（车辆工程专业论文）关于轨道列车耐碰撞吸能系统的研究和分析.pdf

中文摘要 摘要：近年来，轨道列车的安全性和可靠性的要求越来越高，因而对轨道列车进 行碰撞性能评价显得尤为重视和需要。本文介绍了列车碰撞吸能系统的碰撞位移 过程和吸能设计理念，利用建立碰撞吸能系统的质点力学模型，研究两列车的碰 撞性能，并找出设计中车体压溃强度力值和长度，及吸能元件合理选取的分析方 法，提出两列车碰撞吸能结构的设计方法，使计算的压溃变形量小于最大的允许 量，达到设计与技术要求相符，确保两列车碰撞时仅前端车头的软区处变形吸能， 司机位置和客室不被损坏，保证司乘人员的安全，进而也可以指导研究改进或开 发新的吸能结构。 关键词：轨道耐碰撞吸能碰撞强度开发建模结构分析元件 a b s t r a c t a b s t r a c t ：i nt h e s ed a y s ，d u et oah i 曲n e e dt os a f e t ya n dr e l i a b i l i t y , c r a s h w o r t h i n e s s d e s i g nh a sb e e nr e q u i r e dm o r ef r e q u e n t l yi nr a i lv e h i c l e i tw a si n t r o d u c e dt h a tt h e d i s p l a c e m e n tp r o c e s so fc r a s h w o r t h yt r a i na n dt h ec o n c e p to fe n e r g ya b s o r p t i o nd e s i g n b a s e do nt h es p r i n g - m a s sm o d e lo f t h ea b s o r p t i o ns t r u c t u r e , t h eb e h a v i o ro fa6 - c a rt r a i n i nc o l l i s i o nw i t ha n o t h e r6 - e a rt r a i nw a ss t u d i e d ，t h e n ，t h ed e s i g na n a l y s i sm e t h o dw h i c h i st h ea p p r o p r i a t ev a l u eo fs t r e n g t ha n dl e n g t ho ft h ec a rb o d yc r a s h w o r t h yp a r ta n dt h e r e a s o n a b l es t r u c t u r eo fe n e r g ya b s o r p t i o ne l e m e n tw a ss t u d i e d t h ed e s i g nm e t h o do f e n e r g ya b s o r p t i o ns t r u c t u r ef o rr o l l i n gs t u c ki sp r e s e n t e d t h ec a l c u l a t i o nr e s u l t ss h o w t l l a tt h ed e f o r m a t i o no ff u s ei ss m a l l e rt h a nt h em a x i m u ma l l o w a b l ed e f o r m a t i o n ， c o n f i r m i n gn l a tt h ed e s i g nc o n f o r m st ot h es p e c i f i c a t i o nr e q u i r e m e n t s i tw a sp r o v e d t h a tt h ec r a s he n e r g yw a sa b s o r b e do n l yb yt h ed e f o r m a t i o no fc a rb o d ye n ds t r u c t u r e a n dt h a ta n yp a r to fc o m p a r t m e n tf o rt h ed r i v e ra n dp a s s e n g e r sw a sn o td a m a g e d t h e r e f o r e ，t h eb e t t e rc a rb o d yw i t he n e r g ya b s o r p t i o ns t r u c t u r ew a sm o d i f i e do r i n n o v a t e do rd e v e l o p e d k e y w o r d s ：r a i l w a y , c r a s h w o r t h i n e s s ，e n e r g ya b s o r p t i