地铁车辆防爬器设计及试验验证

2022-03-16计梦男

科技创新与应用 2022年5期

刘凯，梁森，计梦男，董磊，陈旭

（北京轨道交通技术装备集团有限公司技术研究院，北京 100160）

随着乘坐轨道交通出行的人越来越多，列车运行时速度等级越来越高，一旦发生碰撞事故将会造成车毁人亡的后果，为此列车的安全性就越来越受到重视。在过去的20 多年里，世界各国学者为了提高列车碰撞时乘客的安全，对轨道车辆的耐碰撞性能进行了广泛地研究，并形成了EN15227 等标准。部分学者通过分析现有的列车碰撞事故，明确指出列车在碰撞过程中相邻车辆之间容易出现相互爬升的现象，而车辆之间爬车程度直接关系到整个碰撞事故中人员的伤亡程度。因此，防爬器在轨道交通车辆方面至关重要。

1 防爬器要求

本文根据国内某6 编组A 型地铁车辆，编组图及重量如下所示。

1.1 防爬器的纵向碰撞吸能要求

本文防爬器所适用的碰撞工况为，一列AW0 载荷列车以25 km/h 速度与另一处停放制动状态的AW0 载荷列车撞击时，有效吸收撞击能量而客室主体结构无损坏。根据碰撞吸能要求，综合车辆的纵向动力学结果，除车钩吸收能量外，单个防爬器需要吸收的能量值为383.68 kJ。综合考虑车体的纵向压缩强度和车体前端吸能空间，把防爬器设计成吸能变形力为640 kN，吸能行程为630 mm，吸收能量的设计值为403.2 kJ。

1.2 防爬器的垂向承载需求

防爬器需要保证车辆发生碰撞后，防爬器起作用时，不发生垂向屈曲且防爬器在承受垂向载荷后变形量不超过2 mm。根据合力矩定理确定防爬器垂向力的大小，公式如下所示：

m0（R）=∑m0（F）。

计算出结果：防爬器的垂向力需要不小于0.41 mg，增加安全系数按照1.3，按照垂向力0.5 mg 处理，即单个防爬器需要满足承受0.25 mg 的重量，即为95 kN，且单个防爬器在承受垂向最大力时垂向不会发生屈服。

2 防爬器设计

根据防爬器的要求，选择刨削式防爬器，吸能变形力为640 kN，吸能行程为630 mm。详细设计如图1 所示，设计的刨削式防爬器主要由防爬齿板、吸能管、刀具、安装法兰4 部分组成，在发生碰撞时分别起到以下作用。

图1 防爬器模型示意图

（1）防爬齿板：防爬齿板是在平板上开设沟槽，当车辆碰撞时，两车之间的防爬齿能够相互啮合，限制两车之间的相对高度，这样能够阻止碰撞中的某一辆车离开轨面骑爬到另一辆车上。

（2）吸能管：在工作中有两方面的作用，首先是导向作用，承受碰撞中的垂向和侧向载荷，保证吸能过程中防爬装置的稳定工作；其次是吸能作用，工作时部分金属材料从金属管上剥离，将动能转化为热能，吸收能量。

（3）刀具：碰撞时刀具刨削吸能管，使得金属材料剥离，吸收碰撞能量。

（4）安装法兰：用于安装刀具，同时还起到吸能管的运动导向作用，限制吸能管的运动方向。

对设计后的防爬器进行有限元分析以验证其在垂向力为95 kN 作用下能否满足设计要求。首先对防爬器进行材料属性的定义见表1。计算得到结果如图2 所示。

图2 防爬器静强度计算应力云图

表1 防爬器材料属性表

吸能管的最大应力为440.7 MPa，小于屈服强度550 MPa；安装法兰的最大应力为542.9 MPa，小于屈服强度700 MPa；安装螺栓的最大应力为682.6 MPa，小于屈服强度900 MPa；防爬齿的最大应力为42.14 MPa，小于屈服强度235 MPa。通过有限元计算可知，防爬器的设计满足垂向承载的要求。