軌道車輛防全向錯位前面板防爬器性能仿真

王文斌 陳國蘇 徐俊東 劉達

摘要： 運用LS-DYNA對一種新型防全向錯位前面板防爬器抑制橫向滑移和垂向爬升的能力進行仿真，通過模擬2節(jié)編組列車車輛間水平初始偏轉(zhuǎn)為2°和3°的碰撞工況，分析比較傳統(tǒng)前面板防爬器和新型防全向錯位前面板防爬器對橫向運動的抑制能力。在此基礎(chǔ)上，仿真分析車輛間初始垂向偏移分別為20 和40 mm的碰撞工況，檢驗新型防爬器的垂向防爬能力。仿真結(jié)果表明，在碰撞工況下，新型防全向錯位前面板防爬器的橫向運動和垂向運動抑制能力均優(yōu)于傳統(tǒng)面板防爬器，可在車輛設(shè)計中推廣使用。

關(guān)鍵詞： 防全向錯位; 防爬器; 碰撞; 橫向偏移; 垂向偏移

中圖分類號： TP391.92; U270.34 ? 文獻標志碼： B

Abstract： The lateral and vertical motion restraining ability of a new type of anti-climber with anti-omnidirectional displacement front panel is simulated in LS-DYNA. The collision conditions with initial deflection of horizontal 2° and 3° between 2-vehicle trains are simulated， and the lateral motion restraining ability between the traditional front panel anti-climber and the new one are analyzed and compared. On this basis， the collision conditions with initial vertical deflection of 20 mm and 40 mm are simulated and analyzed to test the vertical motion restraining ability of the new anti-climber. The simulation results show that， under the collision conditions， the lateral and vertical motion restraining ability of the new type anti-climber with anti-omnidirectional displacement front panel is better than that of the traditional one， and it can be widely used in vehicle design.

Key words： anti-omnidirectional displacement; anti-climber; collision; lateral displacement; vertical displacement

0 引 言

城市軌道交通與人們的出行息息相關(guān)，列車結(jié)構(gòu)安全也日漸成為人們關(guān)注的問題。軌道交通是大容量運輸，列車質(zhì)量大且速度快，一旦發(fā)生碰撞事故，后果將不堪設(shè)想。目前，大多數(shù)軌道列車都考慮防碰撞設(shè)計，通過防爬器和吸能結(jié)構(gòu)吸收碰撞能量，保護車輛主體結(jié)構(gòu)和乘員安全。[1-2]

傳統(tǒng)吸能防爬器的功能主要有2點：（1）防止碰撞發(fā)生時一列車爬上另一列車的“交疊”現(xiàn)象[3]，或者結(jié)構(gòu)很強的車體底架沖撞另一結(jié)構(gòu)較弱車體的側(cè)墻或端墻結(jié)構(gòu)，造成非常嚴重的損壞;（2）防爬器的吸能結(jié)構(gòu)能吸收碰撞能量、降低沖擊，減少乘員損傷[4]。

列車是細長結(jié)構(gòu)，車輛之間為車鉤連接，在水平面內(nèi)可以有相對轉(zhuǎn)動，當列車發(fā)生碰撞后除有垂向爬升趨勢外，還極易出現(xiàn)縱向失穩(wěn)而導(dǎo)致橫向擺動，使列車呈“Z”字形變形，導(dǎo)致原先設(shè)計的縱向吸能結(jié)構(gòu)失去吸能緩沖作用，加重列車和乘員的損傷。

傳統(tǒng)的防爬器前面板僅有橫向齒，對抑制列車碰撞后橫向運動趨勢的能力較差，不能有效降低列車的橫向變形。本文對一種防全向錯位的新型防爬器[5]前面板結(jié)構(gòu)進行仿真研究，驗證其既有垂向防爬功能，又能抑制列車碰撞后的橫向“Z”字運動趨勢，使碰撞后的列車盡量保持直線，從而降低列車脫軌風(fēng)險，提高列車碰撞的安全性。

