車體彎曲對(duì)爬車程度影響的研究

徐世洲

(同濟(jì)大學(xué)鐵道與城市軌道交通研究院，上海 200092)

近幾年來(lái)，我國(guó)的高速鐵路得到了飛速的發(fā)展。隨著第六次大提速的實(shí)施，列車速度等級(jí)不斷提升，所具備的能量也不斷增加，發(fā)生碰撞事故時(shí)產(chǎn)生的危害也不斷增大。例如2011年溫州動(dòng)車事故造成40多人死亡，200多人受傷。各國(guó)科研人員為了提高列車碰撞過程中乘員的安全性，對(duì)此進(jìn)行了深入的研究，并形成了相應(yīng)的設(shè)計(jì)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)[1-4]。研究發(fā)現(xiàn)，在列車碰撞過程中，車輛的端部結(jié)構(gòu)分為三部分逐級(jí)吸收碰撞能量；同時(shí)，列車在碰撞過程中相鄰車輛之間容易出現(xiàn)相互爬車的現(xiàn)象，爬車的程度直接影響到乘員的安全性[5]。在乘員舒適性、列車平穩(wěn)性等方面，已經(jīng)有考慮彎曲剛度的案例[6-9]。但是在碰撞領(lǐng)域，多體動(dòng)力學(xué)中一般將車體模擬成剛性體，雖然簡(jiǎn)化了模型，但是沒有考慮到車體的彎曲剛度。為此，本文將是否考慮彎曲剛度的情況進(jìn)行了對(duì)比，研究了彎曲剛度對(duì)車輛爬車程度的影響，并討論了影響彎曲剛度的因素。

1 列車碰撞仿真模型

1.1 車輛動(dòng)力學(xué)模型

利用多體動(dòng)力學(xué)軟件Simpack建立兩列車的 碰撞仿真模型，每列車均由三節(jié)車組成，相鄰車輛之間通過彈簧吸能元件連接，如圖1所示。每個(gè)車輛結(jié)構(gòu)中包含車體、轉(zhuǎn)向架、輪對(duì)等部件，其中一系懸掛包含三方向線性彈簧和減振器，二系懸掛包含彈簧、抗側(cè)滾扭桿、橫向止擋以及垂向和橫向的減振器。車輛的具體參數(shù)見表1[10]。

圖1 列車碰撞動(dòng)力學(xué)模型表1 車輛模型計(jì)算參數(shù)

參數(shù)取值車體質(zhì)量/kg32 000轉(zhuǎn)向架質(zhì)量/kg2 615輪對(duì)質(zhì)量/kg1 813一系垂向剛度/(N·m-1)1.8×106一系橫向剛度/(N·m-1)3.9×106一系縱向剛度/(N·m-1)3.1×107二系垂向剛度/(N·m-1)4.6×105二系橫向剛度/(N·m-1)1.6×105二系縱向剛度/(N·m-1)1.6×105滾動(dòng)圓半徑/m0.46車鉤距軌面高度/m1.05

1.2 考慮彎曲剛度的車體建模

在車體模型中考慮彎曲剛度的影響，將車體中間分為兩部分，用0號(hào)鉸接連成一體模擬不考慮彎曲剛度的車體，用2號(hào)鉸接來(lái)模擬考慮彎曲剛度的車體。根據(jù)資料，在中間鉸接點(diǎn)設(shè)置一個(gè)力元，y方向的彎曲剛度設(shè)置為6.0×108N·m/rad，3個(gè)方向的阻尼設(shè)置為1.0×104N·m·s /rad。左右兩半車體的質(zhì)心都設(shè)置在原完整車體的位置，高度為-1.8m。

2 列車碰撞仿真分析

2.1 列車直線碰撞

使用EN15227中定義的場(chǎng)景，模擬兩列相同列車之間的碰撞，其中撞擊列車以36km/h的速度撞擊靜止的列車。在仿真過程中，選取兩列車車鉤的位置作為撞擊的作用點(diǎn)，點(diǎn)A位于撞擊列車，點(diǎn)B位于靜止列車，初始狀態(tài)下車鉤距軌面高度1.05m。

