城轨车辆钩缓装置配置与头车前端底架的碰撞吸能区设计

1现代城市轨道交通 2/2013MODERNURBANTRANSIT技术装备0前言城轨车辆的安全性主要分为主动安全性和被动安全性。主动安全是以防止碰撞发生的目的而采用的系统和措施，被动安全则是为了降低碰撞事故发生后带来的不利后果。车辆的被动安全性设计主要包括两方面，车辆内部被动安全性（减轻车内乘员受伤）及外部被动安全性（减轻事故所涉及的其他人员和车辆的损失）。被动安全性的基本原则是：(1）降低车辆爬起的危险；(2）以一个可控的方式吸收碰撞能量；(3）保证生存空间和乘客区域的结构完整性；(4）降低加减速度。本文主要介绍如何合理配置城轨车辆钩缓系统和优化头车前端底架的碰撞吸能区，使车体前端有合理的缓冲和压溃空间，各级吸能区能合理地依次发生作用，在吸收更多碰撞动能的同时，降低二次碰撞速度和减速度，从而更好地保护司机和乘客。1车辆被动安全性设计理念1.1设计理念和依据EN12663《Railwayapplication-Structuralrequirementsofrailwayvehiclebodies》（铁路车辆车体结构要求）标准中，对车端静态压缩载荷的要求，是为了保证在碰撞事故中给乘客提供基本生存区域结构的完整性，而EN15227-2008《车体防撞性要求标准》是从被动安全防护的角度考虑，提高车辆前端结构的防撞能力，两者都是为了提高车辆的被动安全性。1.2车辆被动安全性设计为了提高车辆前端结构的防撞能力，目前，国内的大部分城轨车辆在设计时，采用4级吸能结构：第1级为钩缓装置中的缓冲器压缩吸能，第2级为钩缓装置中的压溃管压溃吸能，第3级为钩缓装置中的过载保护装置失效时吸能，第4级为头车前端底架的碰撞吸能区吸能。1.3各级吸能结构设计吸能能量分配目前国内城轨车辆4级吸能结构的吸能过程能量分配如下。(1）车辆正常联挂速度下(≤7.5km/h)，产生的冲击能量全部由钩缓装置中的缓冲器吸收，压溃管不动作，过载保护装置不动作，头车前端底架的碰撞吸能区不变形，车体结构不变形、不受损。(2）当2列空载（AW0）列车以15km/h相对速度相互碰撞时，冲击能量全部由钩缓装置中的缓冲器和压溃管吸收，过载保护装置不动作，头车前端底架的碰撞吸能区不变形，车体结构不变形、不受损，传递到乘客身上的加速度值在允许极限范围内。(3）当2列AW0列车以≥15城轨车辆钩缓装置配置与头车前端底架的碰撞吸能区设计臧兰兰摘要：为了提高车辆的被动安全性，需提高车辆前端结构的防撞能力，城轨车辆需满足2列空载列车相对速度25km/h的碰撞要求。主要阐述如何合理配置车辆钩缓装置中的前3级吸能结构能量，并通过ISIGHT软件，优化第4级吸能结构，即头车前端底架的碰撞吸能区，使车辆4级吸能结构能够合理有序变形，吸收更多能量。关键词：城轨车辆；防撞性；配置；钩缓装置；碰撞吸能区臧兰兰：大连机车车辆有限公司城轨技术开发部，高级工程师，辽宁大连1160212MODERNURBANTRANSIT2/2013现代城市轨道交通技术装备km/h相对速度相互碰撞时，过载保护装置失效，吸收少部分能量。（4）当2列AW0列车以25km/h相对速度相互碰撞时，除缓冲器、压溃管及过载保护装置参与能量吸收外，设置在头车前端的防爬器接触，其后部的碰撞吸收区变形参与能量吸收，吸收碰撞产生的全部剩余能量，但车体不爬起，司机室结构变形区以后的客室部分不发生变形。24级吸能装置2.1车辆缓冲器缓冲器主要包括橡胶缓冲器、胶泥缓冲器、气液缓冲器等。2.1.1橡胶缓冲器橡胶缓冲器（图1）安装在车钩座内，当刚性杆受力推动橡胶环时，橡胶环产生阻抗力，来达到吸能目的。