現代有軌電車車端系統配置 及耐撞性分析

高云峰 王建全 王俊

摘 要：介紹現代有軌電車車端系統的組成及主要參數，以某有軌電車為例，從豎曲線、平面曲線、吸能行程、位置關系幾個方面對車端系統各參數進行校驗和優化。根據 EN 15227-2008+A1-2010《鐵路應用設施-鐵路車輛車身防撞性要求》，計算列車以 15km/h 速度與 1 列相同編組的靜止列車正面碰撞，以及列車以 25km/h 速度呈 45°角撞擊1 個 3t障礙物的 2 種碰撞情景下，列車碰撞過程中車體內能及動能、車輛速度及加速度等參數變化情況，驗證車體的耐碰撞性和結構完整性，并對碰撞計算存在的不足進行探討，提出建議。

關鍵詞：現代有軌電車;車端系統;吸能;碰撞

中圖分類號：U260.3

現代有軌電車車端系統位于有軌電車端部，是有軌電車的吸能和連掛系統，它的正確選型關系到整車的綜合運行性能和安全性能。只有各參數合理匹配，才能保證各部件功能的正常發揮，而吸能結構的合理碰撞壓塌失效順序是吸收更多的碰撞動能為車內乘客提供生存空間的關鍵所在。

1 車端系統組成

現代有軌電車車端系統主要由折疊車鉤、防爬吸能裝置、導流罩和開閉機構4部分組成，如圖1所示。其主要功能為：①實現2列機車的正常連掛和發生故障時的救援連掛;②防止相撞車輛之間攀爬，吸收碰撞能量;③實現車輛外形的整體流線化。

1.1 折疊車鉤

現代有軌電車車鉤與機車車鉤不同，采用折疊型車鉤，在列車正常運行時，車鉤處于折疊狀態，當需要救援或連掛時，車鉤旋轉打開成180°。

現代有軌電車折疊車鉤在車體上的安裝高度沒有統一規定，通常同一城市的有軌電車車鉤選用同一高度值，互換性好，方便救援維護。車鉤的安裝高度一般由司機室模塊結構和車鉤操作空間決定，車鉤高度太高，勢必抬高司機室地板面，占用司機室空間;車鉤高度太低，對車鉤的操作維護不便。車鉤高度的設定還應通過線路最大坡度和最小豎曲線驗證。

1.2 防爬吸能裝置

現代有軌電車防爬吸能裝置由防爬梁和吸能元件組成，當列車發生碰撞事故時，阻止車輛之間的攀爬，并吸收沖擊能量。防爬梁強度略小于整車的縱向壓縮強度，便于受損后更換。防爬梁推薦采用全寬尺寸，設計成順應列車前端的不規則形狀，盡可能多的將非縱向載荷轉化為縱向載荷，避免列車橫向失穩。

吸能元件通常采用膠泥緩沖器和壓潰管組合或僅使用壓饋管2種形式，低于7 km/h速度碰撞時，碰撞能量由膠泥緩沖器吸收;高于7 km/h速度碰撞時，碰撞能量由膠泥緩沖器和壓饋管共同吸收。壓潰管為管壁膨脹吸能方式，觸發力恒定，吸能穩定，是事故工況下吸收能量的主要裝置。

1.3 導流罩

導流罩在列車最前端，包裹著折疊車鉤，采用易于成型的復合材料制成。導流罩的開度滿足列車在不同曲線半徑上運行時車鉤最大轉角要求。

1.4 開閉機構

開閉機構是導流罩的運動執行機構，一般為四連桿機構，動力部件為氣彈簧。

1.4.1 開閉機構形式

開閉機構主要有2種形式：整體動作式（圖2）和分體動作式（圖1）。

（1）整體動作式。防爬梁和導流罩隨開閉機構一起動作。蘇州高新有軌電車1號線車輛采用整體動作式開閉機構。此種開閉機構的優點是可以把車鉤和防爬吸能裝置布置在同一水平面，降低司機室地板面高度，減小司機室與客室地板高度差。缺點是防爬梁隨開閉機構一起動作，運動重量大，機構故障率高。

（2）分體動作式。僅導流罩隨開閉機構動作，廣州海珠環島有軌電車、淮安現代有軌電車及青島現代有軌電車車輛均采用分體動作式開閉機構。此種開閉機構的優點是結構簡單，動作可靠，故障率低。缺點是防爬吸能裝置與折疊車鉤采用垂直面上下布置，抬高了司機室地板面，占用司機室內部空間。

1.4.2 開閉機構功能

開閉機構應滿足以下基本功能：

（1）開閉機構運動時，保證導流罩處于正確的打開和閉合狀態;

（2）開閉機構動作過程中，運動部件與司機室系統、防爬器、車鉤及車體任何部位不發生干涉;

