沈阳地铁1号线列车车钩缓冲装置吸能仿真分析

桑静波，苗 勃

（石家庄市轨道交通有限责任公司，河北石家庄 050000）



沈阳地铁1号线列车车钩缓冲装置吸能仿真分析

桑静波，苗 勃

（石家庄市轨道交通有限责任公司，河北石家庄 050000）

摘 要：对沈阳地铁1号线列车的车钩缓冲装置在不同速度工况下发生冲击碰撞时各参数变化情况进行研究。首先叙述该车钩缓冲装置的配置及参数要求，其次论述多体系统动力学相关原理并建立其碰撞时的数学模型，最后通过SIMPACK软件建立模型进行动力学仿真计算，得出最大车钩力、缓冲器行程、可压溃管行程等参数的数值并验证其合理性。

关键词：列车碰撞；车钩缓冲装置；多体系统动力学；仿真分析

0　引言

进入 21 世纪，我国开始大力发展轨道交通产业，地铁建设也进入快速发展时期，许多城市地铁项目相继批复。截止 2015 年底，我国大陆地区已有 20 余个城市开通运营地铁线路，运营里程超过 3000km。可见，地铁已经和公交一样融入到我们生活中，成为了重要的代步工具。因此，有关列车的运行性能和安全问题也成为最近几年的研究热点。

1　概念

地铁车钩缓冲装置是由车钩、缓冲装置、连挂系统及附属装置等组成并安装于车底架构端的牵引梁内，它是地铁车辆最基本也是最重要的部件之一，可以连接列车各车辆并使之彼此保持一定距离，实现车辆之间机械、电气和气路之间的连接，同时还能够传递和缓和列车在运行中或调车时所产生的纵向力或冲击力。

根据车钩结构的不同可分为全自动车钩、半自动车钩和半永久牵引杆。其中全自动车钩位于列车端部即司机室端，能实现 2 列车的机械、气路和电路的自动连接，并在司机的控制下自动分解 2 列车的机械、气路和电路连接；半自动车钩用于 2 编组单元之间的车辆连挂，能实现 2 辆车的机械、气路的自动连接，车钩之间的机械和气路连接可人工手动分解；半永久性牵引杆由带缓冲器和不带缓冲器的 2 套连接杆组成并成对使用，用于同一单元内车辆之间的编组，使之组成单元。

缓冲装置是车辆牵引连挂装置的重要组成部分，主要用来传递和缓和纵向力。一般采用以下几种形式：层叠式橡胶金属片缓冲器、环弹簧缓冲器、环形橡胶缓冲器、弹性胶泥缓冲器、带变形管的缓冲器和可压溃变形管等。

地铁列车在设计之初，一般会合理确定车钩缓冲装置的吸能特性并优化其配置，以确保乘车的舒适性和安全性。本文研究沈阳地铁1号线列车发生碰撞时车钩缓冲装置参数的变化情况，通过运用多体系统动力学相关原理，借助 SIMPACK 仿真软件进行动力学仿真计算，最后得出结果。

2　沈阳地铁列车车钩缓冲装置的构成及参数

我国地铁车辆一般采用密接式车钩缓冲装置。现以沈阳地铁 1号线车辆为例进行介绍。

2.1车钩缓冲装置的构成

沈阳地铁1号线列车采用的是 B2型 6 节车辆编组，两端为司机室（Tc），中间分别为带受电弓的动车（Mp）和普通动车（M）。

车钩缓冲装置的基本配置情况为：+ Tc**Mp** M + + M ** Mp** Tc+。

其中，“+”为半自动车钩，“*”为半永久牵引杆。

该 Tc车的前端采用能够实现机械、气路自动连挂、人工电路连挂的半自动车钩缓冲装置。其主要是由 330型车钩连挂系统、可压溃管装置和内置拉断式胶泥缓冲系统整合而成。其中能量吸收部分由弹性胶泥缓冲器和可压溃管 2 部分组成，弹性胶泥缓冲器能够吸收车辆正常连挂及运行过程中的冲击能量，而可压溃管则能够吸收车辆在发生意外碰撞时的冲击能量。另外，在车钩缓冲装置的尾部设有内部过载保护装置，以使车钩在受到过大冲击力时，车钩缓冲装置向后退行而使防爬器发挥作用，同时由于壳体的导向作用，剪断后的车钩不会落在轨道上。