1 防爬器防全向錯位前面板設(shè)計

新型防爬器的前面板結(jié)構(gòu)為全向齒，齒形呈四棱錐狀，相鄰2個齒1個外凸、1個內(nèi)凹，相互交錯，從而能同時約束橫向和垂向相對運動，其形狀設(shè)計見圖1。

前面板上凹、凸錐型齒的數(shù)量，可有2種設(shè)計方案。

第一種是每一行凹、凸齒的數(shù)量相差1。在這種情況下，前面板是軸對稱的，在列車發(fā)生碰撞的初始時刻，由于錐形齒具有自動對中的特性，防爬器將發(fā)生橫向滑移，最終錯開1個齒。若要使2個防爬器碰撞后不發(fā)生錯開1齒的滑移現(xiàn)象，須制造公、母2種防爬器前面板，公、母相互嵌套。該方案會增加制造難度并引起列車編組繁瑣等問題，考慮實際應(yīng)用，不宜采用該方案。

第二種是每一行凹、凸齒的數(shù)量相等。在這種情況下，前面板本身是中心對稱的，防爬器前面板旋轉(zhuǎn)180°即可成為與之碰撞的另一防爬器的前面板，2個防爬器可以完全嵌合在一起，發(fā)生對心碰撞，見圖2。

因此，采用第二種方案設(shè)計防爬器防全向錯位前面板。由于防爬器本身是中心對稱的，只需將車體一、二位端的防爬器呈中心對稱安裝，見圖3。根據(jù)安裝方式和尺寸設(shè)計，當列車橫向和垂向的初始偏移在一定范圍內(nèi)時，該面板能使防爬器碰撞后自動完全對中，從而發(fā)生對心碰撞。

2 防全向錯位前面板防爬器抑制橫向滑移性能分析2.1 列車碰撞的水平偏轉(zhuǎn)角度

在直線碰撞工況下，初始時刻列車橫向滑移趨勢不明顯，車輛間的柔性連接導(dǎo)致列車縱向穩(wěn)定性偏弱;隨著碰撞的進行，列車各車輛間的橫向錯位逐漸增大。在曲線碰撞工況下，初始時刻列車各車體之間已經(jīng)存在初始的偏轉(zhuǎn)，因此在碰撞初始時刻車輛間的橫向滑移趨勢就比較明顯。所以，在研究防全向錯位前面板的性能時，不僅應(yīng)考慮曲線段初始偏轉(zhuǎn)角度，還應(yīng)考慮直線和曲線段碰撞發(fā)生初期角度增大的情況。

以A型地鐵列車為例，車輛定距一般為15.7 m[6]，車輛水平偏轉(zhuǎn)2°時所處的曲線半徑約為15.72sin 2°≈225 m（1） ?按照《地下鐵路設(shè)計規(guī)范》（GB 50157—2003）規(guī)定，地鐵線路最小曲線半徑[7]見表1。

列車水平偏轉(zhuǎn)2°時所處的曲線半徑為225 m，接近正線困難情況的線路曲線半徑。當碰撞發(fā)生后，列車各車輛間的橫向錯位和偏轉(zhuǎn)角度會變大，所以在驗證防全向錯位前面板的作用時，增加水平偏轉(zhuǎn)3°的工況，以驗證在大角度偏轉(zhuǎn)時新型防爬器前面板的橫向錯位抑制能力。

2.2 列車水平偏轉(zhuǎn)2°碰撞仿真

主、被動碰撞的列車都是2節(jié)編組，運動列車以7 m/s（25 km/h）的速度撞擊靜止列車，靜止列車的2節(jié)車輛初始水平偏轉(zhuǎn)為2°，見圖4。新型防全向錯位前面板防爬器和傳統(tǒng)前面板防爬器示意分別見圖5和6。