（3）車體連掛運行過程中，2列車的導流開閉機構之間不發生干涉。

2 車端系統主要參數

某現代有軌電車采用5模塊浮車結構：Mc（動車）+F（浮車）+Tp（拖車）+F（浮車）+Mc（動車），各模塊之間通過鉸接裝置及貫通道連接，車體主結構采用高強鋼Q460E，整車強度滿足EN 15227-2008+A1-2010《鐵路應用設施-鐵路車輛車身防撞性要求》（以下簡稱EN 15227）標準中P-IV級要求。

2.1 Albert折疊車鉤主要參數

（1）車鉤縱向壓縮屈服載荷≥400 kN 。

（2）車鉤縱向拉伸屈服載荷≥320 kN 。

（3）車鉤最大水平擺角為±45° 。

（4）車鉤最大垂直擺角為±6° 。

（5）緩沖器最大阻抗力為±300 kN。

（6）緩沖器行程為±25 mm。

（7）車鉤距軌面高度430 mm。

（8）車鉤長1 680 mm。

2.2 防爬吸能裝置主要技術參數

（1）防爬梁縱向壓縮屈服載荷為400±7.5% kN。

（2）單個壓潰管穩態力為200 kN。

（3）單個壓潰管吸能行程為300 mm。

（4）單個壓潰管容量為60 kJ。

（5）吸能裝置中心距離為1580mm。

3 車端系統主要參數校核

3.1 豎曲線校核

依據CJ/T 417-2012《低地板有軌電車車輛通用技術條件》，線路最大坡度采用60‰，考慮轉向架一系橡膠錐彈簧和二系沙漏彈簧的垂向剛度，在車輛超載工況（AW3）下全磨耗狀態通過R 500 m豎曲線（標準要求不小于1000 m，本車按500 m校核）時，考核車輛與軌面的干涉情況，如圖3所示。車鉤安裝高度初期定為395mm，經 R 500 m豎曲線校核，發現車鉤最低點（平直段距軌面132 mm）在凸曲線變坡點處與軌面發生干涉;將車鉤安裝高度調整為430 mm，并對車端結構梁上傾1.4°設計，干涉消除，滿足車輛爬坡要求，車端各部件位置關系如圖4所示。

3.2 平面曲線校核

通過動力學軟件SIMPACK進行動態模擬，車輛以限速14.5 km/h通過無超高最小平面曲線R 25 m時，脫軌系數最大為1.12，小于GB 5599-1985《鐵道車輛動力學性能評定和試驗鑒定規范》（以下簡稱GB 5599）中規定的脫軌系數1.2的限度;重車AW3工況下輪軸橫向力最大值為33.7 kN，小于GB 5599規定的計算值59.01kN，輪重減載率最大值為0.42，小于GB 5599規定的限度0.6。此時車鉤最大轉角為21.93°，對導流罩的開度按照車鉤最大轉角進行驗證，結論為合格。

3.3 吸能行程校核

依據EN 15227標準，采用吸收能量較大的碰撞情景進行吸能行程計算：列車以15 km/h 速度與1列靜止的相同編組的列車正面碰撞。設碰撞前兩車總質量分別為M1、M2，運行速度分別為v1和v2，撞擊后的速度為u，則撞擊前總動能Wd為：

（1）

撞擊后總動能Wh為：

（2）

由動量守恒定理得，撞擊前的動量等于撞擊后的動量：

（3）

由式（1）～式（3）可得碰撞過程中所需耗散的能量Wf為：

（4）

式（4）中， M1 = M2 = 51034kg（車輛整備加滿座1/2乘客質量），v1 = 15 km/h，v2 = 0 km/h，可得出碰撞情形中需要耗散的能量為221.5 kJ。相同車組，每一車組需吸收一半的能量110.75 kJ。壓潰管平均穩態力為200kN，每列車設有2個壓潰管，由此可估算出每個壓饋管的吸能行程為277 mm，目前壓潰管吸能行程為300mm，滿足碰撞要求。

3.4 位置關系校核

車端各部件位置關系見圖4，導流罩向上旋轉打開時，折疊車鉤連掛孔距導流罩前端距離為310 mm，保證兩車輛連掛時通過最小平面曲線，無干涉;防爬梁內檔距鋼結構前端350 mm，保證壓潰管的最大吸能行程300 mm;前端結構下部上傾1.4°，確保車輛豎曲線通過;防爬吸能裝置與車鉤采取上下布置關系，中心距離707.5 mm，開閉機構采用分體動作式。

4 耐撞性分析

4.1 碰撞情景設置

有軌電車屬于EN 15227標準中的C-IV類車輛，需滿足2種碰撞情景：①列車以15 km/h 速度與1列靜止的相同編組列車正面碰撞;②列車以25 km/h 速度呈45°角與1個3 t障礙物碰撞。碰撞質量為列車整備質量加上滿座50%乘客質量。