中间各车采用半永久牵引杆装置，实现人工机械、气路、电路连挂。半永久牵引杆装置分为带压溃装置和带缓冲装置，中间用卡环连接。2 种装置在列车内部断面成对使用。半永久牵引杆装置与车体采用 4 个专用的安装螺栓连接。

2.2车钩缓冲装置的吸能参数要求

为保证该车舒适性和安全性，车钩缓冲装置中的吸能装置应满足以下要求。

（1）强度要求。能承受至少 640kN 拉力和 800kN的压缩力，产生的应力不大于设计许用应力。

（2）缓冲系统参数要求。半自动车钩和半永久车钩中缓冲系统均采用 EFG 缓冲器和扩张式压溃管，但其参数要求不同。半自动车钩要求 EFG 缓冲器能承受的最大车钩力及行程分别为 550kN 和 68mm，扩张式压溃管分别为 700kN 和 260mm；而半永久车钩要求 EFG 缓冲器能承受最大车钩力及行程分别为 550kN 和 73mm，扩张式压溃管为 650kN 和 185mm。

（3）能量吸收要求。当一列空载列车以 5km/h 的速度与另一静止的空载列车连挂时，冲击能量全部由可复原的 EFG 缓冲器吸收，可压溃管不会被触发；当一列空载列车以 7km/h 的速度与另一静止的空载列车碰撞时，可压溃管仍保持原状；当一列空载列车以 15km/h 的速度与另一列静止的空载列车碰撞时，EFG 缓冲器不能全部吸收冲击能量而使可压溃管被触发，车辆底架不产生永久变形；当一列空载列车以 25km/h 的速度与另一静止的空载列车碰撞时，冲击能量除由 EFG 缓冲器和可压溃管吸收以外，剩余能量由车两端的车体吸能结构参与吸收，使传递到乘客身上的加速度值在允许范围内。具体情况见图 1，其中，纵坐标是由于碰撞产生的力，横坐标表示由于力的作用而使车钩产生的位移。

图1　地铁列车司机室端部冲击碰撞受力—位移图

3　地铁列车多体碰撞仿真计算模型

复杂机械系统可以通过多刚体和柔性体（也称为弹性体）组成的系统模型进行有效描述，这些系统和模型简称为“多体系统”。多体系统动力学就是研究由刚体及柔性体所组成的系统经历大范围空间运动时的动力学行为。

多体动力学仿真就是将复杂的机械系统通过铰接建立这些刚体和弹性体相互之间的约束关系而形成的动力学系统。如机车车辆多体系统的多体动力学建模和仿真过程，就是通过对车体、构架、轮对等刚柔体、约束、力元以及轮轨接触等元素的定义来确定机车车辆各部分组件特性及其连接关系，从而形成一系列的车辆多体系统动力学的控制方程，并求解其形成的微分方程。

因此，地铁列车的碰撞也是多体系统动力学的研究对象。很显然，地铁列车在发生纵向冲击碰撞时情况比较复杂。不仅有纵向载荷引起的车体纵向拉压，而且还有垂向和横向载荷以及 3 个方向的转矩。因此，本节在建立地铁列车冲击碰撞的数学模型时，假设车辆在平直线路上发生对心碰撞，仅考虑车辆纵向力的作用，忽略横向和垂向的影响。由于地铁车辆本身结构刚度比连接装置的刚度大得多，可以把车体作为刚体，而车钩缓冲装置作为柔性体。列车纵向冲击碰撞模型如图 2 所示，其中 T 为拖车。

图2　列车纵向冲击碰撞模型

本文采用第二类拉格朗日方程建立地铁冲击碰撞的数学模型：

式（1）、（2）中 ，i = 1，2，3，…，n；E 为 t 时刻的动能；mi为 i 节车辆质量；si为车辆位移；fi为 t 时刻的合力。

以第二辆车为例，我们可以得到第二辆车碰撞时所受合力的方程，其他车辆以此类推：

式（3）中， Fi为地铁车辆所受的总阻力；Qi为车辆间作用力。

4　基于SIMPACK软件的动力学仿真

本节主要通过 SIMPACK 软件建模并进行动力学仿真计算。

4.1SIMPACK 软件介绍

SIMPACK 软件是德国 INTEC Gmbh 公司开发的针对机械/机电系统运动学/动力学仿真分析的著名多体动力学分析软件包。它具有丰富的建模模块及元素库，包括体（Bodies）、绞（Joints）、约束（Constrains）、力元（Force Elements）、标记（Markers）、传感器（Sensors）等。该软件能运用多体动力学方面的理论自动创建动力学系统的运动方程，并根据研究需求对方程进行求解分析，快速得到系统的静力平衡位置，获得系统中各部件的位移、速度、加速度。此外，该软件还可利用所测数据进行模态分析、频域分析和谱分析等。

