轨道车辆防全向错位前面板防爬器性能仿真

王文斌 陈国苏 徐俊东 刘达

摘要： 运用LS-DYNA对一种新型防全向错位前面板防爬器抑制横向滑移和垂向爬升的能力进行仿真，通过模拟2节编组列车车辆间水平初始偏转为2°和3°的碰撞工况，分析比较传统前面板防爬器和新型防全向错位前面板防爬器对横向运动的抑制能力。在此基础上，仿真分析车辆间初始垂向偏移分别为20 和40 mm的碰撞工况，检验新型防爬器的垂向防爬能力。仿真结果表明，在碰撞工况下，新型防全向错位前面板防爬器的横向运动和垂向运动抑制能力均优于传统面板防爬器，可在车辆设计中推广使用。

关键词： 防全向错位; 防爬器; 碰撞; 横向偏移; 垂向偏移

中图分类号： TP391.92; U270.34   文献标志码： 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

城市轨道交通与人们的出行息息相关，列车结构安全也日渐成为人们关注的问题。轨道交通是大容量运输，列车质量大且速度快，一旦发生碰撞事故，后果将不堪设想。目前，大多数轨道列车都考虑防碰撞设计，通过防爬器和吸能结构吸收碰撞能量，保护车辆主体结构和乘员安全。[1-2]

传统吸能防爬器的功能主要有2点：（1）防止碰撞发生时一列车爬上另一列车的“交叠”现象[3]，或者结构很强的车体底架冲撞另一结构较弱车体的侧墙或端墙结构，造成非常严重的损坏;（2）防爬器的吸能结构能吸收碰撞能量、降低冲击，减少乘员损伤[4]。

列车是细长结构，车辆之间为车钩连接，在水平面内可以有相对转动，当列车发生碰撞后除有垂向爬升趋势外，还极易出现纵向失稳而导致横向摆动，使列车呈“Z”字形变形，导致原先设计的纵向吸能结构失去吸能缓冲作用，加重列车和乘员的损伤。

传统的防爬器前面板仅有横向齿，对抑制列车碰撞后横向运动趋势的能力较差，不能有效降低列车的横向变形。本文对一种防全向错位的新型防爬器[5]前面板结构进行仿真研究，验证其既有垂向防爬功能，又能抑制列车碰撞后的橫向“Z”字运动趋势，使碰撞后的列车尽量保持直线，从而降低列车脱轨风险，提高列车碰撞的安全性。

1 防爬器防全向错位前面板设计

新型防爬器的前面板结构为全向齿，齿形呈四棱锥状，相邻2个齿1个外凸、1个内凹，相互交错，从而能同时约束横向和垂向相对运动，其形状设计见图1。

前面板上凹、凸锥型齿的数量，可有2种设计方案。

第一种是每一行凹、凸齿的数量相差1。在这种情况下，前面板是轴对称的，在列车发生碰撞的初始时刻，由于锥形齿具有自动对中的特性，防爬器将发生横向滑移，最终错开1个齿。若要使2个防爬器碰撞后不发生错开1齿的滑移现象，须制造公、母2种防爬器前面板，公、母相互嵌套。该方案会增加制造难度并引起列车编组繁琐等问题，考虑实际应用，不宜采用该方案。

第二种是每一行凹、凸齿的数量相等。在这种情况下，前面板本身是中心对称的，防爬器前面板旋转180°即可成为与之碰撞的另一防爬器的前面板，2个防爬器可以完全嵌合在一起，发生对心碰撞，见图2。

因此，采用第二种方案设计防爬器防全向错位前面板。由于防爬器本身是中心对称的，只需将车体一、二位端的防爬器呈中心对称安装，见图3。根据安装方式和尺寸设计，当列车横向和垂向的初始偏移在一定范围内时，该面板能使防爬器碰撞后自动完全对中，从而发生对心碰撞。

2 防全向错位前面板防爬器抑制横向滑移性能分析2.1 列车碰撞的水平偏转角度

在直线碰撞工况下，初始时刻列车横向滑移趋势不明显，车辆间的柔性连接导致列车纵向稳定性偏弱;随着碰撞的进行，列车各车辆间的横向错位逐渐增大。在曲线碰撞工况下，初始时刻列车各车体之间已经存在初始的偏转，因此在碰撞初始时刻车辆间的横向滑移趋势就比较明显。所以，在研究防全向错位前面板的性能时，不仅应考虑曲线段初始偏转角度，还应考虑直线和曲线段碰撞发生初期角度增大的情况。

以A型地铁列车为例，车辆定距一般为15.7 m[6]，车辆水平偏转2°时所处的曲线半径约为15.72sin 2°≈225 m（1）  按照《地下铁路设计规范》（GB 50157—2003）规定，地铁线路最小曲线半径[7]见表1。

列车水平偏转2°时所处的曲线半径为225 m，接近正线困难情况的线路曲线半径。当碰撞发生后，列车各车辆间的横向错位和偏转角度会变大，所以在验证防全向错位前面板的作用时，增加水平偏转3°的工况，以验证在大角度偏转时新型防爬器前面板的横向错位抑制能力。

2.2 列车水平偏转2°碰撞仿真

主、被动碰撞的列车都是2节编组，运动列车以7 m/s（25 km/h）的速度撞击静止列车，静止列车的2节车辆初始水平偏转为2°，见图4。新型防全向错位前面板防爬器和传统前面板防爬器示意分别见图5和6。

在LS-DYNA中建立仿真模型。为使仿真结果具有可比性，除前面板结构外，其他结构完全一致。碰撞过程中前面板变形可以忽略，因此设置前面板材料为*MAT_020-RIGID。防爬器内吸能结构和外壳结构材料一般为铝合金，因此材料型号选择*MAT_024-PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY。前面板碰撞接触类型选择常用的*CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFFACE。