o n , i m p a c ts t r e n g t h ， d e v e l o p m e n t ，m o d e l i n g , s t r u c t u a la n a l y s i s ，e l e m e n t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名雪荔磊 签字日期：少矿万年f 月，z 日 导师签名： 签字日期： 酗吨力 如精rl 咿 独创l 生声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：雪荔位签字日期：夕彦年手月2 日 6 1 致谢 本论文的工作是在我的导师李长虹教授的悉心指导下完成的，李长虹教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来 李长虹老师对我的关心和指导。 李长虹教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给 予了我很大的关心和帮助，尤其在论文撰写期间，给予了我极大的帮助和理解， 在此向李长虹老师表示衷心的谢意。 李长虹教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷 心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，薛克伸、郭景英、刘玉民、骆起、王伟、牛 锡平、李韬、张云峰等同学对我论文中的轨道列车耐碰撞吸能系统的研究工作给 予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢家人梁鸿雁，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学 斗k 。 序 本课题的特点是以轨道列车碰撞吸能结构的开发设计为核心的论文课题，而 且是论述碰撞吸能结构的设计方法的课题。这里需要说明的是，本文中讨论和分 析的吸能系统内容，是对技术工作中知识积累的一种总结，未能完全覆盖和论述 列车能量吸收系统的所有概念和内容，仅仅是国内最新地铁列车的吸能结构的设 计理念，可以对指导吸能结构设计开发起到一点作用，但其知识面和深度还需要 进一步深化和研究。 本课题的主要目的是提出吸能碰撞结构的一般建模计算方法，提出国内现运 行新地铁列车的吸能结构设计的理论基础，进而通过综合运用所学知识，研究改 进或开发新的吸能结构。 1 1 引言 第一章绪论弟一早三百。下匕 随着我国经济的持续发展和城市人口的不断增加，城市轨道交通成为提高旅 客运能的有效工具，并得到迅速发展，各种类型的城轨车辆不断涌现，数量不断 增多，对车辆的安全性要求也越来越高；迄今为止，由于各种原因轨道车辆的碰 撞事故也时常发生。近年来，从人身安全和环境保护的角度出发，对轨道列车进 行碰撞性能评价显得尤为重视和需要。 轨道列车在非正常情况下发生碰撞，属于列车碰撞事故，其后果都是车毁人 亡，损失惨重。一般情况下车体都会产生塑性大变形，甚至出现车辆上爬的现象。 要避免列车发生碰撞事故，需要有可靠的运输管理系统和通讯信号系统提供主动 安全保护，但要能保证绝对安全，却非易事。世界各国不断有列车碰撞事故发生， 根据列车碰撞事故统计资料分析，这类事故多发生在车站或铁路与公路的交叉路 口，基本上是高速运动的列车与可移动弹性障碍物的迎面碰撞，这就需要进行列 车撞击动力学研究，为司乘人员及旅客提供被动安全保护，以减小损失。 对于汽车的零部件来说，因为是大批量的生产，而且是价格比较低的产品， 所以可以用实车或部件进行动力学研究和碰撞性能评价；现在为了评价汽车的碰 撞吸能性能而进行碰撞试验已经可以被容易的实现。然而，对于铁路车辆来说， 对每种车辆产品都进行碰撞试验从成本方面看是不现实的，因此，就需考虑用数 值计算来进行铁路车辆的碰撞性能评价。 1 2 论文研究的意义 本课题论文的研究，重在提出吸能碰撞结构的一般建模计算方法，提出国内 现运行新地铁列车的吸能结构设计的理论基础，进而通过综合运用所学知识，研 究改进或开发新的吸能结构。同时，通过论文的编写，提高自己对吸能结构的设 计开发的理论知识，从而，更好地投入到后续的车辆研发中。 1 3 国内外研究的现状 研究车辆防碰撞的方法有理论研究、实物实验和数值仿真三种。虽然理论研 究和实物实验不可缺少，但是车辆防碰撞研究的本身性质决定，数值仿真应成为 主要的研究方法。随着计算机的发展和显式仿真软件，如p a m c r a s h 的成熟， 成功的工业案例表明，仿真方法完全能胜任大部分车辆防碰撞的研究。利用仿真 方法，a l s t o m 公司1 9 9 6 年进行了高速列车t g v 的开发研究；s i e m e n s 公司1 9 9 9 年进行了高速列车的缓冲器研究；韩国铁道科学研究院对k h s t 进行了耐撞性优 化设计研究；中国从1 9 9 9 年开始对列车零部件及其一些车辆模型进行了防碰撞仿 真研究，其研究计算结果已能有效指导车辆公司的设计生产。 