轨道车辆被动安全设计中附加式吸能元件的应用

许彦强 孙 方 肖守讷

(1.中车南京浦镇车辆有限公司 江苏 南京 210031；2.西南交通大学牵引动力国家重点实验室 四川 成都 610031)

轨道车辆被动安全设计中附加式吸能元件的应用

许彦强1孙 方1肖守讷2

(1.中车南京浦镇车辆有限公司 江苏 南京 210031；2.西南交通大学牵引动力国家重点实验室 四川 成都 610031)

从吸能元件的评价指标研究入手，采用仿真计算分析的方法，研究了轨道车辆车钩的吸能结构和过载保护功能，以及压溃式防爬器等附件在车辆被动安全设计过程中的选择和应用。研究结果表明根据结构需要合理地布置附加式吸能元件对轨道车辆的整体吸能有较大的贡献。

轨道车辆；耐碰撞；附加式吸能元件；仿真

铁路车辆的被动安全性越来越重要，在设计时除了要重点考虑车体结构本身的耐碰撞性能，还必须考虑在车体结构之外附加元件来提升能量的吸收值，这样才能最大限度地保护司乘人员的安全。

1 车辆吸能配置及吸能元件的评价指标

1.1 研究对象描述

本文研究的车辆为动力分散型动车组，由2辆液力传动内燃动车组成，动力源由挂在车下的内燃动力包提供，动车组两端均设司机室。端部使用全自动钩缓装置、防爬器，动车组内部靠半永久牵引杆连接，全自动钩缓装置、防爬器、半永久牵引杆均设置了吸能元件，吸能元件通常采用受弯曲变形或压缩变形的轻金属或复合材料元件，膨胀式吸能管和压溃式吸能管这2种吸能元件运用最为广泛。在低速工况下发生撞击时，车钩缓冲器可以吸收冲击能[1]，而在更高的速度工况下发生撞击时，则需要车钩缓冲装置脱开，由吸能式防爬器起作用。

1.2 吸能元件的主要评价指标

能量吸收元件的性能可以采用几种指标来评价，其中比吸能、压缩力效率和冲程效率、最大轴压力、缓冲指数、结构有效利用率和紧致比是最常用的评价指标[2]。

(1)比吸能SEA

在轴向压缩的整个过程中所吸收的能量E由作用力F对于发生的位移δ积分得到，比吸能SEA则由能量除以结构质量m得到。

(2)最大轴压力Fp(最大界面力)

通过试验或仿真计算获取的最大轴压力有可能出现在2个位置，一个是结构材料开始产生屈曲时，也就是临界状态，它由结构的弹塑性屈曲决定；另一个是当压缩完成后结构被完全压溃，轴压力呈发散状极速上升时。研究碰撞时，主要考察临界状态，它对结构失效有着重要意义。轨道车辆的耐碰撞性能要考虑尽量减小初始碰撞力(界面力)峰值，这对于保护乘员是非常重要的。

(3) 缓冲指数A

缓冲指数指的是元件变形过程中最大轴压力Fp与平均轴压力Fm的比值。缓冲指数是评价元件缓冲能力的一个重要内容，元件的轴压力峰值通常发生在冲程的初始阶段，低的缓冲指数表明元件变形过程中冲击较平稳。

式中：Fp为元件的最大轴压力；Fm为元件的平均载荷。

其他评价指标在此不再赘述。在设计时除了需要综合考虑上述评价指标之外，还要兼顾轴压力(界面力)随时间变形曲线的波形。在吸收结构的设计中，要采取有效措施，尽可能让吸能元件在压溃的过程中有合理的碰撞力波形，并且曲线尽量平滑，振幅小。

2 车钩缓冲装置

在本研究中，车钩缓冲装置采用的膨胀式吸能管是一种通过自身结构发生塑性膨胀的能量吸收元件。在碰撞发生时，膨胀式吸能管与管口的涨块发生相对位移，通过对管子的扩口变形来吸收能量[3]。吸能装置上部设置了一个触发判断的标记销，当吸能管触发时，标记销被剪断，由此来判断压溃管触发。图1为膨胀式吸能装置结构示意图。

1—标记销；2—涨块；3—吸能管；4—拉杆；5—销；6—锁紧螺母；7—中间牵引杆。图1 膨胀式吸能管示意图

2.1 车钩冲击计算

根据EN 15227标准要求，研究对象符合C-II类型碰撞要求，2列相同的动车组在速度为25 km/h时相撞为最严重的工况，故在选择车钩吸能时考虑车辆的冲击速度为25 km/h，即考虑一列车以25 km/h的速度与另外一列静止的动车组相撞，如图2所示。

图2 动车组冲击工况车辆配置

本研究对象使用的全自动钩缓装置的缓冲器是EFG3橡胶缓冲器，在正常使用中，钩缓装置在牵引工况时，牵引力通过膨胀式吸能管内部的中间牵引杆来传递，吸能管不受影响；在压缩工况时，钩缓装置的压载荷远低于吸能装置的设定力值，变形元件不发生动作，压缩能量由EFG3弹性橡胶缓冲器来吸收。对车钩进行冲击能力计算得出2.5 s后的能量吸收情况如表1 所示。

表1 2.5 s后车钩能量吸收情况数据

2.2 车钩缓冲的过载保护功能(剪切)

为使车钩在超过能量承受范围时能够自行离开安装位置，设置了剪切螺栓。本文研究的车钩过载保护功能的关键元件是位于EFG3橡胶缓冲器尾部的4个剪切螺栓，当冲击力超过触发力而剩余能量仍足够大时(此时缓冲器已完全压死，吸能管也已完全作用)，剪切螺栓被触发而产生规定动作，车钩装置整体会沿牵引梁纵向中心线向后移，从而使受冲击车辆的防爬器和车体吸能区(也是车体端部承载结构的一部分)发挥作用，如图3所示。