碰撞发生第238 ms 时2种前面板防爬器碰撞变形见图7。传统前面板防爬器碰撞后的横向滑移距离较大，2个防爬器之间的相互作用基本消失;新型前面板防爬器在碰撞发生283 ms时面板间错位很少，所以吸能结构可以吸收更多的能量。列车碰撞过程中防爬器的横向接触力曲线见图8。新型防全向错位前面板防爬器的横向作用力方向交替变化，而传统前面板防爬器的横向力只依靠摩擦力，因此其横向滑移抑制作用明显不如新型防全向错位前面板防爬器。

列车碰撞过程中2种前面板结构的防爬器横向相对位移曲线见图9。在碰撞过程中，安装传统前面板防爬器的列车横向相对位移在0.4 s时已超过350 mm，而配置新型防全向错位前面板防爬器列车的横向相对位移达到80～90 mm后就基本保持不变，最终横向位移不超过100 mm，远小于配置传统防爬器列车的横向位移。仿真结果说明，在碰撞过程中，安装新型防全向错位前面板的防爬器有利于运动列车与静止列车啮合，从而有效抑制列车间的横向滑移。

2.3 列车水平偏转3°碰撞仿真

在列车水平偏转2°分析的基础上，对静止列车水平偏转3°进行仿真分析。碰撞发生第270 ms时2种前面板的碰撞变形见图10，碰撞过程中防爬器的横向接触力曲线和横向相对位移分别见图11和12。

由仿真结果可知，虽然车辆水平相对偏转角度增大，但是新型前面板防爬器仍然可以很好地啮合，所以能有效抑制列车之间横向相对滑移。传统防爬器无法做到这一点，其在0.3 s时的横向相对位移已经超过250 mm。新型防全向错位前面板防爬器对抑制车体横向滑移具有很大作用，效果明显优于传统前面板防爬器。

3 新型防爬器垂向载荷承受能力

3.1 防爬器垂向载荷承受标准

英国GM/RT2100标准规定，在列车碰撞工况下，车辆端部变形应在1 m之内，防爬器应至少能承受100 kN的垂向载荷。[8-9]欧盟颁布的EN15227：2008规定，2辆同类型列车发生碰撞的标准场景为垂向初始偏移40 mm，且静止列车低于运动列车。[10]当防全向错位防爬器前面板的初始偏移大于20 mm时，2个前面板会滑移错开1个齿再对撞，因此选择20和40 mm这2种工况分析比较防爬器抑制垂直爬升的能力，此时可暂不考虑横向初始偏移。

3.2 列车垂向偏移20 mm的碰撞仿真

设定2列相同列车垂向偏移为20 mm且静止列车低于运动列车，对传统横向齿前面板防爬器和新型防全向错位前面板防爬器进行仿真，碰撞后防爬器的变形结果见图13。新型防爬器采用锥形齿，具有自动对中功能，因此即使垂向偏移20 mm，经过初始滑移后，前面板最終还是发生对心碰撞。防爬器的垂向载荷曲线见图14。与传统防爬器相比，新型防全向错位前面板不仅没有减弱防爬器承受垂向载荷的能力，而且新型防爬器的啮合时间明显长于传统防爬器。

3.3 列车垂向偏移40 mm碰撞仿真

列车垂向偏移为40 mm时的仿真结果见图15～17。该工况下新型防爬器能承受的最大垂向载荷已经超过100 kN，符合GM/RT2100的标准，且新型防爬器的最大垂向载荷略大于传统防爬器。由此可以说明，在能量吸收能力没有减弱的情况下，新型防全向错位前面板防爬器承受垂向载荷的能力没有减弱，啮合效果很好。

4 结束语

本文主要对防全向错位前面板防爬器抑制横向滑移和垂向爬升的能力进行探讨。模拟列车水平方向存在2°和3°初始偏转的碰撞工况，分析比较传统横向齿前面板防爬器和新型防全向错位前面板防爬器抑制横向运动的能力。在此基础上，检验初始垂向偏移分别为20和40 mm的碰撞工况。仿真结果表明，新型防全向错位前面板防爬器的横向和垂向运动抑制能力均优于传统前面板防爬器。新型防爬器具有一定的自动对中能力，啮合时间更长，碰撞后列车的横向相对位移更小，可在车辆设计中推广使用。

参考文献：

[1] 王文斌， 赵洪伦. 运用MSC Dytran分析轨道车辆结构的被动安全性能[J]. 计算机辅助工程， 2006， 15（S1）： 397-399. DOI： 10.3969/j.issn.1006-0871.2006.z1.125.

[2] 刘艳文， 肖守讷， 张志新， 等. 轨道车辆新型组合结构吸能装置耐碰撞性分析[J]. 计算机辅助工程， 2012， 21（5）： 6-10. DOI： 10.3969/j.issn.1006-0871.2012.05.002.

[3] 趙洪伦， 王文斌， 廖彦芳. 城市轨道车辆防爬器开发研究[J]. 机电产品开发与创新， 2003（6）： 33-35. DOI： 10.3969/j.issn.1002-6673.2003.06.013.

[4] 梁炬星. 一种新型切削式防爬器研究[J]. 机车电传动， 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， 罗湘萍. A型地铁车辆新型转向架的研制[J]. 城市轨道交通研究， 2009， 12（3）： 34-38.

[7] 董华珍， 王仲林. 城市轨道交通中小半径曲线问题探讨[J]. 四川建筑， 2005， 25（3）： 41-42. DOI： 10.3969/j.issn.1007-8983.2005.03.020.

[8] 陈国瑞. 列车撞击垂向响应及其控制研究[D]. 长沙： 中南大学， 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.

（编辑 武晓英）