地鐵列車(chē)司機(jī)室前端結(jié)構(gòu)耐撞性研究*

李少方， 侯本虎， 朱 濤， 肖守訥

(1 中車(chē)青島四方機(jī)車(chē)車(chē)輛股份有限公司， 山東青島 266111；2 西南交通大學(xué) 牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 成都 610031)

隨著我國(guó)城市軌道交通的快速發(fā)展，為方便人口流動(dòng)以及滿(mǎn)足人們的日常工作需求，地鐵已成為人們生活和工作必不可少的一部分。特別是在大城市，客流量相對(duì)龐大，地鐵運(yùn)行的安全性受到了人們高度的重視，特別是在人口密集的市區(qū)中，更是不能忽視，地鐵列車(chē)一旦發(fā)生碰撞事故，將帶來(lái)無(wú)法彌補(bǔ)的巨大災(zāi)難[1]。在客運(yùn)軌道車(chē)輛被動(dòng)安全防護(hù)技術(shù)研究領(lǐng)域，歐洲標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)(CEN)頒布的EN 15227標(biāo)準(zhǔn)描述了軌道車(chē)輛在設(shè)計(jì)、運(yùn)營(yíng)、試驗(yàn)?zāi)酥潦鹿拾l(fā)生時(shí)對(duì)車(chē)體耐撞性的要求[2]；王文斌等人建立了列車(chē)耐碰撞系統(tǒng)有限元和多體動(dòng)力學(xué)聯(lián)合仿真策略[3]；田紅旗等人依照第2類(lèi)Lagrange方程建立了列車(chē)撞擊動(dòng)力學(xué)方程，模擬列車(chē)車(chē)輛的撞擊吸能情況[4]；肖守訥等人建立了列車(chē)縱向和垂向碰撞動(dòng)力學(xué)耦合模型，利用不同材料模擬司機(jī)室前端吸能裝置來(lái)研究其耐撞性，研究了高速列車(chē)和地鐵列車(chē)在不同碰撞條件下列車(chē)輛的碰撞條件下列車(chē)輛的碰撞性能[5]；兆文忠和陳秉智等人研究車(chē)體安裝假人的條件下，鋁合金車(chē)體的二次碰撞以及前端結(jié)構(gòu)抗碰撞性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)[6]。

目前大多的文獻(xiàn)和研究人員以歐標(biāo)EN 15227來(lái)評(píng)價(jià)和研究列車(chē)的耐撞性，但其中針對(duì)地鐵列車(chē)的只要求在標(biāo)準(zhǔn)(AW0載荷+坐席乘客質(zhì)量的50%)工況下車(chē)輛結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足耐撞性要求。AW0載荷是指車(chē)輛處于空載狀態(tài)，但對(duì)于目前中國(guó)大城市地鐵的日運(yùn)客量，特別是上下班高峰期以及節(jié)假日期間，只研究標(biāo)準(zhǔn)載客的耐碰撞性，已不能滿(mǎn)足目前地鐵列車(chē)對(duì)耐撞性的要求，故有必要對(duì)地鐵列車(chē)在超載狀態(tài)下的碰撞安全性進(jìn)行研究。

以某地鐵列車(chē)為例，建立地鐵列車(chē)有限元模型以及列車(chē)動(dòng)力學(xué)方程，模擬超載工況下(即：9人/m2)地鐵列車(chē)耐碰撞性能[7]，在此基礎(chǔ)上，對(duì)被動(dòng)列車(chē)施加停放制動(dòng)，研究列車(chē)在該載荷狀態(tài)下的損壞情況，以及與不施加制動(dòng)的對(duì)比結(jié)果，分析地鐵列車(chē)的吸能特性和司乘人員的安全問(wèn)題。

