高速列車(chē)吸能結(jié)構(gòu)研究與明線交會(huì)安全評(píng)估.pdf

1、隨著高速列車(chē)在我國(guó)的迅速發(fā)展，鐵路安全的問(wèn)題越來(lái)越受到關(guān)注，尤其是高速運(yùn)行的列車(chē)一旦發(fā)生撞擊事故，所導(dǎo)致的人身傷害和財(cái)產(chǎn)損失無(wú)法估量。歐美發(fā)達(dá)國(guó)家于20世紀(jì)90年代開(kāi)始，開(kāi)始對(duì)車(chē)輛碰撞展開(kāi)大量研究。我國(guó)鐵道部也聯(lián)合部分高校、研究所等成立了引進(jìn)技術(shù)消化吸收再創(chuàng)新技術(shù)研究組。已有的研究表明，當(dāng)一列高速列車(chē)發(fā)生撞擊時(shí)，頭部首先參與沖擊過(guò)程，力沿著牽引梁再傳入邊梁形成一個(gè)力的傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)。同時(shí)由于撞擊是沖擊載荷，產(chǎn)生的應(yīng)力波會(huì)傳向后方并發(fā)生多次反射

2、透射。由于車(chē)體內(nèi)部結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，因此應(yīng)力波的傳播過(guò)程也非常復(fù)雜。高速列車(chē)在正常運(yùn)行時(shí)，需要有足夠的剛度，并滿足規(guī)范規(guī)定的剛度和強(qiáng)度要求，當(dāng)撞擊發(fā)生時(shí)，為了減輕碰撞事故造成的損失，實(shí)現(xiàn)被動(dòng)安全保護(hù)，因此需要研究和設(shè)計(jì)出針對(duì)高速列車(chē)自身特點(diǎn)的吸能緩沖結(jié)構(gòu)。理想的車(chē)輛吸能結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)位于車(chē)體的前后部分，在可控制的變形區(qū)域內(nèi)發(fā)生塑性變形，吸收撞擊動(dòng)能，同時(shí)保障乘客區(qū)域不發(fā)生嚴(yán)重破壞，并且在碰撞過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的撞擊力峰值，使撞擊減速度在人體的承受

3、范圍內(nèi)。本文結(jié)合具體實(shí)驗(yàn)研究，在原有車(chē)輛基本承載結(jié)構(gòu)不進(jìn)行大改動(dòng)的前提下，新增了以薄壁圓管填充泡沫鋁為主體的專用吸能結(jié)構(gòu)。通過(guò)有限元模擬，對(duì)原有車(chē)型和改進(jìn)后的車(chē)型進(jìn)行了耐撞性分析和比較，根據(jù)數(shù)據(jù)比較和分析，得出改進(jìn)增加的吸能結(jié)構(gòu)在緩沖吸能方面的優(yōu)勢(shì)，并為車(chē)輛的實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。
　　高速列車(chē)在實(shí)際運(yùn)行情況下，由于交會(huì)，會(huì)在兩車(chē)之間產(chǎn)生一列移動(dòng)的載荷壓力波，該瞬態(tài)載荷波的波長(zhǎng)、幅值等物理特征由列車(chē)的交會(huì)速度、線間距、車(chē)頭的幾

4、何形狀等因素決定，現(xiàn)有的研究表明，由于交會(huì)壓力波的作用，會(huì)對(duì)高速行駛列車(chē)的安全性和平穩(wěn)性帶來(lái)影響。本文采用多體動(dòng)力學(xué)的方法建立了高速列車(chē)中間車(chē)廂的模型，并將移動(dòng)載荷波簡(jiǎn)化為作用在列車(chē)質(zhì)心的力和力矩，通過(guò)比較相同運(yùn)行速度下，單車(chē)行駛和等速明線交會(huì)的，車(chē)體擺動(dòng)、輪軸橫向力、脫軌系數(shù)、輪重減載率等列車(chē)安全性能指標(biāo)，說(shuō)明明線交會(huì)所產(chǎn)生的壓力波對(duì)高速列車(chē)運(yùn)行安全性所帶來(lái)的影響。
　　本文建立了某型高速列車(chē)頭車(chē)的有限元模型。數(shù)值模型為車(chē)頭以v