在汽车工业领域中，碰撞吸能保护是一项倍受重视的被动安全研究，他们不 但用实车实物在专用的实验车间里不惜代价地进行破坏性实验，同时，还广泛采 用计算机数值仿真手段对结构破坏过程进行高速碰撞模拟，从而对设计的安全性 进行分析和评价。在汽车安全领域，国内外都制订了专门的被动安全法规，并开 发了一些安全保护设施，例如安全带，气囊等。 同其它交通工具相比，列车在方便，准时和运输效率方面非常有优势。同汽 车碰撞事故相比，虽然列车发生碰撞的概率要小于汽车发生碰撞的概率，然而一 旦发生意外事故，则会带来严重的人员和财务损失。例如1 9 9 8 年6 月4 日在德国 的e s c h e d e 发生的由于脱轨造成的列车事故，它造成了9 8 人死亡，2 0 0 多人受伤 的严重后果。鉴于此，许多国家为了使事故造成的损失最小化在设计车辆时都充 分考虑车辆的耐撞性。从1 9 9 9 年起，美国开始要求在高速列车t i e ri i ( 商业速 度为2 0 肚- 2 4 0k p h ) 上必须有列车防碰撞设计与评估。在不久以后，欧洲也把列 车防撞性纳入u i c 的规则中。日本也非常重视列车防碰撞设计与评估。目前国内 院校及工厂对轨道列车的防碰撞研究也给予了很大的重视。 1 4 本课题的研究内容、特点、目的 本课题的内容是在简要介绍关于轨道列车碰撞吸能理念的基础上，重点讨论 了吸能碰撞结构的建模计算方法，并就车体吸能结构软区及吸能元件的设计进行 了讨论和分析。 9 本论文的具体内容是： 1 ) 绪论部分轨道列车碰撞吸能的研究现状，研究的内容等； 2 ) 碰撞过程部分两列车碰撞的运动过程，位移分析； 3 ) 吸能理念部分一车钩缓冲结构的能级布置理念介绍，车体软区能级布置 理念介绍，及客室安全区的结构要求。 4 ) 碰撞建模部分列车碰撞结构的模型建立，运动方程建立； 5 ) 计算分析部分基于模型建立及运动方程而进行的计算介绍和分析，讨 论车体吸能软区合理的压溃力值，选取合适吸能元件； 6 ) 能量要求部分分析列车碰撞各节点能量的比例分配： 7 ) 结论部分轨道列车碰撞吸能结构的设计进行总结，提出自己的车辆吸 能结构的设计思路。 由上可知，本课题的特点是以轨道列车碰撞吸能结构的开发设计为核心的论 文课题，而且是论述碰撞吸能结构的设计方法的课题。这里需要说明的是，本文 中讨论和分析的吸能系统内容，是对技术工作中知识积累的一种总结，未能完全 覆盖和论述列车能量吸收系统的所有概念和内容，仅仅是国内最新地铁列车的吸 能结构的设计理念，可以对指导吸能结构设计开发起到一点作用，但其知识面和 深度还需要进一步深化和研究。 本课题的主要目的是提出吸能碰撞结构的一般建模计算方法，提出国内现运 行新地铁列车的吸能结构设计的理论基础，进而通过综合运用所学知识，研究改 进或开发新的吸能结构。 同时，通过论文的编写，提高自己对吸能结构的设计开发的理论知识，从而， 更好地投入到后续的车辆研发中。学好理论知识和基本技能，达到理论联系实际， 并在此基础上，刻苦钻研，努力奋斗，树雄心，立壮志，攻难关，攀高峰，不断 用先进的理论和生产技术来武装和提高设计水准，密切结合用户需求和国内外市 场动向，创新开发出更多的高质量、高性能、高功能的优良车辆产品，为中国的 轨道事业多作贡献。 1 5 小结 如何提高碰撞时的安全性，需要高容量的车钩缓冲装置与设有撞击能量吸收 l o 变形区的车体结构二者有机结合。日常运营中，车钩缓冲装置连接列车中各车辆 以使之彼此保持一定距离，并且传递和缓和列车在运行中或调车时所产生的纵向 力和冲击力。撞击事故时，撞击能量吸收区与车钩缓冲装置共同有机地完成吸能 任务，确保司乘人员的安全，并使车钩和车体前端的维修量降到最低。 下面从列车撞击过程、吸能级设置理念、建模计算分析、碰撞能量分配等方 面作以研究和阐述。 2 1 引言 第二章列车撞击过程 列车碰撞全过程按相对速度分，宏观看有两个阶段： 1 ) 从两列车碰撞端的各自的密接式车钩与对方接触顶靠开始，被撞列车受推 力加速，撞击列车受反作用力后减速，直到两列车达到同速的过程时，为碰撞破 坏阶段； 2 ) 两列车达到同速滑行开始时计，逐渐减速直到两列车相对地面静止时，为 同速滑行阶段。 2 2 碰撞过程 下面是模拟碰撞过程的五个瞬间照片，从到为碰撞破坏阶段，从到 为同速滑行阶段。 车钩接触时 国 车体接触时 固 压溃过程中瞄 碰撞完成 列车同速 同速滑行 、 露曩 直至停止一 2 3 过程分析 图2 - 1 碰撞过程 假使在两列车碰撞全过程，碰撞端两车钩接触面相对地面的位移是s ，那么， 碰撞破坏阶段其相对地面的位移是s 1 ，同速滑行阶段其相对地面的位移是s 2 ， 如图1 、图2 所示，则： s = s l - i - s2 臼v o = 2 5 k m h 一1 1 - - 图2 2 碰撞破坏阶段 2 4 小结 轨道列车的碰撞吸能过程是一个复杂过程，上述碰撞过程的分析是对车头的 相对速度和位移而言，是一个宏观的分析，却是吸能碰撞系统的主要部分，也是 研究的主体。 两列车碰撞过程中，车钩缓冲器( 包括车厢间的) 、车钩压溃管( 包括车厢间 的) 、剪切螺栓、前端缓冲变形区通过防爬器顺序作用 附录a ，吸收大部分能量， 较小的力传到车体，保证乘客不受伤害，且客室不损坏；吸收能量原理及作用顺 序，见图3 和图4 所示。