1 數(shù)學(xué)模型和理論方程的建立

列車(chē)碰撞是一個(gè)涉及結(jié)構(gòu)非線(xiàn)性，接觸非線(xiàn)性，彈塑性非線(xiàn)性等復(fù)雜的非線(xiàn)性大變形問(wèn)題。文中建立了某地鐵列車(chē)頭車(chē)和中間車(chē)完整的有限元模型，模擬兩列6節(jié)編組列車(chē)在直線(xiàn)軌道上的正面碰撞。表1為筆者給出的3種不同碰撞條件下的分析工況。

根據(jù)(AW0、AW1、AW2、AW3)的要求對(duì)空車(chē)車(chē)輛、坐席車(chē)輛、定員車(chē)輛、超員車(chē)輛的規(guī)定，文中除車(chē)體本身固有的質(zhì)量外，其余質(zhì)量(包括乘客和物品)均是通過(guò)建立質(zhì)量點(diǎn)均分在車(chē)體底架上來(lái)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

表1 工況計(jì)算匯總表

為了對(duì)比的準(zhǔn)確性，3種工況下主動(dòng)車(chē)的速度均按照(25 km/h)來(lái)進(jìn)行模擬，數(shù)學(xué)模型(圖1)和動(dòng)力學(xué)方程如式(1)～式(4)[8]：

圖1 列車(chē)碰撞模型圖

主動(dòng)車(chē)輛：

(1)

(2)

被動(dòng)車(chē)輛：

(3)

(4)

式中mi代表每輛車(chē)的質(zhì)量(主動(dòng)車(chē)輛從A6至A1，i=1,2…6；被動(dòng)車(chē)輛從B1至B6,i=7,8…12)；ci代表車(chē)鉤緩沖器的阻尼；ki代表車(chē)鉤緩沖器的剛度，(i=1,2,3…n);fa代表主動(dòng)列車(chē)的輪軌摩擦系數(shù)；fb代表被動(dòng)列車(chē)的輪軌摩擦系數(shù)；

式中Fmi代表每輛車(chē)所受摩擦力；Fi代表界面力的大??；fd代表動(dòng)摩擦系數(shù)；fs代表靜摩擦系數(shù)。

2 有限元模型及動(dòng)力學(xué)參數(shù)的建立

2.1 有限元模型的建立

根據(jù)某地鐵列車(chē)的三維實(shí)體模型建立列車(chē)碰撞有限元模型，車(chē)輛車(chē)體采用由底架、側(cè)墻、車(chē)頂、端墻、司機(jī)室(僅Tc車(chē)有)等構(gòu)成的薄壁筒形整體承載結(jié)構(gòu)，除司機(jī)室前端骨架采用不銹鋼材料外，其他車(chē)體結(jié)構(gòu)均采用鋁合金材料，其中司機(jī)室外部由玻璃鋼罩組成(這里不予模擬)。

該模型按其規(guī)定定義密度、彈性模量、泊松比、屈服應(yīng)力和材料屈服后硬化的有效應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)等性能。通過(guò)定義車(chē)體模型與轉(zhuǎn)向架模型間正確的連接關(guān)系以及建立各車(chē)輛有限元模型間鉤緩裝置進(jìn)行耦合關(guān)聯(lián)，最終形成連掛列車(chē)。

對(duì)于6節(jié)編組的列車(chē)碰撞，相關(guān)研究表明[10]：列車(chē)大部分碰撞動(dòng)能主要靠前兩節(jié)車(chē)吸收，因此為提高計(jì)算效率，列車(chē)頭車(chē)及第1節(jié)中間車(chē)建立完整的有限元力學(xué)模型，其余車(chē)輛用剛體代替。

仿真模型考慮了地鐵列車(chē)在碰撞過(guò)程中的頭車(chē)前端結(jié)構(gòu)和防爬吸能裝置之間的碰撞沖擊接觸，輪軌之前的面面接觸，轉(zhuǎn)向架自身的接觸和頭車(chē)前端結(jié)構(gòu)在碰撞壓塑過(guò)程中的自身接觸等[11]。列車(chē)主要的模型連接，以及輪軌接觸如圖2所示。