SIMPACK 软件以多体系统计算动力学（Computational Dynamics of Multibody Systems）为基础，包含多个专业模块和专业领域的虚拟样机开发系统软件。其中轮轨模块（包括常规 Wheel/Rail 模块、道岔分析模块和轮轨磨耗预测模块）是当前铁路车辆动力学仿真软件的主流之一。

4.2建模基本要素

在 SIMPACK 软件中对复杂车辆建模的实质是建立一个由物体、铰、外力、力元等要素组成并具有一定拓扑关系的系统。典型的 SIMPACK 多体动力系统是由系统定义四要素（物体、运动副、外力偶、力元）和其他一些基本要素组成。具体概念如下。

（1）拓扑。指系统中各物体的联系方式（约束、运动副连接、力元连接等）。多体系统可以根据其拓扑中是否存在回路，分为树、非树系统 2 类。若系统中两物体间通路唯一，不存在回路的，则为树系统；否则为非树系统。

（2）物体。多体系统中的构件，即根据研究需要定义的零部件或者零部件的组合，并不是一定与工程中实际各部件一一对应。在计算多体动力学中，分为刚体和柔性体 2 类：刚体上各点间距离始终保持不变，柔性体则要考虑体上各点之间相对位置的变化。

（3）铰。也称为铰接或运动副，是一种运动学约束。在多体系统中每个物体都有 1 个相应的运动副，它描述物体之间或物体与参考坐标系之间的运动关系。

（4）外力（偶）。系统外对系统中物体的作用。对于刚体力偶作用与作用点无关，对于柔性体则有关。

（5）力元。可以用来定义系统中各物体间的相互作用。实际工程对象中零部件间的运动关系通过力元和运动副描述，二者的差别在于前者不减少物体间的相对自由度而后者有这种限制。本研究的列车模型中，系、系弹簧、各种减震器、止挡等都用力元模拟。

（6）约束。即对系统中物体或物体间运动的限制。（7）标记。惯性坐标系上或者物体上的一些点。可以是固定也可以是移动的，但必须与某个惯性坐标系或者物体有关，物体上的标记是相对于它的连体坐标系的。标记可以用来定义力的作用点、构件运动副的连接点等。

4.3模型建立

从初始的 2 列车的理论建模阶段到SIMPACK软件得到结果可以概括为以下几步。

（1）物理模型的定义。本文以 2 列 6 辆编组的 B2型车为研究对象，它们以不同速度工况连挂和冲击碰撞。然后建立其碰撞的数学模型。

（2）车辆模型的建立。建模开始，设置建模环境、重力、坐标系、视图等，以车辆纵向前进方向为 X轴，垂向重力方向为 Z 轴。在多体动力学建模中，车体、构架、轮对等的质量和转动惯量等属性通过体（Body）来定义，所有构件之间的运动连接形式用绞接和约束定义，悬挂系统用力元定义。在实际建立车辆模型时通常把车辆系统分为 3 个部分：轮对-转向架子结构系统、车体子结构系统和包含虚接口的主模型，将三者按照一定铰接、约束关系连接，形成一整车模型。除此之外，最重要的是缓冲器、压溃管和吸能结构的力元特性设置，在本文中通过输入其力学特性曲线拟合函数进行定义。

（3）确定模型参数。提供车体模型的物理参数，如质量、质心、转动惯量、悬挂系统垂向刚度等；车体结构模型的几何形状和相对安装位置，如长、宽、高、位移、耦合点之间的距离等；定义耦合单元的参数，如约束等。

（4）前处理。在 SIMPACK 用户界面的帮助下，输入前 3 步获得的模型数据。经过前 3 个步骤，将模型数据输入到软件中，包括车体的物理模型、体、铰接和模型的力、约束等。最后设定数值计算并优化参数等。

（5）问题求解。产生和求解运动控制的微分方程。

（6）计算结果的输出。通过该软件的仿真计算可以观察 3D 模型的仿真结果动画，也可以利用自定义的参数进行绘图，如力-位移图等。通过结果输出得到所需吸能装置参数的计算结果。

