高速列車排障裝置安全防護性能演化綜述

姚曙光，周雪飛，許平，喬毓寧

(1.中南大學軌道交通安全教育部重點實驗室，湖南長沙，410075；2.中南大學軌道交通安全關鍵技術國際合作聯合實驗室，湖南長沙，410075；3.中南大學軌道交通列車安全保障技術國家地方聯合工程研究中心，湖南長沙，410075)

高速列車運行過程中，軌道上任何障礙物都可能對列車造成損壞，甚至出現脫軌、傾覆等嚴重的安全事故。為應對鐵路線路可能出現的異物、兩側山體落石、大型動物出沒、突降暴雪等突發情況，需在列車頭車安裝排障裝置，排除線路上障礙物，排障裝置成為高速列車重要組成部分。隨著鐵路運行速度不斷提高，對排障裝置排障性能和結構強度的要求也越來越高，為適應復雜的運行環境，高速列車排障裝置安全防護性能逐步演化提升，從排除石子等小型障礙物到排除小型車輛和積雪等障礙物，排障裝置的外形結構從簡單的桿狀結構發展成為鋼管彎制結構，再到鋼板拼焊的平直板式結構、弧形結構以及犁型結構，其功能特性朝著兼具排障、除雪和耐撞性的方向發展。

1 排障裝置的演化歷程

隨著運行速度提升，列車經歷了從蒸汽機車到內燃機車再到電力機車的進化，排障裝置也不斷發展演化(見圖1)。蒸汽機車、內燃機車作為牽引機車，其排障裝置由鋼管或板材組焊而成，外部不安裝導流罩，結構裸露，側邊焊有腳踏，造型大多平直或弧度較小，不具有能量吸收特性，安全防護性能一般(見圖1(b)和(c))。SS4型電力機車排障裝置采用管式結構，由3排平行的管子和一些短撐管焊接而成[1]。SS7型電力機車排障裝置由鋼管彎制組焊而成[2]。SS7E型電力機車排障裝置采用板梁結構[3]。SS9型電力機車排障裝置的排障板是平直的，并設有腳踏板方便工作人員調車時站立[4]。SS9型電力機車排障裝置的排障板造型平直，只能將障礙物向前推而無法將障礙物掃出軌道，HXD3C型電力機車排障裝置的排障板略帶弧形[5]。HXD1系列(如HXD1B和HXD1C)電力機車排障裝置采用較大板厚的板材組焊而成，質量較大，HXD1D型電力機車排障裝置采用較小板厚的排障裝置組焊而成的網格支撐梁結構[6]。ETH型電力機車排障裝置的排障板造型平直[7]。神華電力機車排障裝置采用板式結構[8]。為清除軌道上較小的碎石等障礙物，在轉向架的構架或軸箱體安裝了輔助排障器(見圖1(a))[9]，其結構簡單，在列車運行過程中，隨著構架浮沉運動，會發生垂向的運動，因此，與軌面間隙不能過小。在軸箱上安裝的排障器垂向運動幅度小，與軌面間隙可以設置較小，但由于軸箱振動較大，需提高排障器的結構強度。許多學者對排障器的結構進行了研究，劉忠義[10]設計了由支架、膠管、卡箍組成的新型膠管輔助排障器。安治業等[11]研究了采用鋸齒嵌合結構的某型動車組轉向架排障器，該排障器安裝在轉向架轉臂式軸箱下部，將原來的單螺栓連接改為雙螺栓連接，優化后輔助排障器的靜強度、疲勞強度和剛度都有明顯提升。李業明等[12]設計了新型排障器，該排障器上半部分設計成變截面箱形結構，下部分設計成等截面箱形結構且下端面與背面設計成135°角，上下部分采用環形體連接。何鐳等[13]分析了SS8型電力機車轉向架排障器支架裂紋的成因。隨著從蒸汽機車、內燃機車發展到電力機車，排障器也發展演化成為可以排除大型障礙物的排障裝置。排障裝置安裝在列車頭車車體上，體積較大，與列車頭部司機室外形的流線保持一致。同時，國內外對排障裝置的強度提出了相關技術要求：EN 15227—2008[14]規定排障裝置在中心線處能承受的最大縱向負載為300 N，在距中心線上橫向距離750 mm處能承受的最大縱向負載為250 N，靜態負載作用區域如圖2所示；TB/T 2541—2010“機車車體靜強度試驗規范”[15]要求車體排障裝置中央底部須能承受140 kN 靜載荷而不發生永久性變形。