外力失效后，橡胶环恢复到初始状态。橡胶缓冲器是可恢复式缓冲器。2.1.2胶泥缓冲器胶泥芯子封闭在壳体内，当刚性杆推动胶泥芯子时，胶泥芯子产生阻抗力，反作用于刚性杆，来达到吸收能量的目的。当作用于胶泥芯子的作用力消失后，胶泥芯子会自动恢复到原来状态。胶泥缓冲器也是可恢复式缓冲器（图2）。2.1.3气液缓冲器气液缓冲器的原理是利用气体和液压油的压缩来实现吸能的可恢复式吸能元件。气体的可压缩性产生的能量吸收较小，用于低速撞击，液压油压缩产生的能量吸收较大，一般可用于较高速度撞击。2.1.4各种形式缓冲器性能参数比较（表1）选用何种缓冲器，取决于不同冲击速度下，车辆对能量吸收的要求。2.2压溃装置压溃装置通过可压溃筒体的变形来吸能。当车钩受到一定力的撞击时，压块推动可压溃筒体，使筒体变形，达到吸能的目的（图3）。可以根据不同能量要求，来配置压溃管的稳态力和行程。2.3过载保护装置过载保护装置的作用是使车钩和车体分离，吸能较少。当车钩的作用力超过过载保护装置的强度时，使车钩与车体脱离，头车底架前端的碰撞吸能区作用。2.3.1压溃式过载保护螺栓过载保护螺栓安装于车体安装板和车钩冲击板之间。当钩缓装置受到的压缩载荷达到过载保护装置额定触发力时，装置上的收缩套将发生收缩变形，外径将小于安装孔，车钩冲击板的过载保护螺栓最终将滑出安装孔，冲击板与车体安装板脱离，车钩在压缩力的作用下从车体脱落并向后运动（图4）。2.3.2拉断式过载保护螺栓过载保护螺栓安装于车体安装板和车钩冲击板之间。当钩缓装置城轨车辆钩缓装置配置与头车前端底架的碰撞吸能区设计臧兰兰图2胶泥缓冲器图3压溃装置图1橡胶缓冲器表1缓冲器性能参数比较橡胶缓冲器胶泥缓冲器气液缓冲器恢复可可可能量吸收较小较大气体可吸收能量小，液压油吸收能量大，共同作用。拉、压都可以都可以都可以初始力较小较大较小能量吸收率/%30～4060～7080特点易老化结构简单结构复杂，密封困难3现代城市轨道交通 2/2013MODERNURBANTRANSIT技术装备受到的压缩载荷达到过载保护装置额定触发力时，装置上的螺栓将被拉断，冲击板与车体安装板脱离，车钩在压缩力的作用下可以向后运动（图5）。2.3.3剪切式过载保护装置剪切式过载保护装置安装于车钩座内。当钩缓装置受到的压缩载荷达到剪切元件的触发力时，剪切元件失效，车钩与车钩座脱离，车钩通过车钩座上的孔向后运动。2.4底架碰撞吸能区在头车底架前端设置防爬器，保证车辆在撞击过程中2车不爬叠，防爬器后部的碰撞吸能区发挥作用。碰撞吸能区采取弱化轻度设计，采取挖孔梁结构。挖孔梁采用薄壁筒形结构，梁上挖孔，受力后，挖孔梁变形吸能。防爬器及吸能区结构如图6所示。为了保证碰撞吸能区的挖孔梁结构能沿纵向稳定地变形，设计时，利用“碰撞响应的结构拓扑优化方法”，结合ISIGHT软件辅助寻优，对底架挖孔梁进行开孔诱导结构的优化计算。通过优化计算得到合理的设计结构，使吸能区的触发力达到设计要求，压溃过程中压溃力波动范围小，以最大限度吸收能量。优化后的吸能梁压溃状态如图7所示。优化后的行程-压溃力曲线如图8所示。3碰撞吸能的仿真计算按照4级吸能原理，通过对前城轨车辆钩缓装置配置与头车前端底架的碰撞吸能区设计臧兰兰图4压溃式过载保护螺栓图6防爬器及吸能区端碰撞吸能区的拓扑优化，对2列列车进行25km/h相对速度碰撞仿真计算，碰撞后车体变形如图9、图10所示，加速度如图11、图12所示。从图9、图10车体变形结果可以看出，在列车以25km/h撞击时，该车在碰撞过程中只有车体前端碰撞主吸能块发生褶皱变形，而车体前端部件只发生轻微变形，乘客区基本不发生任何变形。