圖2 有限元模型圖

2.2 動(dòng)力學(xué)仿真參數(shù)

為區(qū)分標(biāo)準(zhǔn)載荷列車(chē)和超員載荷列車(chē)在其載客上面的不同，表2列出了仿真計(jì)算中的車(chē)輛質(zhì)量；有關(guān)第Ⅲ種工況，被動(dòng)列車(chē)的停放制動(dòng)，從摩擦學(xué)的觀點(diǎn)來(lái)看，車(chē)輛的驅(qū)動(dòng)與制動(dòng)所需要的輪軌的摩擦小(在鐵路上稱(chēng)為黏著)，在低速、干燥條件下，鐵路鋼輪與鋼軌之間的黏著系數(shù)為0.3～0.5；在遇到降雨時(shí)，黏著系數(shù)會(huì)減小[12]，文中模擬列車(chē)在低速干燥條件下的運(yùn)行情況，被動(dòng)列車(chē)施加的摩擦系數(shù)取0.3。

表2 配重列表 t

3 3種工況碰撞對(duì)比分析

3.1 司機(jī)室前端壓潰區(qū)壓縮量

根據(jù)上述信息，建立完整的有限元模型，導(dǎo)入LS-DYNA軟件中進(jìn)行仿真計(jì)算，在碰撞過(guò)程中，各主動(dòng)車(chē)輛由初速度(25 km/h)撞擊靜止的同類(lèi)型同配置的被動(dòng)列車(chē)，主動(dòng)列車(chē)逐步減速，而各被動(dòng)車(chē)輛則由靜止逐步加速，當(dāng)仿真結(jié)果的速度曲線(xiàn)交匯以及碰撞能量吸收和剩余動(dòng)能數(shù)值平穩(wěn)時(shí)，視為碰撞結(jié)束。工況Ⅰ仿真時(shí)間0.85 s，工況Ⅱ仿真時(shí)間0.9 s，工況Ⅲ仿真時(shí)間1 s，頭車(chē)車(chē)鉤和司機(jī)室前端防爬吸能裝置均充分吸收能量，隨后司機(jī)室前端結(jié)構(gòu)發(fā)生碰撞，如圖3～圖6表現(xiàn)了司機(jī)室前端壓潰區(qū)的碰撞結(jié)果。

圖3 定員工況碰撞初始時(shí)刻

圖4 定員工況碰撞結(jié)束時(shí)刻

圖5 超載工況碰撞結(jié)束時(shí)刻(無(wú)制動(dòng))

圖6 超載工況碰撞結(jié)束時(shí)刻(有制動(dòng))

圖7為被動(dòng)列車(chē)司機(jī)室前端壓潰區(qū)的長(zhǎng)度與時(shí)間之間的關(guān)系，隨著載客量的增加，被動(dòng)列車(chē)司機(jī)室受壓越來(lái)越嚴(yán)重其縱向最大受壓距離分別為：58.67，284.99，452.86 mm。受壓的被動(dòng)車(chē)壓潰區(qū)是司機(jī)安全的最后一道屏障，在超載狀態(tài)下，被動(dòng)列車(chē)壓潰區(qū)基本已被侵占，452.86 mm的壓潰距離也逐漸逼近壓潰的極限600 mm。

圖7 壓潰區(qū)縱向長(zhǎng)度變化量與時(shí)間特性曲線(xiàn)