碰撞动能被车钩缓冲器、压溃管、剪切螺栓、前端变形 区、车体( 弹性变形) 、磨耗生热等方式吸收。 图2 - 4 头车前端碰撞吸能原理图2 5 车厢问碰撞吸能原理 1 4 震 3 1 引言 第三章吸能系统的设计理念 由于车辆在高速碰撞时会产生巨大能量，因此需要合理布置能量吸收系统的 各级吸能环节，应保证每个环节在一种可以控制的方式下，并且最大限度地吸收 能量，达到：1 保证司乘人员的安全；2 车体端部损坏量最小；3 车钩的损坏个 数最少。 图3 和图4 是车辆碰撞时头车和中间车的能量吸收原理曲线图，它反映了碰 撞过程中压缩力与压缩变形量间的关系；图中各区域的能级布置，即为设计的核 心。 基于以上两图吸能过程作以分析。 3 2 车钩缓冲装置的吸能理念 车钩缓冲吸能系统的性能主要取决于缓冲结构的种类。车钩吸能元件主要有： 橡胶缓冲器、压溃管、胶泥缓冲器、气液缓冲器 附录b 。 3 2 1 车钩缓冲器的能级布置 车钩缓冲器区域是指车钩上的可恢复型缓冲器吸收能量，它可以保证车辆正 常运营时各种工况的要求，缓和牵引力和制动力，并且满足车辆正常连挂的要求 ( 一般连挂速度要求为不大于5 k m h ) 。 综合考虑到车钩缓冲装置安装、长度及重量要求，及不同类型的吸能装置应 该满足车辆不同碰撞速度等级的要求，因此可恢复型缓冲器应满足体积小、重量 轻、结构简单、便于维修等要求，瑞典d e l l n e r 公司和德国v o i t h 公司生产的e f g 型环形橡胶缓冲器是比较适合的。 e f g 型橡胶缓冲器具有再生能量吸收特性，可充分保证车辆正常连挂和运行， 牵引载荷和缓冲荷载可被缓冲器里的橡胶环吸收，图5 为的特性曲线，图6 为e f g 3 1 5 缓冲器受缓冲载荷工况时的变形情况。 胶泥缓冲器和气液缓冲器也有很好的缓冲吸能作用，但因其维修费用高，故 在轨道车辆上使用率较低。 撼伸行程 挑绱行程$ r a m 】 图3 1e f g 3 的力与变形曲线 ， ! 。霉i 蔫慝j 霉i 爱缫弱黪。； 镡 穗蔫黪：。 濯掣攀 图3 2e f g 3 变形示意图 3 2 2 车钩压溃管的能级布置 车钩压溃管区域是指车钩上的大容量吸能装置吸收能量。 在车钩缓冲装置上安装的大容量吸能装置也可以是胶泥缓冲器、气液缓冲器。 考虑到在车辆高速碰撞时会产生巨大冲击能量，因此需要此能量吸收装置容量尽 可能大，而且吸收率高；变形压溃管塑性变形后可以吸收很大能量，而且吸收率 为1 0 0 。 目前，国内轨道列车所装车钩上的大容量吸能装置多采用图7 所示的变形压 溃管形式。图8 为变形压溃管压溃过程；变形压溃管产生塑性变形时，顶杆将沿 着导向杆滑动，将外筒撑大，使之变形，从而吸收巨大能量。 图3 - 3 变形压渍管结构剖面图3 4 压溃管压溃过程 1 6 3 2 3 车钩过载剪切装置的能级布置 车钩剪切脱开结构是车钩( 尤其头车) 上的过载保护装置( 多为剪切螺栓) 吸能。 当从车钩缓冲装置上传递到车体底架上的载荷达到车辆所能承受的最大纵向 载荷时，车钩过载保护装置上的设置的螺栓被拉断，车钩脱落到牵引梁里的安全 吊板上，之后两列车相碰端的防爬器啮合。目前常用的剪切结构为装于车钩后座 的类似压溃管式的剪切螺栓。 3 3 车体结构的吸能理念 3 3 1 车体变形区的吸能结构布置 车体结构变形区域一般是指通过车体端部软区压溃变形吸收能量。 在车体碰撞时，车辆端部以承受压缩载荷为主，主要由底架结构承担。 作为碰撞时吸收能量的主要构件有端梁及其后方的中部纵梁、边梁。其中， 中部纵梁、边梁后边的大横梁不要造成破坏变形，因为其后上方有司机台和座椅。 因此，在设计中应该实施仅使端梁( 包括防爬器) 及其后方有限长度( 5 0 0 m m 左右) 的中部纵梁、边梁吸收能的方针，如图1 0 。 图3 5 头车端部设有易变形区 1 7 对于吸收能量的结构，还要求其具有以下4 项功能： ( 1 ) 能够吸收尽量多的撞击能量； ( 2 ) 客室区结构应具有足够的强度和刚度，以承受撞击载荷。 ( 3 ) 装有发生冲撞时能够阻止两列车互相爬叠的防爬器； ( 4 ) 设置一列车撞击贯入另一列车客室区( 包括司机座椅区) 的防撞柱。 列车前端变形区的设计对象是大横梁前方的中部纵梁和边梁，而边梁一般设 置较弱，仅满足结构用即可，因此，主要是设计布置合理的中部纵梁，即我们通 常所称的吸能元件。 吸能元件的失稳破坏力如果大，变形区后方的乘客区就会首先破坏，因此要 尽可能满足上述功能( 2 ) ，吸能元件的失稳破坏力以小为好；另一方面，吸能是 用构件压缩变形量与失稳破坏力积分而实现的，所以，为了吸收大的能量，变形 失稳破坏力又应以大为好。 为了满足这样两种相反且矛盾的要求，吸能构件失稳压坏时的反力，在车体 非变形区具有绝对刚度的前提下应尽量的大，且最好呈现大体上恒定的破坏力， 如图9 曲线c a ) 所示。 如何实现具有如此特性的结构昵? 当使柱状的构件压坏时，对于下图1 1 示意图( a ) 模型那样，柱子被压曲， 塑性变形的产生范围仅局限于长度中间的范围。