圖1 排障裝置的演化Fig.1 Evolution of auxiliary obstacle deflector

圖2 靜態負載作用區域[14]Fig.2 Static load action area[14]

隨著高速動車組的發展，排障裝置的外形和結構進一步優化，演化成為外形弧度更大、結構強度更高的動車組排障裝置。動車組排障裝置采用鋼板拼焊而成，外部裝有排障裝置導流罩，可在內部設置吸能元件，安全防護性能更加優良。CRH1型動車組排障裝置呈短圍裙狀，由鋼板焊接而成的框架和玻璃鋼制成的前圍板組成；CRH2型動車組排障裝置中頭部呈犁型(見圖1(d))，由排障板、排障橡膠、排障板蓋板、緩沖板、緩沖板支撐、緩沖板支撐和緩沖板安裝座組成，緩沖板可以吸收沖擊能量；CRH3型動車組排障裝置呈圓弧形，通過內部4 根圓管吸收能量；CRH5 型動車組排障裝置呈弧形[16]。CA250 高速動車排障裝置端面由平直面和2個側面組成，弧度較大[17]。隨著排障裝置的演化，對其結構強度的要求也隨之提高。英國鐵道車輛結構要求GM/RT 2100[18]將最大靜態負載提高到600 kN。TB/T 3500—2018“動車組車體耐撞性要求與驗證規范”[19]將中心線處負載提高到300 kN，在距中心線上橫向距離750 mm處最大負載提高到250 kN。標準中的規定比較如表1所示。

表1 國內外標準對排障裝置的靜態負載要求Table 1 Static load requirements of domestic and foreign standards for obstacle deflector

同時為適應多雪地區的運行環境，排障裝置需具有除雪特性，進而演化為犁型排障裝置(見圖1(e))。在滿足基礎的排障功能和強度要求的前提下，犁型排障裝置的開口角和前傾角更小，便于切入雪體，前端排障板設計成向外彎曲且弧度較大的曲面，在排除高度為800 mm標準雪堆(見圖3)過程中，保證飛雪不會向上阻擋司機視線，翼板尾部設計成內凹形狀，防止尾部飛雪高度過大。相應地，針對犁型排障裝置的除雪標準也相繼被提出。鐵路應用環境條件機車車輛設計導則PD CEN-TR16251—2016[20]指出犁型排障裝置的開口角不大于160°，在除雪過程中飛雪不能超過擋風玻璃，不能越過線路防護墻，并且要以極低的角度高效地將積雪排到貯雪溝中。

圖3 標準雪堆Fig.3 Standard snowdrift

2 排障裝置的排障性能

作為高速列車頭部重要裝置，排障裝置最根本安全防護功能就是排除線路上的障礙物，防止列車發生脫軌。當高速列車與線路上障礙物撞擊時，排障裝置位于碰撞的最前方，排障裝置必須具備一定的排障性能，以保證運行列車在與障礙物碰撞過程中的行車安全。EN 15227—2008[14]中對排障性能提出了明確的要求：排障裝置為連續結構，應足以掃除轉向架路徑上的障礙物；排障裝置的下緣應盡可能靠近軌面，以便掃掉石礫。