在LS-DYNA中建立仿真模型。為使仿真結(jié)果具有可比性，除前面板結(jié)構(gòu)外，其他結(jié)構(gòu)完全一致。碰撞過程中前面板變形可以忽略，因此設(shè)置前面板材料為*MAT_020-RIGID。防爬器內(nèi)吸能結(jié)構(gòu)和外殼結(jié)構(gòu)材料一般為鋁合金，因此材料型號選擇*MAT_024-PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY。前面板碰撞接觸類型選擇常用的*CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFFACE。

碰撞發(fā)生第238 ms 時2種前面板防爬器碰撞變形見圖7。傳統(tǒng)前面板防爬器碰撞后的橫向滑移距離較大，2個防爬器之間的相互作用基本消失;新型前面板防爬器在碰撞發(fā)生283 ms時面板間錯位很少，所以吸能結(jié)構(gòu)可以吸收更多的能量。列車碰撞過程中防爬器的橫向接觸力曲線見圖8。新型防全向錯位前面板防爬器的橫向作用力方向交替變化，而傳統(tǒng)前面板防爬器的橫向力只依靠摩擦力，因此其橫向滑移抑制作用明顯不如新型防全向錯位前面板防爬器。

列車碰撞過程中2種前面板結(jié)構(gòu)的防爬器橫向相對位移曲線見圖9。在碰撞過程中，安裝傳統(tǒng)前面板防爬器的列車橫向相對位移在0.4 s時已超過350 mm，而配置新型防全向錯位前面板防爬器列車的橫向相對位移達到80～90 mm后就基本保持不變，最終橫向位移不超過100 mm，遠小于配置傳統(tǒng)防爬器列車的橫向位移。仿真結(jié)果說明，在碰撞過程中，安裝新型防全向錯位前面板的防爬器有利于運動列車與靜止列車嚙合，從而有效抑制列車間的橫向滑移。

2.3 列車水平偏轉(zhuǎn)3°碰撞仿真

在列車水平偏轉(zhuǎn)2°分析的基礎(chǔ)上，對靜止列車水平偏轉(zhuǎn)3°進行仿真分析。碰撞發(fā)生第270 ms時2種前面板的碰撞變形見圖10，碰撞過程中防爬器的橫向接觸力曲線和橫向相對位移分別見圖11和12。

由仿真結(jié)果可知，雖然車輛水平相對偏轉(zhuǎn)角度增大，但是新型前面板防爬器仍然可以很好地嚙合，所以能有效抑制列車之間橫向相對滑移。傳統(tǒng)防爬器無法做到這一點，其在0.3 s時的橫向相對位移已經(jīng)超過250 mm。新型防全向錯位前面板防爬器對抑制車體橫向滑移具有很大作用，效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)前面板防爬器。

3 新型防爬器垂向載荷承受能力

3.1 防爬器垂向載荷承受標準

英國GM/RT2100標準規(guī)定，在列車碰撞工況下，車輛端部變形應(yīng)在1 m之內(nèi)，防爬器應(yīng)至少能承受100 kN的垂向載荷。[8-9]歐盟頒布的EN15227：2008規(guī)定，2輛同類型列車發(fā)生碰撞的標準場景為垂向初始偏移40 mm，且靜止列車低于運動列車。[10]當防全向錯位防爬器前面板的初始偏移大于20 mm時，2個前面板會滑移錯開1個齒再對撞，因此選擇20和40 mm這2種工況分析比較防爬器抑制垂直爬升的能力，此時可暫不考慮橫向初始偏移。

