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

1、隨著高速列車在我國的迅速發(fā)展，鐵路安全的問題越來越受到關(guān)注，尤其是高速運(yùn)行的列車一旦發(fā)生撞擊事故，所導(dǎo)致的人身傷害和財(cái)產(chǎn)損失無法估量。歐美發(fā)達(dá)國家于20世紀(jì)90年代開始，開始對(duì)車輛碰撞展開大量研究。我國鐵道部也聯(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)一列高速列車發(fā)生撞擊時(shí)，頭部首先參與沖擊過程，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。由于車體內(nèi)部結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，因此應(yīng)力波的傳播過程也非常復(fù)雜。高速列車在正常運(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)高速列車自身特點(diǎn)的吸能緩沖結(jié)構(gòu)。理想的車輛吸能結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)位于車體的前后部分，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，并且在碰撞過程中不會(huì)產(chǎn)生過大的撞擊力峰值，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)。通過有限元模擬，對(duì)原有車型和改進(jìn)后的車型進(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)，并為車輛的實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。
　　高速列車在實(shí)際運(yùn)行情況下，由于交會(huì)，會(huì)在兩車之間產(chǎn)生一列移動(dòng)的載荷壓力波，該瞬態(tài)載荷波的波長、幅值等物理特征由列車的交會(huì)速度、線間距、車頭的幾

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)高速行駛列車的安全性和平穩(wěn)性帶來影響。本文采用多體動(dòng)力學(xué)的方法建立了高速列車中間車廂的模型，并將移動(dòng)載荷波簡化為作用在列車質(zhì)心的力和力矩，通過比較相同運(yùn)行速度下，單車行駛和等速明線交會(huì)的，車體擺動(dòng)、輪軸橫向力、脫軌系數(shù)、輪重減載率等列車安全性能指標(biāo)，說明明線交會(huì)所產(chǎn)生的壓力波對(duì)高速列車運(yùn)行安全性所帶來的影響。
　　本文建立了某型高速列車頭車的有限元模型。數(shù)值模型為車頭以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），由于該種動(dòng)車的日常行駛速度為200km/h以下，因此此種撞擊速度已經(jīng)足夠滿足安全條件。車鉤在列車起動(dòng)及剎車時(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，因此忽略車鉤在撞擊事件中的作用。計(jì)算中事件時(shí)長為300 ms。通過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體破壞情況。
　　通過數(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)原有車輛設(shè)計(jì)做局部改進(jìn)以及車體不加長的實(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。通過數(shù)值計(jì)算得到了四種方案兩種撞擊速度下牽引梁吸能曲線和剛性墻反力曲線，

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中間車廂在六種等速(250～500 km/h)明線交會(huì)時(shí)產(chǎn)生的壓力波和德國高速低干擾軌道譜的共同作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程，得到車體自由度（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)車速下未受交會(huì)壓力波作用的單車行駛時(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)車體的橫擺和搖頭遠(yuǎn)超過單車行駛情況。400 km/h以上速度時(shí)，輪重減載率嚴(yán)重超標(biāo)。相比歐美國家對(duì)輪重減載率指標(biāo)的安全標(biāo)準(zhǔn)，我國對(duì)動(dòng)態(tài)輪重減載率的標(biāo)準(zhǔn)過于保守，