4.2 耐撞性評價指標

EN 15227車體的耐撞性評價指標要求如下。

（1）減少爬車風險：碰撞過程中應保持每個轉向架至少有1個輪對與軌道有效接觸，可轉化為每個轉向架至少有1個輪對的垂直位移不大于輪緣高度的75%來判斷。

（2）生存空間和結構完整性要求：乘客生存空間的減少量在任何5 m長度內不得超過50 mm，或者在這些區域塑性變形應限定為10%。

（3）減速要求：生存空間內的平均縱向減速度對于第1種碰撞情景不超過5 g，第2種碰撞情景下不超過7.5 g。

4.3 碰撞吸能仿真分析

4.3.1 碰撞情景1

由圖5 碰撞變形應力云圖可知，在15 km/h 的碰撞速度等級下，車頭區域發生了輕微變形，變形區域主要發生在司機室門立柱上，結構變形有序可控。

由圖6兩列車碰撞能量-時間曲線圖可知，車輛碰撞前總動能為446 kJ，碰撞后剩余動能為220 kJ，占初始動能的49.3%;碰撞過程中車輛吸收能量為218 kJ，占初始動能的48.9%，其中壓潰管吸收能量197 kJ，小于壓潰管吸能器總量240 kJ（兩列車2×120 kJ），其他能量消耗為（218-197）kJ = 21kJ，計算過程中產生的沙漏能為8.0 kJ，沙漏能占總能量比例為1.8%。

碰撞過程中，同一轉向架，運動列車輪對最大抬升量為41.4mm，次最大抬升量為8.8 mm;靜止列車輪對最大抬升量為35.5 mm，次最大抬升量為7.6 mm;滿足每個轉向架至少有1個輪對的垂直位移小于輪緣高度的75%（即21 mm）的要求。

通過仿真計算，碰撞車體間距5 m的2個節點碰撞后相對最大位移為8.7 mm，列車平均減速度為0.65 g，滿足乘客生存空間的減少量在任何5 m長度內不得超過50mm以及在生存空間內的平均縱向減速度不超過5 g的要求。

基于以上分析，本案例碰撞情景1的碰撞能量主要由吸能裝置壓潰管吸收，因此，壓潰管參數的選取滿足碰撞要求。

4.3.2 碰撞情景2

由圖7列車碰撞變形應力云圖可知，在25 km/h 的碰撞速度等級下，碰撞后車體前端防撞梁右側角部發生了較大變形，司機室門立柱有輕微塑性變形。

由圖8兩列車碰撞能量-時間曲線圖可知，車輛碰撞前總動能為 1.24 MJ，碰撞后剩余動能為1.166 MJ，占初始動能的94.03%，碰撞過程中車輛吸收能量為67.5kJ，占初始動能的5.44%，沙漏能為 6.5 kJ，占總能量比例為0.53%。

通過仿真計算，碰撞過程中碰撞車體間距 5 m 的2個節點碰撞后相對最大位移為21.1 mm，碰撞過程中車體平均減速度為0.95 g，滿足限定生存空間的減少量在任何5m長度上不超過 50 mm 以及在生存空間內的平均縱向減速度不超過7.5 g的的要求。

基于以上分析，碰撞情景2的碰撞能量主要由車輛前端結構變形吸收，部分結構發生塑性變形，但主結構完整，可以保證乘客的安全生存空間。

5 結論及建議

通過對有現代軌電車車端系統主要參數校核及碰撞能量分析，表明該有軌電車車端系統參數的設置滿足EN 15227車體的耐撞性要求。但以上分析計算在很大程度上依賴于車輛保持直線運行，與相撞車輛完全接觸，通常這與實際情況存在差異。因此，還應考慮由非兩端相撞引起的翻滾和局部壓潰。當車輛橫向失穩，車輛側面或車頂著地時，車輛還應具有足夠的翻滾強度，保存有效的乘客生存空間。在結構允許的情況下，可設計結構吸能梁。通過梁柱的塑性變形，吸收碰撞能量。有數據表明碰撞發生時結構吸能是最可靠、高效的吸能方式。

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收稿日期 2019-05-15

責任編輯 宗仁莉

Configuration and crashworthiness analysis of

modern tram end system

Gao Yunfeng， Wang Jianquan， Wang Jun

Abstract： This paper introduces the composition and main parameters of the modern tram end system. Taking a tram as an example， it verifies and optimizes the parameters of the end system from the aspects of vertical curve， plane curve， energy absorption stroke and position relationship. According to EN 15227-2008 + A1-2010 Railway Applications - Crashworthiness Requirements for Railway Vehicle Body， the front impact of a train at speed of 15 km/h and a static train of the same configuration， as well as the impact of a train at speed of 25 km/h and 45° angle on a 3t obstacle are calculated， and the changes of parameters such as energy in the vehicle body， kinetic energy， vehicle speed and acceleration during the collision are tested. This paper discusses the crashworthiness and structural integrity of the car body， the insufficiency of collision calculation， and puts forward some suggestions.

Keywords： modern tram， vehicle end system， energy absorption， crashworthiness