機(jī)車車輛車鉤緩沖裝置及吸能裝置的耐撞性研究

王晉樂，田愛琴，趙士忠，車全偉

(中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司 技術(shù)中心，山東 青島 266111)

0 引言

機(jī)車作為牽引或推送鐵路車輛運(yùn)行的自推進(jìn)車輛，是鐵路運(yùn)輸不可或缺的重要工具，以歐美為代表的發(fā)達(dá)國家早在20世紀(jì)80年代就開始對鐵路機(jī)車的碰撞安全性研究進(jìn)行了大量的投入，并陸續(xù)制定了如歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN12663[1]、互通互聯(lián)技術(shù)規(guī)范(TSI)[2]、EN15227[3]，美國強(qiáng)制性法規(guī)49CFR229[4]、49CFR238[5]等一系列相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，促進(jìn)了車輛設(shè)計(jì)的改進(jìn).

我國近些年各高等院校以及各科研院所也相繼開展了對鐵路車輛的耐碰撞安全性研究[6- 12]，由于鐵路車輛發(fā)生事故的嚴(yán)重程度，例如7.23甬溫線事故，促使軌道交通裝備的被動(dòng)安全性能被突出到了一個(gè)非常重要的地位，各主機(jī)廠開發(fā)的高鐵、動(dòng)車組、地鐵及輕軌車輛的設(shè)計(jì)大都要求參照國外的標(biāo)準(zhǔn)，如EN12663、EN15227等.可是由于機(jī)車車體碰撞安全性設(shè)計(jì)所涉及問題的復(fù)雜性和研究所需投入費(fèi)用的巨大，在我國鐵路機(jī)車的設(shè)計(jì)中，雖然針對機(jī)車車體結(jié)構(gòu)、車鉤緩沖裝置以及吸能裝置獨(dú)立的應(yīng)用有了一定深入的研究，但是，系統(tǒng)、綜合性地研究機(jī)車的耐碰撞設(shè)計(jì)，仍然處于初級階段.

鑒于此，本文通過對機(jī)車車輛的車鉤緩沖裝置和吸能裝置進(jìn)行深入研究，建立了詳細(xì)的機(jī)車車輛車體結(jié)構(gòu)非線性動(dòng)力學(xué)有限元模型，對該電力機(jī)車的耐碰撞性能進(jìn)行系統(tǒng)的仿真驗(yàn)證.

1 機(jī)車車輛耐撞性能研究方法

目前研究機(jī)車車輛耐撞性的研究方法主要有理論研究、實(shí)物試驗(yàn)和數(shù)值仿真三種[13].其中理論研究只能在宏觀上進(jìn)行分析，通常它必須與實(shí)物試驗(yàn)和數(shù)值仿真結(jié)合在一起.實(shí)物試驗(yàn)涉及試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集和處理，要用到大量傳感器和數(shù)臺高速攝像機(jī)，其試驗(yàn)準(zhǔn)備工作是十分費(fèi)時(shí)的.另外，碰撞試驗(yàn)屬于破壞性試驗(yàn)，試驗(yàn)所需費(fèi)用也是比較昂貴的.

近年來，隨著有限元理論和計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)值仿真的準(zhǔn)確性也在逐步提高，仿真模型從過去的單節(jié)粗網(wǎng)格半車模型、單節(jié)細(xì)網(wǎng)格半車模型到如今的多節(jié)細(xì)網(wǎng)格半車模型、多節(jié)細(xì)網(wǎng)格整車模型，其發(fā)展速度相當(dāng)迅速.同時(shí)，考慮到國內(nèi)各主機(jī)廠及各科研院所均尚未能開展機(jī)車車輛相關(guān)的實(shí)物碰撞試驗(yàn)，本文采用數(shù)值仿真方法對機(jī)車車輛進(jìn)行耐撞性研究.

2 機(jī)車車輛有限元模型的建立

2.1 車鉤緩沖裝置及吸能裝置

車鉤緩沖裝置是機(jī)車的重要部件，它的用途是實(shí)現(xiàn)機(jī)車與車輛連接或分離列車，具有連接、牽引和緩沖的作用，主要由車鉤、緩沖器及車鉤復(fù)原裝置三個(gè)部分組成，其中緩沖器是決定車鉤緩沖裝置性能的關(guān)鍵部件，需要有足夠的吸能容量和較高的沖擊能量吸收率(一般不小于75%)，足夠的強(qiáng)度和耐久性.[14]

本文使用的緩沖器型號為QKX100彈性膠泥緩沖器，其主要技術(shù)參數(shù)如下[15]：①?zèng)_擊速度：≥10 km/h；②行程：≤83 mm；③能量吸收率：≥80%；④最大阻抗力：≤2 500 kN；⑤初壓力：≤150 kN.