2.1 結構靜強度研究

為最大限度發揮排障裝置的排障功能，研究人員對排障裝置結構靜強度進行了廣泛研究。胡坤鏡等[21]對200 km/h 客運機車排障裝置的靜強度進行了計算，發現在排障裝置中央底部施加140 kN 的靜壓力，最大應力出現在上翼板靠近中部的2塊縱筋板上，為此，對筋板和封板進行了優化。奚海珍[22]對某型機車排障裝置靜強度進行計算，發現在排障裝置中央施加120 kN的靜載荷時，最大應力出現在鼻端中央面板，在距中心750 mm處施加100 kN 靜載荷時，最大應力出現在鼻端和面板接觸處。陶長焱等[23]對某貨運列車排障裝置以及吊座和支撐座進行靜力學有限元分析，發現最大應力出現在吊座支撐板和接地座的連接位置底部，在排障裝置和接地座之間增焊鋼板提高剛度，在吊座非承載位置設置減重孔來改變結構質量分布。童小山等[24]對HXD1G型電力機車排障裝置進行靜強度仿真計算并進行試驗驗證，得出不同工況下應力云圖(見圖4)；在中心線施加300 kN的載荷時排障裝置下部橫向筋板應力較大，在中心線橫向距離750 mm處施加250 kN載荷時，排障裝置側邊垂直筋板應力較大，并在應力較大處布置應變片和0°—45°—90°應變花測量應力驗證仿真計算的準確性。張紅霞等[25-26]設計了HXD2電力機車排障裝置并進行靜強度分析和試驗驗證，發現在排障裝置中央逐步施加137 kN 的力，在座下封板圓角和中央筋板兩側處出現應力集中現象。鄧銳等[27]對200 km/h 城際動車組排障裝置的靜強度進行了分析，在中央位置施加縱向壓縮載荷137 kN，得到排障裝置的前端和吊座為主要的承力位置，最大應力出現在排障裝置前端內側板梁位置。吳承浩等[28]利用HWTK GUI Toolkit 開發工具，設計了基于Tcl語言的排障裝置CAE流程化分析系統，提高了Hypermesh前處理效率，并對排障裝置的靜強度進行了計算，證明了系統的準確性和有效性。侯霽軒[29]對CRH5型動車組排障裝置進行了準靜態壓縮試驗，在排障裝置的中間部分用千斤頂施加縱向載荷，并用測力傳感器測量排障裝置所受壓力，將試驗數據與仿真進行對比，驗證了仿真結果的可靠性。李婭娜等[30]對某動車組排障裝置進行了靜強度試驗，在排障裝置的中央用油壓千斤頂施加137 kN 的載荷，將應變片布置于排障裝置主要承載結構的焊縫處，結果顯示縱向螺栓連接件附近的焊縫處應力較大。齊俊巖[31]對北京地鐵八通線DKZ4型地鐵列車排障裝置的振動進行了研究，指出排障裝置振動對輔助電器有較大影響。鄭繼偉等[32]探究了輔助排障裝置疲勞斷裂的原因，基于線路實測加速度譜進行隨機振動仿真分析，發現當頻率為60～70 Hz 時輔助排障裝置的二階模態頻率和線路激勵接近產生共振，橫向彎曲是導致疲勞斷裂的主要原因。RENZO等[33]設計了一種前端帶有尖角的排障裝置。KIM等[34]對四桿機構的排障裝置進行了靜強度分析和試驗驗證。李永華等[35]基于損失模型對動車組排障裝置進行了穩健優化設計。王金鵬等[36]對大軸重電力機車排障裝置螺栓連接進行了強度校核分析。馬力翔等[37]對動車組排障裝置安裝臂止轉墊片裂紋進行了分析和改進。蔄濤[38]對CRH2 型及380A 動車組排障裝置安裝臂的緊固螺栓預緊力減少的現象進行了深度分析和研究。胡忠安等[39]對地鐵車輛轉向架排障裝置進行了隨機振動疲勞分析，發現斷裂發生位置為鋼管與支架鋼板的焊接處。許喆等[40]針對斷裂和裂紋問題，對地鐵轉向架排障裝置結構進行優化，并進行了靜強度計算和疲勞強度分析以及線路試驗驗證，結果驗證了新型排障裝置結構設計的合理性。張猛等[41]采用隨機振動頻域疲勞分析法找出了地鐵車輛轉向架排障裝置疲勞薄弱位置并進行結構優化。目前針對排障裝置的靜強度研究主要是依托于國內外標準對靜態負載的要求，進行準靜態壓縮試驗和仿真分析，主要是通過在排障裝置的中央底部和距中心橫向距離750 mm處施加靜載荷，校核材料的許用應力，分析結構的靜強度。

