步加速，到其縱向速度超過機車速度后，障礙物即將脫離機車表面。另外，注意到仿真結束時參考車輛與機車的相對速度僅為2.395m/s，參考車輛雖然最后必會撞向機車后端，但該撞擊能量相比于機車前端承受的撞擊能量非常小，考慮到仿真計算的總體效率，忽略機車后端與參考車輛碰撞的影響。

碰撞過程中機車司機室瞬時加速度變化曲線如圖4所示。按標準中規定的平均減速度的計算方法，計算得出機車司機室縱向平均減速度的最大值為1.73g，小于標準中要求的7.5g，同時車輛的加速度值并未超過5g，因此關鍵設備的附屬裝置無須再做進一步分析，滿足標準EN15227。

碰撞結束后，車體前端車鉤僅發生了微量變形，機車車體僅前端結構產生了塑性變形，車體前端的變形如圖5所示；參考車輛尚未撞擊到機車后端結構，司機室則沒有發生任何塑性變形，機車司機室區域縱向長度變化曲線如圖4所示，整個碰撞過程中司機室區域縱向長度變化的最大值為7.8035mm，遠小于機車司機室空間縱向長度的1%（機車司機室縱向長度為1948mm），滿足標準EN15227的要求。

碰撞過程中，機車、可變形障礙物及參考車輛的能量都發生了變化。碰撞初始動能為20934.00kJ，碰撞結束后剩余動能為15971.00kJ，占初始動能的76.29%；碰撞過程中共吸收能量3959.90kJ，占初始動能的18.92%，主要由機車端部結構、可變形障礙物、機車車鉤緩沖裝置及參考車輛車鉤緩沖裝置所吸收，分別占總吸收能量的36.24%、60.89%、1.15%、1.72%；接觸面上耗散掉的滑移能為802.10kJ，占初始動能的3.83%；模型沙漏能也很小，為201.00kJ，僅占初始動能的0.96%。

5 結論和建議

（1）碰撞結束后可變形物與機車同速，車端鋼結構及變形物自身承擔主要的吸收能作用，碰撞過程中沙漏能0.96%，遠小于5%的水平，模擬結果合理有效；

（2）碰撞過程中，輪軌始終保持接觸；

（3）一臺按標準規定聯掛了參考車輛并裝有鉤緩裝置的內燃調車機車以50km/h的初始速度從近司機室端與靜止的15噸可變形障礙物發生碰撞后，機車車體前端結構產生了塑性變形，而司機室結構幾乎未產生任何變形，機車司機室區域縱向長度變化的最大值為7.8035mm，遠小于機車司機室空間縱向長度的1%，司機的生存空間可以得到保障，滿足標準EN15227的要求；

（4）機車司機室縱向平均減速度的最大值為1.67g，小于標準中要求的7.5g，亦滿足標準EN15227；

（5）該型調車機車的被動安全性經模擬仿真方法驗證，滿足標準EN 15227：2008。

參考文獻

[1]魏慶等.國外鐵路機車車輛碰撞安全性研究[J].國外鐵道車輛.2012.49（5）.39～45.

[2]EN15227， Crashworthiness Requirements for Railway Vehicle Bodies[S]，2008.

[3]江太宏等.外走廊車體的輕量化及防撞性研究[J].內燃機車.2010（7）.23～27.