自由编组地铁车辆钩缓装置配置特性研究

2022-11-21侯本虎张敬科

城市轨道交通研究 2022年9期

侯本虎张敬科

(1.烟台工程职业技术学院，264006，烟台；2.西南交通大学牵引动力国家重点实验室,610031,成都∥第一作者，讲师)

钩缓装置作为车辆之间连挂运行的重要部件，既可实现车辆之间的互联互通，又可满足车辆之间的低速碰撞要求，保护司乘人员安全。为实现不同编组列车之间高效率的自由切换，需要对不同编组列车各界面的吸能特性进行研究。

文献[1]分析了考虑车体加工制造产生的焊接残余应力和车体材料的应变率效应等因素，对高速列车结构在碰撞中的结构变形、能量变化的影响,材料特性对提高耐撞性分析效率和安全性预测精度具有重要意义。文献[2]针对地铁车辆的吸能结构特征，提出地铁车辆的耐冲击设计理念，并进行了结构优化。文献[3]从被动安全防护的角度出发，探讨了车辆在碰撞过程中能量的耗散和吸能规律。文献[4-5]提出了列车在碰撞过程中的钩缓装置模拟方法，并根据车辆在碰撞过程中各界面的吸能特点，总结了钩缓装置在各界面的吸能参数配置情况。文献[6]对铝合金车辆进行了大变形的碰撞仿真分析，获得了在碰撞过程中车体结构的变形模式，可为车辆编组形式在整车耐撞性设计上的应用提供一定的参考。文献[7]研究了车辆之间的连挂关系，并利用弹簧和阻尼结合的方式来模拟车辆之间的非线性关系。

综上所述，列车车辆的能量吸收特性研究主要集中于固定编组和前端的能量吸收情况，基本没有涉及到不同编组列车在各界面的能量吸收情况。对此，本文建立了4辆、6辆和8辆编组的列车碰撞有限元模型，对比不同编组形式对各界面的吸能影响，并分析列车在不同速度条件下的吸能特性。

1 碰撞模型的建立

1.1 有限元模型的建立

列车碰撞响应是一个非常复杂的非线性大变形问题，涉及到结构非线性、接触非线性、弹塑性非线性等一系列复杂问题。根据地铁车辆的碰撞特点[8],以及考虑尽量避免破坏车体结构，设置了三级能量吸收理念。当车辆发生碰撞接触时，首先触发车钩缓冲器并缓解一部分能量；紧接着车钩压溃管膨胀压溃吸收更多能量，头钩钩缓装置吸能完成后，剪切螺栓触发过载保护作用；最后两端防爬吸能装置啮合，并相互挤压吸收能量。

为提高计算效率，车体在碰撞过程中的微小屈曲变形可忽略不计，并把车体和转向架等基本没有遭到破坏的结构视为刚体，建立有限元模型，钩缓系统的特性加载利用LS-DYNA软件中119号材料进行模拟。

不同编组的列车碰撞有限元模型如图1所示。其中：MV1-MV8为移动车辆；SV1-SV8为静止车辆；S1-S15为车辆之间的界面，根据列车编组的不同，图1 a)～1 c)的碰撞界面分别为S4、S6、S8；υ为列车碰撞速度。

1.2 碰撞工况的建立

为研究不同编组及不同速度条件下，列车各界面的能量吸收情况，建立3种速度和3种编组共9种工况，列出了列车车辆在不同速度等级时所涉及的能量吸收部件，如表1所示。

表1 碰撞工况Tab.1 Collision condition

2 钩缓装置备选库

2.1 钩缓装置的输入

不同的列车编组数量，列车总能量也会有所变化，因此对于不同的编组列车需要采用不同的钩缓装置搭配。为满足4辆、6辆、8辆3种不同的列车编组模式，钩缓装置采用EFG3橡胶缓冲器，建立6种钩缓装置配置参数(全自动车钩、半自动车钩、半永久牵引杆A、半永久牵引杆B、半永久牵引杆C和半永久牵引杆D)，曲线特性如图2和图3所示。

图2 头钩车钩特性曲线Fig.2 Characteristics curve of head coupler

2.2 钩缓装置备选库的建立

由图3所示的列车各界面能量输入曲线可知，中间界面的钩缓特性从一位端至二位端(一位端和二位端分别是指列车运行的前端和后端)依次降低，各界面钩缓配置以中间半自动车钩为中心，列车编组两端界面对称设置。4辆、6辆、8辆编组列车示意图如图4所示。钩缓系统一共分为1个全自动车钩，1个半自动车钩以及4个半永久牵引杆。钩缓装置备选库如表2所示。