因此，其反作用力会如图1 1 曲线 ( b ) 所示那样，只最初具有锋利的凿形，随后变形发生大幅下降。因此，无望吸 收大的能量。 图9 曲线( a ) 所示为理想状态，而曲线( b ) 离要求太远。如果象图1 1 示 意图( b ) 模型那样，构成柱子的板一段接一段地局部弯曲压溃，即发生叠缩，则 反作用力与压缩变形量的关系就如图1 1 曲线( c ) 那样，结果能吸收很大的能量， 是我们想要的，我们也应按这个思路去设计吸能元件的结构。 另外，变形速度要影响其屈服和极限强度。动态变形要比静态时提高，强度 增高幅值一般在1 3 至2 5 之间；设计计算时必须考虑其影响。 日：溪爹i 黧凌爨 ( a 努舞变形 聪力艇移羧魏线 s 图3 - 6 吸能元件的选取分析 耘黢缭变形 在车体端部的底架端梁后面装有这种叠缩变形特点的吸能元件，当两车辆防 爬器撞击后，迫使这些吸能元件产生塑性变形，从而吸收巨大冲击能量。 3 3 2 车体吸能结构形式的探讨。 上述3 3 1 中对车体吸能结构的主要理念及吸能结构设置思路进行了分析和 说明，在列车的意外高速碰撞中，参与车体吸能的主要是靠前端车头软区结构， 占车体吸收总能量的8 0 9 0 。目前国内外常用的车头变形软区结构中，吸能 变形结构也主要是采用吸能元件式的叠缩变形特性。 为探讨车体吸能设计，收集整理了国内外车辆吸能结构理念及解析评价方法， 下面是列车撞击安全性设计常用的主要结构形式： 1 、日本1 9 9 4 年开始的e 2 1 7 电车车体吸能的3 项评价标准： 击后司机所在位置的前后方向尺寸确保在一定尺寸内，以保证司机安 全： 控制撞击加速度在限度以下以确保司机、乘客能够承受并避免二次撞击 ( 乘客撞击设备) ； 客室不产生塑性变形。结构大体同e 2 3 1 。 2 、日本第三代不锈钢车的e 2 3 1 车体吸能结构 将司机室所在位置区作为刚性区，而把司机座椅的前后位置空间作为吸能区， 1 9 如图1 所示。 变形区 图3 7e 2 3 1 系近郊车撞击吸能结构思路 3 、a c 列车新撞击吸能结构思路 为提高吸能效果，将车头包括司机座位地板下部( 含侧墙小窗部位) 均作为 吸能区。司机台连同座椅与前端强化框架，作为整个模块在撞击中向后退缩至司 机室侧门区，如图2 所示。 变形区乘务员室客室刚性区 r ! ： i i 囵 日 r 囵 5 ； i 一! 。， 兰!? 耋； i 一 学i - - - 撞击吸能材料 图3 8 撞击吸能新思路 4 、东急出口爱尔兰国铁8 5 1 0 系电车的撞击结构 这种结构有一个被叫做可移动地板的结构。实际上就是上面3 条中所述的a c 2 0 列车撞击吸能思路的实际应用。这种结构正在申请专利。如图3 所示。 一 变形区 撞击前状态撞击后变形状态 图3 9 撞击前后状态 5 、日本川崎重工出口美国地铁使用的r 1 4 2 a 型车辆吸能 川崎重工为出口美国的r 1 4 2 a 型车辆的吸能要求是1 0 2 m j ，车体吸能主要 是车头底架端部承受撞击载荷。 车体、端部、吸能及前端结构如图4 所示。 乍体结构底架结构 防撞柱 图3 - 1 0 美国纽约地铁车体吸能结构 6 、日本川崎重工出口台湾台北市地下铁道车辆的撞击安全性评价方法 台北地铁为6 辆编组。撞击吸能区设在底架端部，车辆两端均设吸能区， 头车大，连接端小。结构如图5 所示。 车钩连接面 吸能结构 2 4 0车钩安装位置边梁 - _ t 一 翻l ， 爿i2 - ：l ， * j 叉 隔 宅 _蚓 陵越l ，l 薹 亨荦r ： 墨南 惑。 日m厂“ 飞 。_ r 、 良 - 。型 = i j l l 一 3 。4 5 0 d m l 司机前端 ( 1 i t e r ：帆) 中梁 车钩连接面 吸能结构 1 2 0 车钩安装位置 ， j i 一 1 刀8 立 ， l - 葺p荨 宅 g 、 一 y 带拣 hnrh i d 固 3k 俗文h捌& n 精 麓r 潜 ， n i tt i ， r， 1 1d 、 i -3 ，1 5 0 l c ii d m i 连接端 图3 - 1 1 台北地铁端底架 计算采用非线性弹簧质点系模型列方程，简化模型如图6 所示。 v o 。芴蝴 c jc，；c=，a 船l材2膳3m 掰5 msm ，m 肼ml 贸i lmn 停止车辆撞击车辆 图3 1 2 列车撞击计算简化模型 7 、北京地铁车体设计理念 通过对上述车辆撞击结构和评价方法的分析，在日本专家的指导下，针对 车辆的吸能结构进行了计算。总的设计理念是采用底架端部吸能形式，利用川 崎出口台北地铁的建立弹簧质点模型列车运动方程和解方程的方法，进行解析 计算。计算参数是采用e f g 3 、3 0 0 r a m 压溃管结构，底架端部设置5 8 0 m m 的压溃区。 nxnrx，xix， x x ，岭 ， ， 膏，睁 x ，呤 善 ， x 厂岭 2 l x 、岭 l l x ，岭 计算结果在2 5 k m h 的速度下一列车与另一列车静止车相撞时，确保客室和司机 所在位置不损坏。 图3 - 1 3 吸能元件式结构 骥鬻麟滋囊囊囊 v 瑚；c 糠熊镀藤突攀瓣 静摩擦保数1 0 瓤_ 皇雾0 勤摩擦缭数 q 躺誊囊i 一一 ”鼍碧? 