圖4 不同工況下von Mises應力云圖[24]Fig.4 Von Mises stress cloud diagram under different working conditions[24]

2.2 排障裝置耐撞性研究

隨著列車運行速度的提高，如何提升排障裝置沖擊力學性能和耐撞擊性能成為重點研究方向，主要集中于低矮障礙物對排障裝置的沖擊作用。根據障礙物體積及本身材料屬性將障礙物分為小型障礙物、大變形障礙物和車輛障礙物。小型障礙物主要包括線路上的石塊、木料等障礙物，此類障礙物剛度較大，極易損傷車體。張春林[42]對電力機車排障裝置在沖擊載荷下的強度進行計算，得到排障裝置能承受大于1.5倍電力機車粘著重力的正面沖擊載荷，滿足正面撞擊設計要求。李玲琴等[43]分析了不同速度下軌道上常見的花崗巖障礙物對米軌直流阿根廷機車排障裝置的撞擊，花崗巖采用黏彈性材料。譚惠日等[44-45]用顯式動力學軟件PAM-CRASH 從列車運行速度、落石質量和落石撞擊位置3個角度對排障裝置與落石撞擊后的受損情況和動態沖擊響應進行了仿真分析，其中落石模型選用實體單元進行構建，并設為剛體(圖5(a))。鐵路線路上經常有野生動物出沒，牲畜時常會阻礙列車運行，另外可能發生行人誤入線路或者臥軌自殺等突發狀況[22,46]，大變形障礙物包括羊、牛、豬、馬等動物。李本懷等[47]對帶有排障裝置的頭車以110 km/h的速度與15 t大變形障礙物撞擊進行仿真計算，得出障礙物的剛度會影響仿真結果。張云峰[48]對吸能排障裝置與野豬的正向撞擊和側向撞擊進行了仿真分析(圖5(b))，其中野豬采用等比例彈性模型，模型中包含皮膚、軟組織及骨骼，并賦予真實的動物組織屬性。列車與汽車相撞的事故頻發，平交道口時常發生機動車闖禁致使列車與機動車相撞的事故(圖5(c))，排障裝置應具有抵抗小型機動車沖擊的能力[49]。國內外對排障裝置和小型汽車碰撞多采用剛性墻進行模擬，楊慧芳[50]對CRH3 動車組吸能排障裝置在108 km/h的速度下與15 t車輛的碰撞進行了仿真分析，其中車輛采用剛性墻進行模擬。

圖5 排障裝置碰撞仿真Fig.5 Collision simulation of obstacle deflector

中南大學對某動車組進行了兩車對撞仿真分析，結果顯示排障裝置在兩頭車開始碰撞180 ms時進行接觸并參與碰撞(見圖6)。為提升高速列車的耐撞性，許多學者嘗試將吸能結構融入排障裝置的結構設計，排障裝置向著兼具排障和能量吸收的方向發展[48,51]。對排障裝置的吸能研究主要集在排障裝置與車體的連接裝置和排障裝置內部吸能結構等方面。HAYASHI[52]設計了一種具有吸能斜撐桿的排障裝置。CTW 第四代城軌車輛排障裝置使用斜撐桿(圖7(a))，在列車撞擊過程中斜撐桿通過壓縮吸能保護排障裝置和車體的連接，以保證排障裝置正常工作[53]。姜翠香[2]設計了200 km/h的動車組排障裝置，排障裝置前端設計成由5 個23 mm厚的鋁板組成和板彈簧結構類似的緩沖板結構，當列出與障礙物碰撞時，緩沖板發生彈性形變吸收沖擊能。張云峰[48]將鋁蜂窩加入排障裝置的結構設計，設計了導向管式、壓潰管式、預埋件式和預埋件+外包覆式共4 種具有緩沖吸能特性的排障裝置(圖7(b))，對結構方案進行對比，最終選用了預埋件+外包覆式排障裝置，并對預埋件+外包覆式排障裝置與大變形障礙物的正向和側向撞擊進行了有限元仿真計算。丁晨等[54]將泡沫鋁填充的吸能圓管設置于排障裝置內部，并設計了圓管軸向壓潰和圓管先徑縮后壓潰2 種吸能方案，對比在36 km/h 的速度下2 種排障裝置與剛性墻的正面碰撞過程，結果顯示采用先徑縮后壓潰的吸能方案有更好的緩沖吸能效果。楊慧芳[50]將4根壓潰管設置于CRH3 動車組排障裝置中(圖7(c))，用裝有吸能特性排障裝置的頭車以108 km/h 的速度正面撞擊1輛15 t的公路車輛，發現吸能排障裝置發生大變形失效，而乘客區沒有發生任何變形，頭車前端結構的耐撞性明顯提升。排障裝置在滿足靜強度要求的前提下，其耐撞性能得到有效提升。