為了準(zhǔn)確模擬本文所使用的QKX100彈性膠泥緩沖器，在建立車鉤緩沖器有限元模型時(shí)，采用了COMBI165離散梁(彈簧-阻尼)單元，并通過賦予LS-DYNA中的119#類型材料(MAT_GENERAL_NONLINEAR_6DOF_DISCRETE_BEAM)來進(jìn)行模擬.LS-DYNA中的119#類型材料是一種非常通用的彈簧—阻尼材料，建模時(shí)通過設(shè)置準(zhǔn)確的緩沖器加載、卸載特性曲線(如圖1所示，某緩沖器廠商提供的QKX100彈性膠泥緩沖器動(dòng)態(tài)F-S特征曲線)，可以準(zhǔn)確的模擬出該緩沖器在碰撞過程各時(shí)刻的力學(xué)特性以及能量的吸收情況，是一種非常理想的模擬方式.

圖1 車鉤緩沖器動(dòng)態(tài)F-S特征曲線圖

車鉤緩沖裝置及吸能裝置的安裝方式及其有限元模型如圖2所示.

圖2 車鉤緩沖裝置及吸能裝置的實(shí)體模型及其有限元模型

車鉤緩沖裝置有限元模型如圖3所示，由兩個(gè)剛性體和四個(gè)離散梁單元構(gòu)成.其中，選擇四個(gè)梁單元來模擬QKX100彈性膠泥緩沖器，以使模型在受壓時(shí)能夠均勻受力，使計(jì)算更穩(wěn)定.車鉤緩沖裝置的壓縮行程為83 mm，車鉤肩與沖擊座之間的距離為133 mm，在緩沖器行程全部結(jié)束且碰撞盒變形50 mm后，車鉤即與沖擊座產(chǎn)生碰撞，該車鉤緩沖裝置的物理特性即在碰撞過程中的動(dòng)作循序得到了很好的體現(xiàn).

圖3 車鉤緩沖裝置有限元模型

吸能裝置安裝于機(jī)車每端車鉤箱的后部[16]，每車鉤箱后部各安裝有兩個(gè)吸能裝置，一節(jié)機(jī)車共安裝了四個(gè)吸能裝置.其中每個(gè)吸能裝置又均由一個(gè)碰撞盒和一個(gè)導(dǎo)向銷構(gòu)成，由于碰撞盒的前端不能與車鉤從板完全接觸，導(dǎo)向桿的導(dǎo)向作用對于該吸能裝置至關(guān)重要，本文如圖4所示，將導(dǎo)向銷與碰撞盒使用rigid(一種剛性桿單元)進(jìn)行剛性聯(lián)接來模擬二者的焊接關(guān)系，且碰撞盒和導(dǎo)向銷都用了實(shí)體單元來模擬，其物理特性亦得到了很好的體現(xiàn).

圖4 吸能裝置有限元模型

2.2 車體結(jié)構(gòu)有限元模型的建立

本文在建立機(jī)車車體有限元模型時(shí)，凡是直徑不小于30 mm的孔都沒有簡化，微機(jī)柜、主變流柜、信號柜等大于100 kg的車上、車下以及車內(nèi)設(shè)備都單獨(dú)通過質(zhì)量點(diǎn)單元MASS166進(jìn)行模擬，緊固排障器及變壓器等大型設(shè)備的螺栓部件都通過BEAM161梁單元準(zhǔn)確模擬，此外，對有限元模型的網(wǎng)格質(zhì)量也要求極高，經(jīng)過認(rèn)真的建模工作，最終的有限元模型如圖5所示.模型中三角形單元的數(shù)量不超過總單元數(shù)量的1%，且無錯(cuò)誤及警告單元.

圖5 機(jī)車車體有限元模型

材料方面，車體鋼結(jié)構(gòu)承載部件選用S355J2G4低合金高強(qiáng)度鋼材料，側(cè)墻蒙皮選用S275J2G4材料.計(jì)算時(shí)需要定義各材料的密度，楊氏模量，泊松比，屈服強(qiáng)度，切線模量，其參數(shù)如表1所示.

表1 車體結(jié)構(gòu)主要部位材質(zhì)的力學(xué)性能參數(shù)

3 機(jī)車車輛耐撞性仿真分析

為驗(yàn)證該機(jī)車車鉤緩沖裝置及吸能裝置的耐碰撞性能，運(yùn)用LS-DYNA軟件，設(shè)置如圖6所示，一節(jié)機(jī)車以10 km/h速度撞擊剛性墻這可以充分釋放機(jī)車前端吸能結(jié)構(gòu)耐撞性能的碰撞場景，進(jìn)行仿真計(jì)算.

圖6 機(jī)車撞擊剛性墻碰撞場景

仿真結(jié)果表明，在機(jī)車撞擊剛性墻的碰撞過程中，車鉤緩沖裝置首先發(fā)生接觸、變形并開始吸收部分能量，當(dāng)吸能裝置界面力增大至其變形觸發(fā)力后，吸能裝置也逐步開始變形并參與吸收能量，該工況的碰撞模擬過程總結(jié)如表2所示,變形圖如圖7所示.