5、=10 m/s和20 m/s的初始速度撞擊剛性墻（相當(dāng)于列車(chē)以72 km/h和144 km/h的運(yùn)行速度追尾一列相同的靜止列車(chē)），由于該種動(dòng)車(chē)的日常行駛速度為200km/h以下，因此此種撞擊速度已經(jīng)足夠滿足安全條件。車(chē)鉤在列車(chē)起動(dòng)及剎車(chē)時(shí)，會(huì)吸收一部分能量，但是相對(duì)于本次仿真系統(tǒng)的撞擊能量，車(chē)鉤吸收的能量較小，并在較短的時(shí)間內(nèi)脫落，對(duì)耐撞性分析影響很小，因此忽略車(chē)鉤在撞擊事件中的作用。計(jì)算中事件時(shí)長(zhǎng)為300 ms。通過(guò)耐撞性分析得到原有

6、承載吸能結(jié)構(gòu)牽引梁的吸能時(shí)程曲線剛性墻撞擊反力以及車(chē)體破壞情況。
　　通過(guò)數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，原有的結(jié)構(gòu)吸能部件牽引梁在撞擊發(fā)生時(shí)，主要發(fā)生歐拉失穩(wěn)，不利于能量的吸收和沖擊力的緩沖，因此結(jié)合實(shí)驗(yàn)，針對(duì)只能對(duì)原有車(chē)輛設(shè)計(jì)做局部改進(jìn)以及車(chē)體不加長(zhǎng)的實(shí)際情況，提出了四種改進(jìn)方案，將牽引梁的主體部分有原來(lái)的方管結(jié)構(gòu)改為有圓角的方管，并在前端共軸位置增加具有同樣結(jié)構(gòu)的吸能管。通過(guò)數(shù)值計(jì)算得到了四種方案兩種撞擊速度下?tīng)恳何芮€和剛性墻反力曲線，

7、并比較了四種改進(jìn)方案的吸能性能和四種方案下主要吸能結(jié)構(gòu)的變形模式和吸能規(guī)律。結(jié)果發(fā)現(xiàn)最好的改進(jìn)方案在10m/s的速度下，可以使吸能相對(duì)原設(shè)計(jì)提高322％，反力峰值降低12％;在20m/s速度下，吸能提高288％，反力峰值降低36％，效果顯著。
　　采用多體動(dòng)力學(xué)方法模擬了高速列車(chē)中間車(chē)廂在六種等速(250～500 km/h)明線交會(huì)時(shí)產(chǎn)生的壓力波和德國(guó)高速低干擾軌道譜的共同作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程，得到車(chē)體自由度（橫擺、側(cè)滾、搖頭）、

8、輪軸橫向力、脫軌系數(shù)和輪重減載率隨時(shí)間的變化曲線，并與相應(yīng)車(chē)速下未受交會(huì)壓力波作用的單車(chē)行駛時(shí)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明，除輪重減載率以外，列車(chē)的其余各項(xiàng)安全指標(biāo)均滿足要求，其中輪軸橫向力與脫軌系數(shù)兩項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到優(yōu)秀標(biāo)準(zhǔn)，而車(chē)體的自由度和輪重減載率受交會(huì)壓力波的影響明顯。明線交會(huì)時(shí)車(chē)體的橫擺和搖頭遠(yuǎn)超過(guò)單車(chē)行駛情況。400 km/h以上速度時(shí)，輪重減載率嚴(yán)重超標(biāo)。相比歐美國(guó)家對(duì)輪重減載率指標(biāo)的安全標(biāo)準(zhǔn)，我國(guó)對(duì)動(dòng)態(tài)輪重減載率的標(biāo)準(zhǔn)過(guò)于保守，