变阻抗压溃装置碰撞吸能研究

谢耿昌，刘继波，郝孟孟

(中车青岛四方车辆研究所有限公司 钩缓事业部，山东 青岛 266031)

随着轨道交通在“绿色、经济、安全”方向的快速发展，列车被动安全防护技术被大量应用。EN 15227：2010《铁路应用 铁路车辆的耐撞性要求》规定：25 km/h的碰撞速度下保留司乘生存空间，并保持乘客区域的结构完整[1]。我国城市轨道交通车钩缓冲装置的要求是：车钩缓冲装置能完全吸收15 km/h碰撞速度下的碰撞能量。为满足EN 15227：2010和我国相关要求，本文以某型城轨车辆变阻抗压溃装置为例[2]，研究了变阻抗压溃装置的应用优势。

1 典型碰撞吸能结构

城市轨道交通车辆多采用车端碰撞吸能与车间碰撞吸能相配合的碰撞吸能结构[3-4]。车端碰撞吸能结构由头车车钩缓冲装置和防爬吸能装置组成，头车车钩缓冲装置包含弹性缓冲器、压溃装置和过载保护装置[5]。车辆发生碰撞时，弹性缓冲器、压溃装置依次动作吸收碰撞能量；在压溃装置行程到限时，车钩纵向力瞬间上升至过载保护装置的预设值，过载保护后，头车车钩缓冲装置脱落并后退，不再传递纵向力，此时防爬吸能装置防爬齿互相咬合，在防止车辆爬起的同时将纵向力传递给防爬吸能装置上的压溃装置或其他吸能装置，继续吸收碰撞能量。图1为典型车端碰撞吸能结构各装置的吸能曲线。

车间碰撞吸能结构为中间车车钩缓冲装置，包含弹性缓冲器和压溃装置，在整个碰撞过程中配合车端碰撞吸能结构吸收碰撞能量[6]。

图1 典型车端碰撞吸能结构各装置的吸能曲线

2 碰撞仿真模型

2.1 列车编组

以6辆编组的某型城轨列车为研究对象，列车两端采用半自动车钩，内部各车辆间采用半永久车钩。该列车的编组配置为：=Tc-M-M-M-M-Tc=，其中，Tc代表带司机室的头车，M代表中间车，“=”代表半自动车钩，“-”代表半永久车钩。该车Tc车的自重为33 t，M车的自重为35 t；抗拉载荷为850 kN，抗压载荷为1 250 kN。

2.2 计算模型

按照列车纵向动力学理论，将整列车视为由钩缓装置连接的若干具有纵向单自由度的质点，通过对质点系运动微分方程组的逐步求解得到整个碰撞过程中各个碰撞断面的加速度、车钩力、速度历程曲线，以研究不同工况下防爬吸能装置及钩缓装置的受力和能量吸收情况[7]。列车纵向动力学模型如图2所示。

图2 列车纵向动力学模型

列车纵向动力学模型的微分方程为：

mi——第i车的质量，kg；

Fci1，Fci——分别为第i车前后车钩力，N；

Fwi——第i车受到的外力，N。

对于N节车辆的城轨列车，可列出N个微分方程，组成一个二阶微分方程组，并通过编制的专用程序联合求解。

3 碰撞仿真分析

3.1 恒阻抗压溃装置方案

表1 恒阻抗压溃装置方案的车钩防爬配置参数

根据EN 15227：2010规定，用1列6辆编组AW0列车以25 km/h的速度撞击1列6辆编组的静止列车，按50%坐席乘客质量(60 kg/人×20人)、表1恒阻抗压溃装置方案的配置参数进行计算，以25 km/h速度碰撞后各断面的最大车钩力Fmax、压溃装置最大行程Sa、防爬吸能装置最大行程Sb、吸收能量E及吸能利用率α的计算结果见表2，其中断面6为直接冲击断面。

表2 恒阻抗压溃装置方案以25 km/h的速度碰撞后的吸能情况

3.2 变阻抗压溃装置方案

表3 变阻抗压溃装置方案车钩防爬配置参数

图3 半永久车钩B、C的压溃装置吸能特性曲线

按照与恒阻抗压溃装置方案相同碰撞工况，对表3中变阻抗压溃装置方案车钩防爬配置参数进行仿真计算，计算结果见表4。

3.3 碰撞分析

我国对城市轨道交通车辆车钩缓冲装置的要求是，能够完全吸收一列AW0列车以15 km/h速度撞击另一列静止并施加制动的AW0列车的碰撞能量，同时要求不得导致车辆主要结构部件损坏。根据上述要求，按照表1和表3配置参数对恒阻抗压溃装置方案和变阻抗压溃装置方案进行仿真计算，计算结果见表5。表5可以看出，2种方案的计算结果均满足上述要求。

表4 变阻抗压溃装置方案以25 km/h的速度碰撞后的吸能情况

表5 恒阻抗压溃装置和变阻抗压溃装置方案碰撞后吸能情况

比较2种方案，变阻抗压溃装置方案存在以下优势：

(1) 整体碰撞吸能能力高。恒阻抗压溃装置方案共有3个断面的吸能利用率超过90%，直接碰撞断面的吸能利用率为98.88%，25 km/h速度的碰撞已经达到该方案吸能极限；而变阻抗压溃装置方案共有3个碰撞断面的吸能利用率超过85%，直接碰撞断面为93.56%，25 km/h碰撞时该方案尚有一定吸能余量，确保了系统可靠性[10]。

(2) 钩缓装置种类少。变阻抗压溃装置方案相比恒阻抗压溃装置方案减少了一种半永久车钩，有助于降低设计生产成本。同时变阻抗压溃装置方案半永久车钩D可以采用半永久车钩C的钩型代替，进一步减少半永久车钩种类。

(3) 防爬吸能装置行程短。恒阻抗压溃装置方案在25 km/h速度碰撞时防爬吸能装置触发行程为254.5 mm，而变阻抗压溃装置方案防爬吸能装置触发行程为228.3 mm，为增加司机生存空间，可将其有效行程缩减为240 mm[11]。

4 结束语

本文以6辆编组的某型城轨列车为例，分别对配有恒阻抗和变阻抗压溃装置的车钩缓冲装置及防爬吸能装置进行纵向动力学仿真计算，结果表明，两方案均能满足EN 15227：2010关于25 km/h碰撞速度的吸能要求，车钩缓冲装置都可以完全吸收15 km/h碰撞速度的碰撞能量。但变阻抗压溃装置方案在整体吸能能力、钩缓装置种类数量和防爬吸能装置行程方面有明显优势，建议扩大工程应用。