3.2 司機(jī)室前端吸能

在列車(chē)碰撞過(guò)程中，主動(dòng)列車(chē)在初始動(dòng)能的驅(qū)使下向前推進(jìn)，首先頭車(chē)車(chē)鉤壓縮吸能，隨后剪斷并失效，接著防爬吸能裝置嚙合并切削吸能，同時(shí)產(chǎn)生熱量(很少，忽略不計(jì))，在防爬器壓縮大約180 mm(單個(gè)總行程650 mm)行程后，車(chē)體結(jié)構(gòu)開(kāi)始接觸，在3種工況下，在司機(jī)室前端產(chǎn)生碰撞后的最大界面力均為2 100 N左右，此時(shí)，防爬器和車(chē)體前端結(jié)構(gòu)同時(shí)作用吸能。其能量吸收情況如表3所示，司機(jī)室前端壓縮距離與吸能百分比的對(duì)比情況如表4所示。

表3 列車(chē)碰撞能量吸收及耗散表

表4 列車(chē)碰撞能量吸收及耗散表

在列車(chē)碰撞過(guò)程中，撞擊界面的吸能量占主要部分，頭車(chē)車(chē)鉤的行程和阻抗力都是一致的，防爬吸能裝置的前180 mm也是在不同工況中吸能一致的，只有在司機(jī)室結(jié)構(gòu)接觸后，吸能才有所區(qū)別，其中第Ⅰ種工況，按照對(duì)地鐵列車(chē)的一般要求，標(biāo)準(zhǔn)載荷條件下的碰撞對(duì)于司機(jī)室前端的壓潰區(qū)結(jié)構(gòu)基本沒(méi)有影響，到碰撞結(jié)束時(shí)最大壓縮量是58.67 mm，當(dāng)載荷加大，到達(dá)超員載荷時(shí)，壓縮距離逐漸加大，大約是總行程的一半， 最大壓縮距離284.99 mm，在此基礎(chǔ)上在被動(dòng)列車(chē)施加停放制動(dòng)，其碰撞程度達(dá)到最?lèi)毫?，司機(jī)室前端壓潰區(qū)壓縮距離逼近極限值，最大壓縮距離452.86 mm，其前端對(duì)應(yīng)的吸能距離660.65 mm(結(jié)構(gòu)壓潰后也需有一定的容量空間)也逼近極限壓縮吸能容量。

4 結(jié) 論

基于建立的某地鐵列車(chē)碰撞有限元模型，分析了在標(biāo)準(zhǔn)工況載荷，超員載荷以及施加停放制動(dòng)的超員載荷這3種工況下，司機(jī)室前端的壓潰破壞和列車(chē)整體能量吸收情況，得出以下結(jié)論；

(1) 在標(biāo)準(zhǔn)載荷和超員載荷下主動(dòng)車(chē)以初速度(25 km/h)撞擊同類(lèi)靜止無(wú)制動(dòng)的被動(dòng)列車(chē)，兩種工況下司乘人員均為安全，而且司機(jī)室前端壓潰區(qū)還有可供壓縮的空間來(lái)保護(hù)司機(jī)室空間不受破壞；超員載荷下，司機(jī)室前端所被壓縮的距離是標(biāo)準(zhǔn)條件下的5倍左右。

(2) 在同等初速的撞擊條件下，被動(dòng)車(chē)施加停放制動(dòng)時(shí)，撞擊的結(jié)果更為嚴(yán)重，司機(jī)室前端的車(chē)鉤和防爬吸能裝置均走完全程，被動(dòng)車(chē)司機(jī)室前端的壓潰區(qū)幾乎被全部壓潰，幾乎是司機(jī)室前端壓潰吸能的極限，在工況Ⅲ條件下，若再次加大速度即會(huì)對(duì)司機(jī)室空間產(chǎn)生威脅。

在地鐵運(yùn)營(yíng)高峰期列車(chē)超員是很常見(jiàn)的現(xiàn)象，通過(guò)對(duì)3種工況的對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)超員載荷條件下列車(chē)的碰撞安全性研究很有必要，以此評(píng)價(jià)所設(shè)計(jì)車(chē)輛結(jié)構(gòu)的碰撞安全性，降低碰撞事故中的生命和財(cái)產(chǎn)損失。

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