圖6 兩對撞頭車結構變形圖Fig.6 Deformation chart of structure of two pairs of collision head cars

圖7 具有吸能特性的排障裝置Fig.7 Obstacle deflector with energy absorption characteristics

3 排障裝置的除雪功能

高寒地區線路上的積雪是鐵路線路特殊的障礙物，嚴重危害行車安全。為適應多雪地區的運行條件，排障裝置的除雪功能應運而生，其安全防護性能從基本的排障功能演化出除雪特性。

3.1 除雪特性仿真研究

為提升排障裝置除雪特性，探尋排障裝置外形與除雪阻力和飛雪分布之間的關系是關鍵，仿真分析的難點主要集中在雪體材料的模擬上。雪體屬于非線性材料，雪體狀態在運動過程中發生變化，其材料屬性會隨之而變，且目前軟件LSDYNA 中還未提供雪體的材料模型。羅曉晶[55]認為雪體和土體都是具有一定形狀、粒度和物性的顆粒通過黏聚力作用而構成的多孔聚合體，雪體和土體在物理特性及力學特性方面高度相似，都表現出黏彈性，利用土體材料模型替代雪材料模型，采用有限單元法(圖8(a))和無網格伽遼金法(圖8(b))從除雪速度、除雪深度、雪體密度、排障裝置開口角和前角等方面對動車組排障裝置的除雪過程進行了仿真分析。柳穎嬌等[56]設計了一種前端造型為鏟雪板的具有除雪特性的排障裝置，其中前端鏟雪板設計成向外彎曲且向上傾斜的形狀，以保證雪在向外排除后不會向上飛出，從而不會阻擋司機視線。劉仕超等[57]采用犁體曲面形成方法中的水平直元線法設計出具有除雪特性的排障裝置模型，將積雪分為直接與排障裝置接觸的450 mm高的飛雪層和接近軌面的高50 mm的保留層，積雪采用土體材料模型*MAT_FHWA_SOIL，得到排障裝置以2.78 m/s速度向前穩定行駛時受到的除雪阻力維持在13.8～18.2 kN之間，其中排障裝置與積雪接觸0.9 s時除雪阻力達到最大值20.636 kN。災戶真也等[58]對除雪阻力和飛雪角度進行研究，在30 m/s 的速度運行條件下，利用FLUENT 軟件對縮比尺寸為1/5的犁型排障裝置除雪過程中的液相-氣相混相流模型進行了仿真計算(見圖9)，再現了雪體與犁型排障裝置撞擊后達到壓翼并從壓翼飛出的過程，并與試驗進行了對比驗證，計算了飛雪角度和排雪阻力(表2)，得到x-y平面的飛雪角度為7°～10°，y-z平面的飛雪角度為28°～30°，犁型排障裝置的除雪阻力隨雪密度的增加而增加。

表2 數值計算得到的飛雪角度和除雪阻力[58]Table 2 Numerically calculated flying snow angle and snow removal resistance[58]