5　仿真计算结果及分析

当 1 列空载列车分别以 5km/h、7km/h、15km/h、25km/h 的速度与另 1 列静止空载列车碰撞时，对 2 列车的碰撞过程进行仿真计算，可得到各车钩中心断面最大车钩力、缓冲器行程、压溃管行程及吸能结构等参数。

（1）以 5km/h 速度碰撞。由第 2 节车钩缓冲装置参数要求可知压溃管触发力为 650kN。如表 1 所示，2 列车在连挂时最大车钩力发生在断面 6，峰值为 511kN。缓冲器尚未压死，离 68mm 和 73mm 的最大行程尚有不少余量。因此，碰撞能量主要由 EFG 缓冲器吸收，其吸能能力满足规定的设计要求。

表1　5km/h 速度碰撞时车钩断面各参数值

（2）以 7km/h 速度碰撞。如表 2 所示，2 列车以该速度连挂时各车辆的运动过程与 5km/h 时类似，但其最大车钩力明显增高，发生在断面 6 的最大车钩压缩力峰值为 648kN，仍小于 650kN。断面 6 时缓冲器已被压死，其余断面缓冲器都较表 1 中明显提高，但是可压溃管还是没有被触发。因此，说明此时 EFG 缓冲器还是能够吸收全部的碰撞能量而使车体不发生变化，其吸能能力满足规定的设计要求。

表2　7km/h 速度碰撞时车钩断面各参数值

（3）以 15km/h 速度碰撞。如表 3 所示，2 列车在该速度工况下发生对心碰撞时，每一车辆的运动过程要比上述 2 种情况剧烈得多。其中最大车钩力仍发生在直接冲击的断面 6，峰值为 733kN，其余断面的车钩力也有所增加。第 3、4、5、6、7、8、9 共 7 个断面的 EFG缓冲器行程达到最大，同时可压溃管被触发，其作用行程为 249.5mm。因此，说明此时 EFG 缓冲器已不能完全吸收碰撞能量，剩余能量由可压溃管参与吸收。

（4）以 25km/h 速度碰撞。如表 4 所示，2 列车在该速度下发生碰撞时，车辆运动过程最为激烈。其中最大车钩力已没有数值，每个断面缓冲器的行程达到最大，可压溃管行程在断面 6 达到最大，说明从两碰撞端车处开始，各位置缓冲器和压溃管依次压缩，及至所有位置缓冲器和压溃管被压死后，两碰撞端车位置的剪切螺栓被剪断，车端的吸能结构开始接触，发生变形吸能。

表3　15km/h 速度碰撞时车钩断面各参数值

表4　25km/h 速度碰撞时车钩断面各参数值

6　结论

由上述的数学建模和 SIMPACK 软件仿真，得到了沈阳地铁 1号线列车车钩缓冲装置在不同速度工况下发生碰撞时的吸能结果。计算结果表明，空载列车以 5km/h、7km/h 速度连挂时，碰撞能量能够由 EFG 缓冲器完全吸收，而可压溃管不触发；以 15km/h 速度碰撞时，EFG 缓冲器被压死，而可压溃管被触发继续吸收能量，保护车体；以 25km/h 速度碰撞时，车端缓冲器、压溃管都被压死，剪切螺栓剪断，由车体的吸能结构继续吸收能量，而车体的主体结构没有被破坏。通过仿真计算验证了该列车车钩缓冲装置配置的合理性，其既保证列车有良好的乘坐舒适性，又具有一定的意外冲击防护能力，达到了设计要求。

参考文献

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责任编辑 凌晨

设备检修

Simulation and Analysis of Train Coupler Buffer Impact Absorption of Shenyang Metro Line 1

Sang Jingbo, Miao Bo

Abstract:The paper makes research on the variation of each parameter of train coupler buffer on Shenyang metro line 1 in different speed conditions occur impact, and it describes the confi guration and parameters of the coupler buffer, and then discusses the multi-body system dynamics theory and the establishment of the collision of the mathematical model. In the fi nal part， the paper uses SIMPACK software model dynamics simulation and obtains the maximum values of coupler force and stroke of buffers, crushing tube stroke as well as its validity as verifi ed.

Keywords:train impact, coupler buffer, multi-body system dynamics, simulation analysis

中图分类号：U270.34

作者简介：桑静波（1983—），男，工程师

收稿日期2016-04-15