出口阿根廷客车防碰撞车体结构研究

陈海俊　田菲　杜彦品

摘要：为了设计阿根廷客车耐碰撞车体，文章分别对车钩箱车体结构和牵引梁车体结构进行了优化以及仿真计算和对比分析，并对车体防爬吸能装置进行了优化设计和试验验证，为轨道车辆防碰撞车体结构设计提供了理论参考。

关键词：阿根廷客车；防碰撞车体结构；车钩箱车体结构；牵引梁车体结构；防爬吸能装置 文献标识码：A

中图分类号：U270 文章编号：1009-2374（2015）33-0003-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.33.002

1 概述

近几年，由于阿根廷几次的交通事故，目前阿根廷交通管理部门强制要求新采购的车辆要充分考虑车体的耐碰撞性，满足EN15227标准的要求，不符合这个标准就很难获得审批。

2 车体耐碰撞系统设计思路

2.1 车体碰撞设计思路

列车吸能装置的种类繁多，主要有车钩缓冲装置、防爬吸能装置等，它们与列车车体结构中能够诱发局部变形从而吸收撞击能量的“易变形区域”一起组成了列车的被动安全防护系统。在列车发生碰撞事故时，根据不同的碰撞形式和碰撞程度，这些吸能装置分别作用，从而使乘客和司机能够得到保护，通常分为如下三个阶段：（1）正常调车阶段：车辆连挂或者紧急制动等情况，此时车钩缓冲器吸收车辆动能，车钩压馈管和防爬器不动作，此时车体和吸能装置可恢复；（2）轻微碰撞或低速碰撞阶段：车钩缓冲装置缓冲器走完行程，安装于车体端部的车钩压馈管装置和防爬器发生作用，吸收冲击和纵向力，耗散碰撞能量，压馈管和防爬器发生塑性变形，变形不可恢复，此时车体不发生损坏，只需更换压馈管和防爬器等吸能部件；（3）高速碰撞阶段，除了车钩缓冲装置、车体端部弱刚度部位的防爬吸能装置等完全发挥吸能作用外，车体结构中可变形区域也将发生塑性变形以吸收高速碰撞所带来的巨大能量，此时车体变形可控，变形发生在无人区域。

2.2 吸能装置设计思路

吸能装置的吸能特性主要决定于金属吸能元件的性能，因此用于轨道车辆上的能量吸收元件应具有以下的性能要求：（1）碰撞动能应能够尽量不可逆地完全转换成变形能（除缓冲器外）；（2）在碰撞过程中，能量吸收装置应具有稳定的变形模式，即吸能元件在碰撞事件中能以相对固定的模式吸收碰撞能量；（3）在吸收能量的过程中应能够控制碰撞力和碰撞减速度的变化，将过载控制在人体伤害极限范围内，以保护乘客的生命安全；（4）为了使减速度最小，并吸收更多的能量，吸能元件应能提供足够长的变形行程，而且在变形前不占据过大的空间，变形后不造成次生破坏（例如侵穿或碎片飞裂等）；（5）吸能元件应该具有较轻的质量和良好的“比吸能”，即尽量使单位质量所吸收的能量最高；（6）能量吸收元件通常是一次性使用的，应具有结构简单、成本低廉等特点，并且易于制造和更换。总之，吸能元件不仅应具有有效行程长和冲击力平稳等特点，还应该保证具有较高的总吸能和比吸能的特点。

3 阿根廷客车车体结构设计

阿根廷圣马丁线城市列车由7～9辆车辆编组，其中首尾车为行李合造车，一辆机车牵引组成。机车与车辆之间采用全自动车钩连接，车辆之间采用本永久车钩连接，车体端部设置防爬器，编组两端无风挡，中间采用折棚风挡。车体强度符合《铁道应用—轨道车身的结构要求》（EN12663：2010）中定义的P-Ⅲ要求，最大压缩力为800kN，最大拉伸力为650kN。车体结构各部件主要材料为耐候钢，板厚大于6mm的采用低合金高强度结构钢。车体钢结构采用薄壁筒形整体承载无中梁全钢焊接结构，由底架、侧墙、车顶、端墙组成，车体钢结构两侧各设两个大拉门，车窗大，窗间距小，对车体的强度和刚度提出了很高的要求，其结构特点如下：底架横梁、侧墙立柱、车项弯梁主结构设计成封闭环结构；在大拉门处底架边梁设计成双槽钢结构；侧门框为方形结构；侧梁上边梁在门口处设计成封闭断面；大拉门门角加焊圆角，避免应力集中。在窗角处加焊圆角，避免应力集中。