誓；。，二一? 和弘2 蓦纽角鹜豢攀瓣 l一t 一 ，鬟。爱 i一 图3 1 4 列车撞击计算模型 2 4 焉 童 憋 翅 】 垂 。 一l 缀震豳黼鬻鬻鬻 图3 - 1 5 仿真计算结果之一撞击过程中各车的速度变化图 ! 一l ；茹2 i _ 寰曩爱 二- ；- - 誊霉 i _ 爹 ；6 9 l 謦警7 季 豢彩 i _ 鳞 i 一冀謦1 0 i 毫h 跬囊嚣 8 、a 型地铁车体的吸能设计理念 司机室设计成带底架的六面体结构，车头与车身采用可拆卸的b o m 铆钉铆 接结构，可实现意外撞车后司机室的整体更换。如下面图9 所示。 图3 一1 6 机械铆接结构 3 3 2 车体客室区是指通过车体弹性变形吸能。 车体客室区是指通过车体弹性变形吸能。严格上讲是不允许客室参与吸能的， 然而，列车碰撞时车体受纵向压缩势必要使车体的车身结构产生弹性变形，从而 吸收一少部分能量。 车辆以高速碰撞时，碰撞过程的几级环节已经吸收掉全部或大部分能量，若 有剩余能量，则这部分剩余能量会被客室区域以弹性变形能的形式吸收，因此对 于客室区域的设计，应考虑到车辆在高速碰撞时，客室区域应承受住巨大的冲击 载荷。 假使两列车高速碰撞时，车头软区碰撞压溃时，车身结构受的瞬时平均压缩 力为f ，车身结构刚度为如，车身在总长度上的压缩长度为靠，则有： f = k 。万路；e = f 6 搭= k 。8 搭2 ； 3 4 小结 近年来，国内研发制造的轨道列车，均要求考虑碰撞吸能性能，主要是采用 大容量的车钩缓冲装置和司机室车端底架前部的吸能软区结构；其中，车钩参数 和软区结构的压溃力值及破坏长度的合理选取，是轨道列车碰撞吸能系统设计的 主要目标。建模分析中多利用a n s y s 几s d y n a 3 d 、l s d y n a 和p a m c r a s h 等软件， 通过数值计算来进行碰撞性能评价，从而掌握车辆碰撞吸能结构的开发技术；计 算结果具有相当的精确度，但计算中的影响因素及结果与实际的偏差，还需建立 在实验的基础上对比分析。 2 6 4 1 引言 第四章吸能系统的建模与分析 以一列空载( a w 0 ) 列车以2 5 k m h 的速度与另- - n 停放空载( a w 0 ) 列车相撞 的工况作为研究对象。 两列车编组方式均为：+ t c m t m m t c + ( 6 辆列；t c 车：有司机 室的拖车，t 车：无司机室的拖车，m 车：动车；+ ：自动车钩一：半永久棒式车 钩) 4 2 碰撞系统建模 对两列车形成的碰撞系统进行模型分析，见下面图1 2 所示。 4 3 简化碰撞模型 图4 - 1 建立碰撞分析模型 将碰撞系统模型简化成非线性刚度弹簧连接的质点系碰撞模型，见下面图1 3 所示。 参 m1 e 今 m2 c o m 3 v o = 2 5 k m h c令今 m4m5 堕鱼 - c 今 m6m7m8m9 m l om 1 1m 1 2 4 4 运动方程式提出 运动车辆 x7 x 8 f7f8 c je 3 停止车辆 图4 - 2 质点系碰撞简化模型 基于质点上述碰撞模型得出运动方程： m lx 1 2k l 万2 m 2 x 2 = 一k l 万2 + k2 万3 m ，xj = 一k2 6 l + k3 64 m 4 x 4 = 一k3 万4 + k4 万5 m s xs = 一k4 6s + ks 66 mb xb = 一k s 6b + kb 6 1 m 1 x 1 = 一k6 6 1 + k1 6 一f 1 m 8 x 8 = 一k7 万8 + k8 万9 一 m 9 x9 = 一ks 69 + k9 6 l o f 9 m l o 石l o= 一k 9 4 0+ k 1 0 4 i m l i x i l = 一k l o 五l + k l l 4 2 一z l 肘1 2 x 1 2= - k lj 万1 2 其中： l t = hd 6 i = xi g mi 一工f l ( f = 7 1 2 ) ； o = 2 1 2 ) ； 2 8 f9 c 3 x 1 0 f l o e 3 m i x l k l 万2 = 0 x ” f 1 1 e 3 m l xl + k1 6i k2 6 = 0 m 3 x 3 + k2 艿3 一k3 万4 = 0 m 4 x + k3 6 | 一k4 6s = q m s xs + k 6s ks 66 = q m 6 xh + ks 6b k6 6 1 = q m 1 x1 七k 1 一k 1 6 t f 1 = 0 m 8 x 8 + k7 万8 一k8 万9 + = 0 x 1 2 f 1 2 e 3 m 9 x 9 + k8 万9 一k 9 艿l o + = 0 肘i o x l o + k 9 万i o k i o 万l l + o = 0 m i lx l l + k i o 万l l k i l 万1 2 + l = 0 膨1 2x 1 2 + k 万1 2 + z l = 0 这里： m ，m 。：冲撞列车的车辆质量； x 一x 。