碰撞事故车辆车体结构破坏分析

卫 亮 康 巍 万 平

(1.大功率交流传动电力机车系统集成国家重点实验室，412001，株洲;2.中车株洲电力机车有限公司，412001，株洲∥第一作者，工程师)

对事故车辆车体结构破坏吸能与动态响应过程的调查研究，是提高轨道车辆耐撞性设计的基础性问题。目前，国内关于轨道列车耐撞性设计的研究中，尚未有事故车辆结构破坏情况的公开研究报道。城市轨道交通车辆运营环境单一，发生事故的概率很低，但车辆在调试、调车等非运营情况下发生事故的情况并不罕见。自2014年以来，仅在北京地区就发生过3起不同严重程度的地铁、有轨电车事故。这些事故虽均未造成严重的人员伤亡，但该非典型工况下的城市轨道交通车辆碰撞事故仍然具备一定风险。

本文以2015年3月25日北京轨道交通车辆某线列车的脱轨碰撞事故为例，通过对事故列车车体的结构破坏进行调查，分析车辆结构的破坏特征，拼接还原事故中各车辆的最终状态，为后续的城市轨道交通车辆耐撞性研究与事故动态仿真提供一定的理论基础。

1 事故简介

事故发生于2015年3月25日15：00，列车从车辆段内部测试轨道尽头冲出，与河道发生脱轨碰撞事故，列车横穿公路，最终车头栽入紧靠公路的河道里。该列车为6辆编组(YZ0211—YZ0216)。事故导致 4节列车车体产生严重变形(见图1)。事故发生时，列车处于车辆调试阶段，并没有搭载乘客，事故地点附近也没有其他行人或车辆，事故仅导致一名驾驶员腿部骨折。

图1 车辆碰撞现场及最终状态示意图[1]Fig.1 Diagram of site and final status of vehicle collision[1]

本次事故中，列车初时速度为30～40 km/h，其穿过长为22 m的草地，击穿栅栏后直接窜上公路，穿行约60 m后车头插入路边河堤中。事故导致头车(YZ0211)车体驾驶室严重变形，后继中间车(YZ0212—YZ0214)车体由于铁道路基、草地、公路路基的地形起伏，在巨大撞击动能作用下，各车厢之间发生垂直方向上的爬车和水平方向上的蛇行错位碰撞现象。车体的主要破坏变形区域集中在驾驶室以及各节车厢之间相互挤压的碰撞区域，其不锈钢车体底架、顶棚、侧墙和端墙等模块间的连接处在事故中受到了严峻的考验。

2 事故车辆结构破坏变形分析

2.1 头车及驾驶室结构变形破坏分析

事故车辆为B型不锈钢车体，其结构如图2所示。该型号车辆车体采用301L车辆专用不锈钢，通过焊接形成薄壁整体承载结构。车体由侧墙、端墙、底架、顶棚和驾驶室等模块组成，各模块之间通过点焊连接。侧墙、端墙顶棚由外墙薄板与补强型材点焊连接形成空腔结构。车前底架设有防爬器，在防爬器后的底架设有诱导孔的吸能变形区。

图2 不锈钢车辆结构图Fig.2 Diagram of stainless steel vehicle structure

YZ0211车体插入河堤中发生变形，前端最终状态示意图如图3 a)和图3 b)所示。YZ0211车体设有防爬器和具备诱导孔的吸能单元，如图3 c)所示。车头撞入河道泥土，因泥土刚度相对较低，所以防爬器及后面能量吸收单元没有发生明显的塑性变形。头车落入河道过程中，YZ0211车体的转向架与车体发生相对较大角度的摆动。由于转向架上的悬挂与抗侧滚、抗翻转等设施的综合作用，转向架只与底架上的电气管线发生撞击，并没有撞击到车体底架，如图3 d)所示。

图3 YZ0211车体前端最终状态示意图Fig.3 Diagram of final status of YZ0211 vehicle body front end

事故后，驾驶室内部被入侵的情况如图4所示。撞击发生后，窗下横梁与窗下立柱发生严重变形并内翻，座椅上的司机被翻转的操作台压住，座椅随着驾驶室的入侵也被迫向后倾倒，司机腿部由于空间不足导致骨折。

驾驶室框架通过8根立柱与底架连接。中间4根较短的窗下立柱位于驾驶室正前方，通过螺栓连接于驾驶室地板上。事故中，由于车头框架受力，窗下立柱产生形变并带起地板，进而螺栓受力被拔出(见图5)。4根较短的窗下立柱失效后，随着驾驶室框架继续变形，大部分撞击力由外侧2根较长的立柱承担，导致立柱与底架焊缝处发生断裂(见图6)。最终，驾驶室正前方的6根立柱连接全部失效，驾驶室框架失去了底架的支撑，发生严重形变而被入侵约50 cm。