表2 碰撞模擬時(shí)間表

圖7 機(jī)車端部吸能裝置變形圖

碰撞過程中，能量的轉(zhuǎn)換情況如圖8所示，內(nèi)能的詳細(xì)分配情況如圖9所示，機(jī)車車體結(jié)構(gòu)應(yīng)變圖如圖10所示.機(jī)車共吸收能量265.499 kJ，主要由車鉤緩沖裝置(103.340 kJ)和吸能裝置(87.563 kJ)所吸收，車鉤緩沖裝置及吸能裝置很好的發(fā)揮了其吸能作用，碰撞結(jié)束后最大應(yīng)變產(chǎn)生于車體結(jié)構(gòu)中部的轉(zhuǎn)向架牽引支座處，且僅為局部微小變形，車體主體結(jié)構(gòu)并無明顯塑性變形發(fā)生，該機(jī)車是一個(gè)具有良好多級能量耗散系統(tǒng)的耐碰撞車體結(jié)構(gòu).

圖8機(jī)車碰撞能量-時(shí)間曲線圖9機(jī)車各部件吸能量-時(shí)間曲線

圖10機(jī)車車體結(jié)構(gòu)應(yīng)變圖

4 結(jié)論

本文以某機(jī)車為載體，以提高模擬精度與計(jì)算效率為目標(biāo)，重點(diǎn)對機(jī)車車輛碰撞仿真分析時(shí)車鉤緩沖裝置及吸能裝置的模擬方法進(jìn)行研究，得到如下主要結(jié)論：

(1)使用剛性體與離散梁單元對機(jī)車車鉤緩沖裝置進(jìn)行詳細(xì)有限元建模，可以準(zhǔn)確模擬出該車鉤緩沖裝置的吸能特性及其物理特性;

(2)吸能裝置中碰撞盒及其導(dǎo)向銷的焊接關(guān)系模擬有效且該導(dǎo)向銷確實(shí)發(fā)揮了預(yù)期的導(dǎo)向作用，碰撞盒的塑性變形穩(wěn)定、有序，該吸能裝置的吸能性能是較為良好的;

(3)碰撞過程中的能量主要由車鉤緩沖裝置和吸能裝置所吸收，車鉤緩沖裝置和吸能裝置的吸能性能對機(jī)車耐撞性能至關(guān)重要;

(4)該機(jī)車是一個(gè)具有良好多級能量耗散系統(tǒng)的耐撞擊車體結(jié)構(gòu).

[1]DE-DIN.EN 12663- 2：2010 Railway Applications-Structural Requirements of Railway Vehicle Bodies[S]．Germany:European Committee for Standardization,2010．

[2]Deparment for Transport.Rail Technical Specification for Interoperability(TSI)[R].Official Journal of the European Union,2011．

[3]BS EN 15227- 2008,IDT.Railway applications-Crashworthiness Requirements for Railway Vehicle Bodies[S]．UK:British Standards,2010．

[4]49 CFR 229.Railroad Locomotive Safety Standard[S]．US:Federal Railroad Administration,2011.

[5]49 CFR 238.Passenger Equipment Safety Standard[S]．US: Federal Railroad Administration,2011.

[6]余同希.利用金屬塑性變形原理的碰撞能量吸收裝置[J].力學(xué)進(jìn)展，1986，16(1):28- 38.

[7]劉建新.高速動(dòng)力車能量吸收裝置[J]．鐵道學(xué)報(bào),1997，19(30)：32- 36．

[8]肖守訥，賈宇．機(jī)車車輛防碰撞技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展[C]．世界軌道交通論壇2004國際會(huì)議文集,北京：2004．

[9]劉金朝，王成國．城市高速列車防碰撞性研究[J]．現(xiàn)代城市軌道交通，2005(2)：36- 40.

[10]李松晏，鄭志軍，虞吉林.高速列車吸能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和耐撞性分析[J].爆炸與沖擊，2015，35(2)：164- 170.

[11]王晉樂，車全偉，田愛琴，等.軌道車輛耐撞性分析中轉(zhuǎn)向架的模擬方法[J]．大連交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，37(2)：53- 56.

[12]姜士鴻.列車防爬器誘導(dǎo)槽結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)研究[J].機(jī)械研究與應(yīng)用，2016，29(2):104- 106.

[13]王晉樂．電力機(jī)車耐撞擊車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及分析[D]．成都：西南交通大學(xué)，2014．

[14]陳剛，王立.機(jī)車的牽引緩沖裝置[J].企業(yè)導(dǎo)報(bào)，2013(1):287.

[15]任玉君，陳凱，宋國文，等．關(guān)于機(jī)車車輛車鉤緩沖裝置的選型分析[J]．鐵道車輛，2009，47(5)：1- 7．

[16]王晉樂，李幸人，張江田，等．機(jī)車吸能裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其耐撞性研究[J]．機(jī)車電傳動(dòng)，2013(6)：36- 55．