：冲撞列车的位移； m ，一m ，：停止( 被冲撞) 列车的车辆质量； x ，一x ，：停止( 被冲撞) 列车的位移； 厶z ：停止( 被冲撞) 列车的摩擦力； d ：动摩擦系数；，：静摩擦系数 4 5 仿真计算 在已知上述边界条件下，输入选取的非线型刚度k ( 力与压缩量关系曲线) ， 输出各接口的所需参数，如：时间与动态力值曲线，时间与压缩变形量曲线，时 间与速度，时间与能量等关系曲线。 4 6 小结 通过对动态力、变形量、速度、能量等输出参数的分析，并反复类比，逐渐 修正设计选取的刚度k ，最后得出合理的数据，以最终确定车钩的各参数和前端软 区的压溃力值。 第五章地铁车辆吸能系统的示例计算与分析 5 1 引言 在实际运营的过程中，总有一些意想不到的事故发生，比如说撞车事故。这 样的事故一旦发生，这就需要保证乘客和司机的安全，尽可能减少撞击对车辆的 损坏。这就需要的车辆上设计并加装能量吸收结构，最大限度地吸收由于车辆撞 击所产生的能量，确保乘客和司机不受到伤害。北京地铁新制车辆的能量吸收结 构在设计的过程中就充分考虑到了这一点。 5 2 吸能系统的计算参数 5 2 1 车辆主要技术指标 附录c ( 1 ) b 型不锈钢车体，使用寿命3 0 年； ( 2 ) 列车编组方式 6 辆n 为：+ t c m t m m t c + + ：半自动车钩 一：半永久棒式车钩 t c 车：有司机室的拖车( 3 0 吨) m 车：动车( 3 5 吨) t 车：无司机室的拖车( 2 9 吨) 图5 - 1 列车编组示意图 ( 3 ) 车体能承受8 0 吨的静压缩载荷而不发生永久变形： ( 4 ) 半自动车钩的基本参数 压溃变形管压缩行程： 3 0 0 m m 压溃变形管塑性变形力：6 8 0 k n 橡胶环缓冲器压缩行程： 5 5 m m 橡胶环缓冲器拉伸行程： 剪切螺栓剪切力： 车钩本身的破坏力： 4 5 m m 8 0 0 k n 1 2 5 0 k n 图5 - 2 半自动密接式车钩 ( 4 ) 半永久棒式车钩的基本参数 压溃变形管压缩行程： 压溃变形管塑性变形力： 橡胶环缓冲器压缩行程： 橡胶环缓冲器拉伸行程： 车钩本身的破坏力： 2 0 0 r a m ( 1 个组) 6 8 0 k n 5 5 m m 4 5 m m 1 2 5 0 k n 图5 - 3 半永久车钩 ( 5 ) 前端吸能软区的布置： 列车驾驶室前端设有5 8 0 m m 的能量吸收区，底架设有4 个吸能元件。 图5 - 4 前端能量吸收区结构示意图 图5 - 5 吸能元件结构尺寸 ( 6 ) 前端吸能结构设计的原则是，当一列空载( a w 2 ) 状态下的列车以2 5 k m h 的速度与一列空载( a w o ) 静止状态下的列车相撞时，车钩缓冲器、车钩压 溃管、前端吸能缓冲区通过防爬器顺序作用，吸收能量，保证司机与乘客 不受伤害，且客室不损坏。 5 3 车体吸能结构的计算分析与评价 5 3 1 概述 3 2 一列6 辆编组的a w 2 状态下的列车以2 5 k i n h = 6 9 4 4 m s e c 的速度撞击一列静 止的( 带停放制动) 6 辆编组的a w o 状态下的列车。运行列车的动摩擦系数i l f 0 0 6 ，静止列车的静摩擦系数u 妒o 3 ，动摩擦系数u 矿0 0 6 。计算时车体假定 为是刚性的( 按6 0 0 0k n 计算) ，列车的撞击模型如图1 所示。 静止的列车 图5 - 6 列车撞击模型 运行的列车 主要相关参数如下： 前端能量吸收区长度5 8 0 m m ； 防爬器齿深按2 4 m m 计算； 半自动车钩伸出防爬器最外面3 8 0 m m ； 半自动车钩的在剪切螺栓剪断后，车钩空走行程为： 3 8 0 一( 3 0 0 + 5 5 ) + 2 4 x 0 5 = 3 7 m m ； t c 车前端理论可压缩行程( 吸能缓冲区+ 半自动车钩) ： 5 8 0 + 3 0 0 + 5 5 + 3 7 = 9 7 2 m m ： 车厢连接端理论允许可压缩行程( 半永久棒式车钩) ： 1 0 0 + 5 5 = 15 5 m m ： 车钩参数已确定，要吸收列车2 5 k m h 撞击所产生的能量，就需要为吸能缓冲 区确定一个合理的压溃力，并且要充分利用前端吸能缓冲区的5 8 0 m 的距离，尽 可能减少能量向后传递，这样可以减少因撞击给车体造成的冲击，减少给乘客造 成的伤害的可能性，同时也减少连挂半永久棒式车钩损坏的个数。要达到这个目 的，需经过很多次试算，才能找到一个合理的数值。 5 3 2 吸能系统计算分析 3 3 1 、假定t c 车前端有吸能区压溃力为2 0 0 0 k n ，前端吸能区刚度特性如下： k c b l 遵e 席翻非棘形r e ( 片俺) c a rb o d yf u s e = 2 0 0 0 k n 莲 半自动密接式车钩力一变形曲线 ( 刚度特性) 娈伸i - 】 半永久棒式车钩力一变形曲线 ( 刚度特性) 根据上述条件计算，得出时间一变形曲线和时间一力曲线，分别见下面两图： 前端压溃力2 0 0 0 k n 时的时间一变形曲线前端压溃力2 0 0 0 k n 时的时间一力曲线 通过对上面两图分析，当t c 车前端吸能区压溃力为2 0 0 0 k n 时： $ 6 - r 1 变形为4 4 9 m m ，吸能区还剩余9 7 2 - 4 4 9 = 5 2 3 m m ； $ 5 - $ 6 、r 1 - r 2 、$ 4 - $ 5 、r 2 - r 3 、r 3 - r 4 变形为2 1 0 1 6 5 m m ，超过了1 5 5 m m ，力 也达到了1 2 5 0 k n 。