圖8 除雪過程的數值模擬[55]Fig.8 Numerical simulation of snow removal process[55]

圖9 飛雪角度的計算位置[58]Fig.9 Calculated position of flying snow angle[58]

3.2 除雪特性試驗研究

日本開展了大量的排障裝置除雪特性試驗，其目的是測量排雪阻力。藤井俊茂等[59]對排障裝置的除雪特性進行了大量的基礎性研究工作。中島大智等[60]參考船舶模型試驗計算實船推進阻力的方法，采用相似法則，將犁型排障裝置的排雪阻力視為雪體對犁表面的摩擦阻力和剩余阻力之和(圖10)，并利用排雪阻力測定試驗裝置(圖11(a)和11(b))，在10，20，30 和40 m/s 速度下進行試驗，驗證了采用相似準則預測排障裝置除雪阻力的合理性和準確性。大橋昭典等[61]為測量犁型排障裝置的排雪阻力，設計了桁架梁式導軌試驗裝置(圖11(c))，在縮比為1/5 的排障裝置模型上安裝3 個測力傳感器，分別測量上下、左右、前后的力，雪床長×寬×高設計為5 m×0.48 m×4 cm，在13，23 和31 m/s 的速度下進行試驗，根據試驗結果得到除雪阻力F(F=Chωρv2，其中，C為走行抵抗系數，h為除雪深度，ω為除雪寬度，ρ為雪密度，v為速度)。雪密度與排雪阻力之間的關系見圖12(a)，速度與排雪應力之間的關系見圖12(b)。

圖10 船舶的推進阻力和犁型排障裝置的排雪阻力[60]Fig.10 Propulsion resistance of ship and the snow removal resistance of plough-type obstacle deflector[60]

圖11 犁型排障裝置縮比試驗裝置[60-61]Fig.11 Scale test device plow-type obstacle deflector[60-61]

圖12 排雪阻力影響因素[61]Fig.12 Influencing factors of snow removal resistance[61]

大橋昭典等[62]對排障裝置各個角(圖13(a))對飛雪的分布影響進行了試驗研究，在水平和垂直方向設置10 個受雪箱來捕捉飛雪，通過計算各受雪箱中飛雪的質量在總質量中的占比得到飛雪捕捉率，進而得到飛雪的分布情況(圖13(b))。鐮田慈等[63]基于新干線200系列車排障裝置，開發了具有除雪特性的犁型排障裝置，利用著色木屑代替積雪，采用縮比排障裝置模型進行多次除雪試驗，研究排雪路徑和飛雪分布。高速列車犁型排障裝置不僅滿足基本的結構強度要求，而且可以有效排除軌道上積雪，其安全防護性能得到提高。

圖13 排障裝置除雪試驗[62]Fig.13 Snow removal test of obstacle deflector[62]

4 結論

1)隨著高鐵技術發展和列車運行速度提升，對排障裝置的結構強度提出了更高的要求，排障裝置從簡單的桿狀結構發展成為結構強度更高的板式結構；同時為適應積雪的運行環境，排障裝置從簡單的弧形演變為犁型，其排障性能得到有效提高；排障裝置向著兼具排障、耐撞性和除雪一體化協同設計方向發展。

2)國內外標準針對靜態條件下排障裝置的強度和作用區域提出了明確的要求，但缺少對沖擊載荷下排障裝置的能量要求，還需要完善動態場景的負載指標和能量上限要求。未來可開展沖擊載荷下的力學性能試驗，深入研究排障裝置的吸能特性，提升其被動安全防護性能。

3)犁型排障裝置不僅滿足基本排障功能要求，而且能有效排除軌道上積雪。目前，針對犁型排障裝置的研究主要集中在仿真分析排障裝置外形與排雪阻力和飛雪分布之間的關系，以及采用縮比試驗測定排雪阻力。在后續研究中，需開展實車除雪試驗，探尋真實環境條件、積雪形狀對排雪阻力和飛雪分布的影響。