4 数值仿真计算

4.1 车钩纵向冲击性能计算

为了研究阿根廷客车以不同速度撞击车档时，车钩力及缓冲系统能量吸收情况。采用专用列车纵向动力学计算程序，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单自由度（纵向）质点，通过对质点系运动微分方程组的逐步求解计算整个碰撞过程各个车位的加速度、车钩力、速度历程曲线，研究不同工况下钩缓装置的受力情况和能量吸收情况，计算依据如下所示：

车钩压馈管不触发前的位移力曲线 车钩压馈管走完行程时的位移力曲线

图1 车钩吸能特性

按照标准规定的工况计算：四辆编组的阿根廷客车撞击车档时压溃管触发前能达到的最大速度为4.2km/h；压溃管行程走完时能达到的最大速度为7.4km/h，车钩压馈管触发前后的位移-力曲线如图1所示。

4.2 防爬器吸能强度计算和实验对比

为了更好地对吸能防爬装置试验件进行准静态压缩试验，同时对数值模型的仿真结果进行验证，在进行静态压缩试验之前，首先根据该装置的设计图纸，建立了其详细的有限元模型，并基于LS-DYNA进行了仿真分析。试验件最大压缩量为114.89mm，约为总行程的40%，最大压缩载荷为1270.6kN，从实验数据计算出其能量大约为88.5kJ，若考虑75%的压缩行程，根据线性插值原理，计算出吸能量约161.7kJ，与仿真值170.05kJ较为接近，防爬器变形有序，吸能情况乐观。

4.3 整车碰撞吸能研究计算

为了掌握铁道车辆的碰撞特性，分别设计出了4种类型的吸能防爬装置，并选择其中性能最匹配的方案安装于牵引梁车体和车钩箱车体上，各自建立了两列车的非线性大变形碰撞动力学有限元力学模型，并应用LS-DYNA非线性大变形分析计算软件，展开包括吸能装置和车体结构的碰撞特性研究，得到能够满足EN15227标准CII类要求的优化车体方案。

通过对牵引梁车体和车钩箱车体两种车体结构的计算分析，车体均可满足EN15227标准CII类的要求，两种车体结构的碰撞情况如下：（1）平均减速度方面，配置新型防爬吸能装置的车钩箱结构列车，碰撞过程中客车纵向平均减速度最大值为3.839g；配置新型防爬吸能装置的牵引梁结构列车，纵向平均减速度最大值为3.696g。相比于车钩箱结构，牵引梁结构其救生空间的纵向最大平均减速度值更小，但是均小于标准规定的5g要求。（2）乘客生存空间变形方面，配置新型防爬吸能装置的车钩箱结构列车，在整个碰撞过程中，乘客生存空间纵向长度变化量最大值为13.488mm；配置新型防爬吸能装置的牵引梁结构列车，在整个碰撞过程中乘客生存空间纵向长度变化量最大值分别为13.229mm。相比于车钩箱结构，牵引梁结构其乘客生存空间纵向长度变化量更小，但是均小于标准规定的50mm要求。（3）防爬方面，配置新型防爬吸能装置的车钩箱结构列车，轮对与轨面间的最大垂向距离为16.324mm；配置新型防爬吸能装置的牵引梁结构列车，整个碰撞过程中，轮对与轨面间的最大垂向距离为11.359mm，二者各轮对于轨面间的最大垂向距离相差不大，且都不会发生爬车现象，都能满足标准EN15227的要求。（4）能量方面，配置新型防爬吸能装置的车钩箱结构列车其各防爬吸能装置吸能量为1029.400kJ，车体吸能量为3816.167kJ，牵引梁结构列车其各防爬吸能装置吸能量为1026.200kJ，车体吸能量为3692.948kJ，相比于车钩箱客车，牵引梁客车其车体吸能量略小。

5 结语

通过对车体结构的不断优化，对两种车体进行了数值模拟分析，牵引梁优化车体结构配置方案防爬装置后，根据EN15227标准要求，按碰撞场景1（1辆机车+9辆客车）进行了碰撞分析，结果表明该车体结构其各项耐碰撞性能指标都满足了标准EN15227的要求，在场景1时的最大碰撞速度增加到了36km/h；车钩箱车体在场景1时的最大碰撞速度增加到了35km/h。

作者简介：陈海俊（1981-），男，河南林州人，供职于南车南京浦镇车辆有限公司客车设计部，中级职称，硕士。

（责任编辑：周 琼）