由此可知4级吸图5拉断式过载保护螺栓图7吸能梁压溃状态图8优化后的行程-压溃力曲线行程/mm压溃力/kN4MODERNURBANTRANSIT2/2013现代城市轨道交通技术装备城轨车辆钩缓装置配置与头车前端底架的碰撞吸能区设计臧兰兰能符合防撞性设计理念。此外，从图11、图12可以看出，撞击过程中，大部分时间内撞击加速度都在20g以内，在撞击过程中，只是瞬间产生最大的加速度，而且持续时间很短，符合防撞性设计中加减速度要求。4各级吸能结构强度及触发力关系按照各级吸能之间的先后起作用原则，它们之间的关系应为：缓冲器应在很小的压力下就动作，当缓冲器全部作用完失效后，压溃管动作；压溃管的触发力需大于缓冲器全部行程的作用力；当压溃管压溃到行程后，过载保护装置动作，过载保护装置的触发力需大于压溃管全行程作用力，但小于车体结构能承受的纵向压缩载荷；过载保护装置动作后，车钩与车体脱离，头车前端底架碰撞吸能区开始起作用；吸能区压溃触发力原则上不超过车体的纵向压缩强度。车钩前端伸出头车防爬面的距图9t=0ms车体变形情况图10t=390ms车体变形情况离应大于缓冲器和压溃管的工作行程，这样才能保证缓冲器和压溃管完全吸能后，过载保护装置动作，防爬器完全接触。5总结为了使车辆的防撞性设计趋于合理，需合理分配各级吸能结构的吸能能力，依照吸能能力合理选择各级吸能结构元件参数，使车辆的各级能量区能沿纵向有序发生作用，使传递到乘客区的作用力和加速度能保证乘客不受损伤。参考文献[1]陆冠东.铁道车辆的耐碰撞性设计[J].铁道车辆，2007（10）.[2]MarkusSeitzberger.城轨车辆碰撞安全性的现代设计理念[J].崔培兴译.现代城市轨道交通，2005（1）.收稿日期2012-06-13责任编辑冒一平图11波纹地板区的加速度—时间曲线图12前端的加速度—时间曲线加速度/mm.(ms)-2加速度/mm.(ms)-2时间/ms时间/msConfigurationofUrbanRailVehicleCouplerandDraftGearandDesignofCrashAreaofFirstCarFrontChassisZangLanlanAbstract:Inordertoimprovethepassivesafetyofvehicles,increaseofimpactresistanceofstructureofthefrontendofvehicleisneeded.Urbanrailvehiclesmustmeetthecollisionrequirementsofrelativespeedofthetwono-loadtrainat25km/h.Thepapermainlydescribesreasonabledeviceconfigurationforthefirstthreelevelenergyabsorbingstructuresinthevehiclecouplerdraftgear.WithISIGHTsoftware,fourthlevelenergyabsorbingstructureisoptimized,namelyatcrashareaofthefrontchassis,andthevehiclewithfourlevelenergyabsorbingstructurecanreasonablyandorderlydeformtoabsorbmuchmoreenergy.Keywords:urbanrailvehicles,crashworthiness,configuration,coupleranddraftgear,collisionenergyabsorbingzones