当钩缓装置受到的冲击载荷大于剪切螺栓设计的触发力值时，图3中所示的剪切螺栓会发生破坏断裂，导致轴承座与缓冲器整体分离，缓冲器芯子及吸能管会滑入轴承座壳体内部，即车钩头向后方退行，实现过载功能。

带剪切功能的螺栓是整个过载保护过程的关键元件，剪切螺栓的下段直径较小，当冲击力超出额定限额后, 力传递到螺栓变截面位置，螺栓被剪断, 车钩向车端后侧退出。

图3 车钩剪切功能装置示意图

3 压溃式防爬器

轨道车辆用防爬器采用有导向功能的压溃式吸能防爬结构，可以引导车体在撞击发生时保持水平方向，从正面形成冲击以防止车辆产生爬叠、倾覆等严重后果，本文研究的动车就采用了该种压溃式防爬器。

3.1 压溃式防爬器结构及功能简介

压溃式防爬器主要由吸能元件、导向元件、连接元件及防爬齿等组成，如图4所示。吸能元件由薄壁管构成；连接元件由厚板焊接而成，用来连接防爬齿、吸能元件及导向元件；导向元件确保防爬器被挤压、后退的运动轨迹保持水平；防爬齿在碰撞过程中的主要作用是与相邻碰撞车辆的防爬齿啮合，防止爬车。防爬器的吸能能力重点由吸能管决定，而吸能管的长度、截面形状以及材料决定了吸能的多少。

图4 本文研究的压溃式防爬器结构图

3.2 防爬器吸能元件吸能计算

防爬器的吸能元件为压溃管，压溃管一般为薄壁金属管，根据以往的研究，在相同条件下，蜂窝状截面的压溃管吸能能力最好[4]，但是由于制作工艺及材料要求的限制，矩形截面的压溃管使用更为广泛，不同矩形截面的压溃管吸能性能不同，一般矩形管中正方形截面的吸能性较好[5]。由于结构限制，本文研究的压溃管截面仅能用长方形截面的矩形管，下面选择2种方案进行对比计算分析。

3.2.1 压溃管方案

方案1的吸能元件以厚度为4 mm的180 mm×100 mm×395 mm材料为主体，中间增加一块100 mm×395 mm厚度为4 mm的筋板，筋板上开凿2个诱导变形的长圆孔，材质均为Q235。方案2的吸能元件在方案1的基础上加以修改，即以厚度为4 mm的180 mm×100 mm×395 mm的材料为主体，中间增加一块100 mm×395 mm厚度为4 mm筋板，筋板上开凿2个诱导变形的长圆孔，在筋板两侧增加直径为65 mm厚度为2 mm的2根圆管，长度为380 mm，材质均为Q235。圆管长度小于主体长度，用以避开压溃管主体的诱导变形区而降低初始界面力。结构如图5所示。

方案1 方案2图5 压溃管方案结构图

对方案1和方案2均施加315 mm(总长度的80%)的位移压缩载荷，仿真计算完成后对吸收的总能量和界面力进行对比。

3.2.2 结果对比及修正

方案2的压缩变形情况如图6所示。从以上2个方案中对比可知，方案2吸收能量最多，且初始界面峰值与方案1的相当(见表2)。

t=0ms时刻的变形图t=3ms时刻的变形图t=12ms时刻的变形图t=20ms时刻的变形图t=27ms时刻的变形图t=33ms时刻的变形图

图6 压溃管方案2部分时间段位移变形图

表2 压溃管方案吸能参数对比

4 结论

通过仿真计算，可以得出明确结论：经过合理的结构设计和元件配置，附加式吸能元件完全可以分担车体系统的部分碰撞能量，所以在车辆本身结构满足基本强度要求的基础上，应尽可能地在车端增加附加式吸能元件来增大吸能容量以确保司乘人员的安全。这种技术在国内的地铁车辆上已经开始普及，未来在其他轨道车辆上也将得到广泛的应用。安全和环保一直是轨道交通的标签，随着国家“一带一路”政策的带动，中国轨道交通装备作为中国高端制造业名片即将走向世界，轨道交通车辆的被动安全性能显得尤为重要。

[1] John Lewis,于学辉(译).铁路客车冲击试验研究[J].国外铁道车辆，1999(4):31-32.

[2] 许彦强.内燃动车组被动安全性研究[D].成都：西南交通大学，2012.

[3] 帅纲要,常 明,何 华.城轨车辆车钩缓冲器的配置与能量吸收[J].电力机车与城轨车辆，2009,32(5):17-21.

[4] 贾 宇,肖守讷. 耐碰撞车体吸能装置的薄壁结构研究[J].铁道车辆，2005,43(5):6-10.

[5] 黄春曼,汪菊英.基于吸能特性的矩形管截面优化[J].装备制造技术，2009(7):13-15.□

(编辑：林素珍)

Application of Additional-energy Absorbing Elements in Passive Safety Design of Railcars

XU Yanqiang；SUN Fang；XIAO Shoune

Starting from the research of assessment criteria for energy absorbing elements by means of simulation calculation and analysis, this paper studies the energy absorbing structure and overload protection of the couplers, selection and application of accessories, such as crushable rail anchor, in the passive safety design of railway vehicles. Research results show that reasonably arranged additional energy-absorbers make considerable contributions to the overall energy absorption of railcars.

Rail Vehicle; Crashworthiness; Additional energy-absorber; Simulation

2095-5251(2016)02-0001-03

2015-08-30

许彦强(1984-)，男，本科学历，工程师，从事车体设计及技术管理工作。

U270.4

B