3.2 列車垂向偏移20 mm的碰撞仿真

設(shè)定2列相同列車垂向偏移為20 mm且靜止列車低于運動列車，對傳統(tǒng)橫向齒前面板防爬器和新型防全向錯位前面板防爬器進行仿真，碰撞后防爬器的變形結(jié)果見圖13。新型防爬器采用錐形齒，具有自動對中功能，因此即使垂向偏移20 mm，經(jīng)過初始滑移后，前面板最終還是發(fā)生對心碰撞。防爬器的垂向載荷曲線見圖14。與傳統(tǒng)防爬器相比，新型防全向錯位前面板不僅沒有減弱防爬器承受垂向載荷的能力，而且新型防爬器的嚙合時間明顯長于傳統(tǒng)防爬器。

3.3 列車垂向偏移40 mm碰撞仿真

列車垂向偏移為40 mm時的仿真結(jié)果見圖15～17。該工況下新型防爬器能承受的最大垂向載荷已經(jīng)超過100 kN，符合GM/RT2100的標準，且新型防爬器的最大垂向載荷略大于傳統(tǒng)防爬器。由此可以說明，在能量吸收能力沒有減弱的情況下，新型防全向錯位前面板防爬器承受垂向載荷的能力沒有減弱，嚙合效果很好。

4 結(jié)束語

本文主要對防全向錯位前面板防爬器抑制橫向滑移和垂向爬升的能力進行探討。模擬列車水平方向存在2°和3°初始偏轉(zhuǎn)的碰撞工況，分析比較傳統(tǒng)橫向齒前面板防爬器和新型防全向錯位前面板防爬器抑制橫向運動的能力。在此基礎(chǔ)上，檢驗初始垂向偏移分別為20和40 mm的碰撞工況。仿真結(jié)果表明，新型防全向錯位前面板防爬器的橫向和垂向運動抑制能力均優(yōu)于傳統(tǒng)前面板防爬器。新型防爬器具有一定的自動對中能力，嚙合時間更長，碰撞后列車的橫向相對位移更小，可在車輛設(shè)計中推廣使用。

參考文獻：

[1] 王文斌， 趙洪倫. 運用MSC Dytran分析軌道車輛結(jié)構(gòu)的被動安全性能[J]. 計算機輔助工程， 2006， 15（S1）： 397-399. DOI： 10.3969/j.issn.1006-0871.2006.z1.125.

[2] 劉艷文， 肖守訥， 張志新， 等. 軌道車輛新型組合結(jié)構(gòu)吸能裝置耐碰撞性分析[J]. 計算機輔助工程， 2012， 21（5）： 6-10. DOI： 10.3969/j.issn.1006-0871.2012.05.002.

[3] 趙洪倫， 王文斌， 廖彥芳. 城市軌道車輛防爬器開發(fā)研究[J]. 機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新， 2003（6）： 33-35. DOI： 10.3969/j.issn.1002-6673.2003.06.013.

[4] 梁炬星. 一種新型切削式防爬器研究[J]. 機車電傳動， 2018（3）： 48-51. DOI： 10.13890/j.issn.1000-128x.2018.03.009.

[5] LEUTENEGGER S. CrashLink： Omnidirectional anticlimber[C]// Proceedings of 11th International Symposium on Passive Safety of Rail Vehicles. Berlin： Ifv Bahntechnik， 2017.

[6] 胡哲夫， 羅湘萍. A型地鐵車輛新型轉(zhuǎn)向架的研制[J]. 城市軌道交通研究， 2009， 12（3）： 34-38.

[7] 董華珍， 王仲林. 城市軌道交通中小半徑曲線問題探討[J]. 四川建筑， 2005， 25（3）： 41-42. DOI： 10.3969/j.issn.1007-8983.2005.03.020.

[8] 陳國瑞. 列車撞擊垂向響應(yīng)及其控制研究[D]. 長沙： 中南大學(xué)， 2012.

[9] Requirements for rail vehicle structure： GM/RT2100[S]. London： Rail Safety and Standards Board Limited， 2012.

[10] Railway applications： Crashworthiness requirements for railway vehicle bodies： EN15227： 2008[S]. Brussels： European Committee for Standardization， 2008.

（編輯 武曉英）