图3 中间车钩特性曲线Fig.3 Characteristics curve of intermediate coupler

图4 列车编组示意图Fig.4 Diagram of train formation

表2 钩缓系统备选库Tab.2 Back-up database for coupler system selection

3 仿真分析

3.1 能量吸收的理论依据

车辆系统碰撞伴随着结构大变形的非线性吸能过程，列车主动车辆由初始速度逐步减速，而各被动车辆则由静止逐步加速，所有车辆达到相同的速度后，即认为碰撞结束。对于列车整体的吸能特性，可建立动量守恒定律和能量守恒定律[9]。

由动量守恒定律可得：

mMV_allυ=mMV_allυend+mSV_allυend

(1)

由能量守恒定律可得：

(2)

若mMV_all=mSV_all,把式(1)代入式(2)可得：

(3)

式中：

mMV_all——所有运动车的总质量；

mSV_all——所有静止车的总质量；

υend——碰撞结束时刻的车辆速度；

E——碰撞过程中能量耗散的总能量。

碰撞过程中，如果将每节车辆看成一个质点，由两端车钩连挂运行，根据第二类拉格朗日定律建立列车动力学方程：

(4)

Qit=Fit,f-Fit,r-Fit,re-Fit,b

(5)

(6)

式中：

Tit——t时刻第i辆车的动能；

Qit——t时刻第i辆车的广义力；

Fit,f——t时刻第i辆车受到的一位端车钩力；

Fit,r——t时刻第i辆车受到的二位端车钩力；

Fit,re——t时刻第i辆车受到阻力；

Fit,b——t时刻第i辆车受到的一位端的制动力；

mi——第i辆车的质量；

υit——t时刻第i辆车的速度；

xit——t时刻第i辆车的位移；

n——列车编组数量(本文取为4辆、6辆和8辆)。

3.2 不同编组的能量吸收结果

在不考虑破坏车体结构的情况下，把列车车辆在碰撞时的能量吸收分为三级，包括车钩缓冲器、车钩压溃管以及防爬吸能装置。当碰撞开始时，头钩钩缓装置首先发生接触，接着各界面的钩缓装置依次触发，随后各界面同时吸能。

根据列车编组的不同，从备选库里选出相应的钩缓装置搭配，计算出列车各界面的能量分配关系，对比相同速度条件下，不同编组形式的吸能结果，如图5～7所示。其中S与图1中各界面相对应；S3-S5表示S3和S5界面是同一条曲线；其他同理。碰撞发生后，从列车一位端到二位端钩缓装置依次触发，吸能量依次减少，碰撞界面的能量吸收是最大的，主被动车辆各界面能量吸收对称存在。

图5 5 km/h速度条件下的各界面能量-时间吸能特性曲线

3.3 碰撞界面能量吸收

列车以5 km/h速度进行碰撞时，各界面车钩缓冲器容量大于界面需要吸收的能量，不需要更换车钩装置。当列车以15 km/h速度进行碰撞时，需要车钩缓冲器和车钩压溃管共同进行能量吸收，钩缓装置压溃管膨胀破坏，需要更换。当列车以25 km/h速度进行碰撞时，需要车钩缓冲器、车钩压溃管以及防爬吸能装置共同进行吸能，钩缓装置以及防爬吸能装置均需要更换。

图6 15 km/h速度条件下的各界面能量-时间吸能特性曲线Fig.6 Energy-time energy absorption characteristics curve of each interface at the speed of 15 km/h

图7 25 km/h速度条件下的各界面能量-时间吸能特性曲线

碰撞界面能量利用率表示碰撞界面吸能量占界面能量储备比例，碰撞界面能量吸收率表示碰撞界面吸能量占总动能的比例。由图5～7中的列车碰撞吸能对比情况可知，在相同碰撞速度下，不同编组的列车在碰撞界面能量吸收几乎相同，并且吸能量存在一个峰值。

当列车以5 km/h速度进行碰撞时，不同编组列车碰撞界面能量吸收峰值约为20 kJ，约占碰撞界面能量储备的65%；当列车以15 km/h速度进行碰撞时，不同编组列车碰撞界面能量吸收峰值约为162.1 kJ，约占碰撞界面能量储备的29.4%；当列车以25 km/h速度进行碰撞时，不同编组列车碰撞界面能量吸收峰值约为685.3 kJ，约占碰撞界面能量储备的59.3%。具体碰撞界面的能量以及能量吸收占比如表3～5所示。