这5 组棒式车钩已破坏。 由于吸能变形区仅压溃了5 7 ( = 5 8 0 5 2 3 ) ，剩余过长，车钩破坏多，结果不理 想。 2 、假定t c 车前端有吸能区压溃力为1 0 0 0 k n ，前端吸能区刚度特性如下： 半自动密接式车钩力一变形曲线半永久棒式车钩力一变形曲线 根据上述条件计算，得出时间一变形曲线和时间一力曲线，分别见下面两图： 前端压溃力1 0 0 0 k n 时的时间变形曲线前端压溃力1 0 0 0 k n 时的时间力曲线 通过对上面两图分析，当t c 车前端吸能区压溃力为1 0 0 0 k n 时： s 6 - r 1 变形为7 3 1 m ，吸能区还剩余9 7 2 7 3 1 = 2 5 1 m ，车身承受力为1 2 5 0k n ； $ 5 - $ 6 、r 1 - r 2 、$ 4 - $ 5 、r 2 - r 3 变形为1 9 0 - - , 1 7 6 m ，超过了1 5 5 m ，力也达到 了1 2 5 0 k n ，这4 组棒式车钩已破坏。 由于吸能变形区仅压溃了3 2 9 ( = 5 8 0 - 2 5 1 ) ，有较多剩余，如果吸能变形区压 溃剩余在1 5 0 - 2 0 0 间将是希望的。每列车有1 个头钩和2 套棒式车钩破坏，结果 较为理想； 可见前端压溃力降低，可以有效地保护车厢、乘客和减少后面棒式车钩的破 坏数量，下面继续减小，以期找到合适的前端压溃力。 3 假定t c 车前端有吸能区压溃力为7 5 0 k n ，前端吸能区刚度特性如下： ：d ：谨毫i 罪f 嘲刚，嘭，f4( 片侧)c rb o d yf u *= 7so k n 7 0 0 0 戮 戮燃黝戮黝黝缀徽黝 b 0 0 0 黝徽獭 黝缀黝燃 燃 燃 5 0 0 0 缀黝 黝燃燃黝燃 黝黝 = 4 0 0 0 兰 黼黝獭 燃缀黝燃戮黝 器3 0 0 0 瀚獭 戮 黝 渊燃燃燃黝 2 0 0 0 獭黝戮 黝徽黝獭黝黝黝 0 0 8 燃蘩缝割黝 燃缀燃黝獭 0 。o0 。20 40 。6 0 8 拙_ 】1 2 1 4卜6卜82 o 半自动密接式车钩力一变形曲线半永久棒式车钩力一变形曲线 根据上述条件计算，得出时间一变形曲线和时间一力曲线，分别见下面两图： 前端压溃力7 5 0 k n 时的时间一变形曲线前端压溃力7 5 0 k n 时的时间一力曲线 通过对上面两图分析，当t c 车前端吸能区压溃力为7 5 0 k n 时： s 6 一r 1 变形为9 7 8 m m ，吸能区还剩余9 7 2 9 7 8 = - 6 m m ，车身受力达到了6 0 0 0k n ； s 5 一s 6 、r 卜r 2 变形为2 0 5 - - 1 9 5 m ，超过了1 5 5 m ，力也达到了1 2 5 0 k n ，仅这 2 组棒式车钩破坏。 s 4 一s 5 、r 2 一r 3 行程l o l m m ，还有1 5 5 - 1 0 1 = 5 4 盈余，车钩压缩力6 8 0 k n 。 由于s 6 一r 1 已经超过了9 7 2 的行程，在前端能量吸收区长度5 8 0 r a m 已确定的 前提下，显然是无法实现的( 吸能元件不能全部压溃) 。 4 假定t c 车前端有吸能区压溃力为8 7 0 k n ，前端吸能区刚度特性如下： k：h j 重ej 庠侧非j量形盯lc 删)870 i 7 0 0 0 ，黝黝溺黝瓣燃燃黝燃 蜘仰 燃黝 戮缀镞燃燃黝 5 。0 0 獭缀 黝粼缀；罐獭黝燃 暑4 0 0 0 缀黝 黝翳缓：i缓荔黝黝獭 p 0 0 黝戮 獭酝荔蓼 黼缀 臻黝燃 铷0 0 黝黝 黝黼 j 毵斯二 戮燃黝黝黪j 搿 1 0 0 0_ 一 黪溯黝燃 黪鬻荔；： i j 0 - 0o 2o 4 口8 o 8 爱幽- 1 2 】- i 61 82o 0 n0b -黝燃 缀黪燃黝黪獗躐黼搿；瓤麴 “0b 黝：獭燃缓缴燃缓缀囊寡誊荔毵缀 0 e + 0 0 绷黝黝渗荔黝缀黪霪萋荔黪貔缓搦 0 e + 0 8 貔i 锄黟黪魏鬟l 黪4燃黪糍；糍鬻蒜熬黪臻巍瑚 0 e + 0 6 戮i燃麟黝i鬻囊| i 髓缀翳鹈；溅l 藏萎i 荔蓊 0 “06 僦i渤戮缀&黝锈孵-，爨蠹i 冀g 黪缓鹈戮# 0 e + 0 e 黝燃戮瓣缀燃 麟筑骥荔蒙魏缀 o0 z0 40 b0 日i 21 1 be2 j 偿【- 】 半自动密接式车钩力一变形曲线半永久棒式车钩力一变形曲线 根据上述条件计算，得出时间一变形曲线和时间一力曲线，分别见下面两图： 通过对上面两图分析，当t c 车前端吸能区压溃力为8 7 0 k n 时： s 6 - r 1 变形为9 7 2 2 m m ，吸能区还剩余9 7 2 - 9 7 2