图4 驾驶室内部变形图Fig.4 Diagram of driver’s cabin interior deformation

图5 窗下立柱螺栓连接失效示意图

2.2 中间车结构变形破坏分析

在撞击河道后，YZ0211车体停止运动，但后继5辆车仍具有相当大的动能，进而发生了一系列的连续碰撞。YZ0212车体端墙与翘起的YZ0211车尾端底架碰撞，如图7所示。在后继车辆的连续冲击力作用下，YZ0212车体侧墙也跟随端墙发生严重屈曲变形,端墙的纵向压缩量约为30 cm，底架垂向变形量约为10 cm。YZ0213车体在制动过程中,受到地形与钩缓结构引导发生爬车趋势，其底架嵌入前车YZ0212车体端墙，YZ0212车体端墙纵向压缩约40 cm(见图8),车厢侧墙发生断裂，裂纹长度约为28 cm。这种爬车现象让车厢变形主要集中在端墙、侧墙、底架和顶棚等模块的连接处。

图6 窗下立柱焊接失效示意图

图7 YZ0211车体与YZ0212车体撞击后的变形照片

这种车辆之间的错位碰撞现象，对中间车车体造成了严重的破坏。文献[2]将这种现象简化为采用完全重叠工况和垂向偏移工况的静载试验，并通过试验研究表明,相比于完全重叠工况，垂向偏移工况下，车体的抗压缩能力下降了60%，在相同变形情况下的能量吸收也大大减少。点焊工艺的抗剪切能力高于抗拔拉能力。YZ0212车体侧墙与底架的连接在母材已经出现裂纹的情况下，焊点只发生了少数的剪切失效(见图8 d))。而在YZ0213车体端墙与顶棚的连接位置，点焊受到拔拉方向的力而发生变形，发生大面积的焊点拔拉失效(见图8f))。YZ0212车体在端墙受到后车底架冲击后，端墙外蒙皮与底架连接的塞焊剪切失效(见图8 e))。

图8 YZ0212车体与YZ0213车体撞击后的变形照片Fig.8 Photo of deformation after collision between YZ0212 and YZ0213 vehicle bodies

碰撞结束时，YZ0214车体后半部分停留在高为0.5 m的轨道上，其前半部分与YZ0213车体相撞。由于两节车厢位于整列车的中间位置，发生碰撞时的动能相对较小，仅仅在顶棚与端墙连接处发生了小面积的塑性变形(见图9)。

图9 YZ0213车体与YZ0214车体撞击后的变形照片

3 钩缓连接系统的破坏调查

钩缓连接系统的动态行为对列车纵向动力学能够产生极大的影响[3-7]。城市轨道交通车辆的钩缓连接系统除了担负车辆之间的连接以及传递和缓冲车辆的运动外，也是城市轨道交通车辆多级吸能中不可缺少的环节。文献[8]指出，对于有多级吸能设计的轨道车辆，钩缓装置应在中、低速碰撞中起到主要的吸能缓冲作用。本文所涉及的事故车辆全自动车钩(头车)和半永久车钩(中间车)在碰撞过程中相继发生破坏变形，起到了部分吸能作用。

3.1 全自动车钩的变形破坏

事故车辆的全自动车钩由连接系统、扩张式压溃管和橡胶回转支座等3个部分组成，如图10 a)所示。压溃吸能管在事故过程中发生扩张式压溃，事故后只有橡胶回转机构与车体保持连接，如图10 b)所示。

图10 碰撞后仅剩下支座的全自动车钩Fig.10 Automatic coupler with only bracket after collision

3.2 半永久车钩的变形破坏

事故列车的各车辆间由一对半永久车钩相连接。半永久车钩主要由回转机构、橡胶缓冲器、牵引杆、压溃管、导向杆和安装座等构成。在碰撞事故中，半永久车钩主要依靠橡胶缓冲变形以及扩张式压溃管破裂吸能[8]。

本次事故中，只有头车YZ0211车体尾端的半永久车钩触发了压溃失效，事故后仅剩下支座与回转机构，如图11 a)所示,其余各节车体发生碰撞的半永久车钩的压溃机构并没有被触发，如图11 b)和图11 c)所示。事故中，各车厢之间一方面受到前后撞击力的挤压，另一方面由于地形的起伏，部分纵向撞击力被转化为垂向的冲击力矩作用于中间车钩上，后车底架被抬起进而撞击到前车底架，如图11 d)所示。由图11可知，在垂向的冲击力矩作用下，车钩的牵引杆部分与底架发生碰撞，并留有撞击凹痕。

图11 事故后的半永久车钩照片及其垂向力矩示意图

4 结论

1) 该次事故中，车体结构破坏的位置主要集中在驾驶室框架、底架、侧墙和端墙等模块的连接处。驾驶室框架在与河道接触碰撞过程中与底架的连接失效，驾驶室内部空间被入侵约50 cm。

2) 在复杂的事故地形和钩缓系统的共同影响下，各节车厢在冲击力作用下发生了一系列相互错位的碰撞。车体破坏表现为塑性变形与多种形式的韧性断裂。YZ0212车体是事故中变形断裂最为严重的车厢，其紧邻头车YZ0211的I端位纵向压缩量约为30 cm，垂向变形约为10 cm；与YZ0213车体碰撞的II端位纵向压缩量约为40 cm，并在侧墙出现长约28 cm的裂纹。

3) 事故中涉及的全自动车钩和半永久车钩在碰撞过程中部分压溃，起到了一定的吸能作用。半永久车钩在事故中由于垂向的力矩与底架发生碰撞。