車體在不考慮彎曲剛度情況下模擬碰撞的過程，由于在碰撞力作用下發(fā)生點(diǎn)頭運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致A,B兩點(diǎn)產(chǎn)生垂向間距，最大的垂向間距為33.634mm，如圖2所示。

圖2 不考慮彎曲剛度列車的碰撞位移歷程

車體在考慮彎曲剛度的情況下，A,B兩點(diǎn)最大的垂向間距為51.93mm，如圖3所示。由此可知，考慮彎曲剛度的情況下最大垂向間距明顯變大，列車爬車程度受彎曲剛度影響明顯。

圖3 考慮彎曲剛度列車的碰撞位移歷程

2.2 彎曲剛度對(duì)爬車的影響

列車之間的差異會(huì)對(duì)碰撞的結(jié)果產(chǎn)生影響，比如車體的質(zhì)量、點(diǎn)頭頻率、質(zhì)心高度等等。為了研究車體彎曲剛度對(duì)爬車程度的影響，分別對(duì)不考慮彎曲剛度和考慮彎曲剛度兩種情況下的爬車程度進(jìn)行分析，列車的參數(shù)見表2。

表2 列車碰撞參數(shù)

2.2.1車體質(zhì)量

圖4顯示的是不同質(zhì)量的兩列車在撞擊過程中A，B兩點(diǎn)的垂向間距，可以看出是否考慮車體的彎曲剛度對(duì)仿真的結(jié)果有較大的影響，且考慮彎曲剛度的爬車程度比未考慮的情況更大。當(dāng)車體質(zhì)量的變化率從10%變化到30%時(shí)，對(duì)彎曲剛度的敏感程度大體一致。

圖4 車體質(zhì)量對(duì)列車碰撞爬車垂向位移的影響

2.2.2點(diǎn)頭頻率

兩列車具有不同的點(diǎn)頭頻率時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生相鄰車輛間的爬車現(xiàn)象，車體的點(diǎn)頭頻率f可由式(1)確定。

(1)

式中：l為轉(zhuǎn)向架中心距的一半；ksz為二系垂向剛度；Icy為車體點(diǎn)頭轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

為分析點(diǎn)頭頻率對(duì)彎曲剛度的影響，撞擊列車的點(diǎn)頭頻率保持1.41Hz不變，靜止列車的點(diǎn)頭頻率由1.52Hz變化到1.80Hz，增加的范圍為10%～30%。圖5顯示的是A，B兩點(diǎn)隨時(shí)間變化的垂向位移，可以看出，不同的點(diǎn)頭頻率對(duì)彎曲剛度的敏感程度大體一致。

2.2.3質(zhì)心高度

不同的車體結(jié)構(gòu)、車載設(shè)備的布置方式以及載客情況都會(huì)對(duì)列車的質(zhì)心高度產(chǎn)生影響，不同的質(zhì)心高度在相同的撞擊力的作用下會(huì)產(chǎn)生不同的點(diǎn)頭力矩，從而出現(xiàn)不同的點(diǎn)頭運(yùn)動(dòng)。

圖5 點(diǎn)頭頻率對(duì)列車碰撞爬車垂向位移的影響

為分析列車質(zhì)心高度對(duì)彎曲剛度的影響，撞擊列車的質(zhì)心高度保持距離軌面1.80m不變，將靜止列車的質(zhì)心高度由1.98m變化到2.34m，由提高10%增加到提高30%。從圖6可以看出，列車質(zhì)心高度較小時(shí)對(duì)彎曲剛度更加敏感。

圖6 不同質(zhì)心高度對(duì)列車碰撞爬車垂向位移的影響

2.3 影響彎曲程度的因素

從前文可以看出，爬車程度受彎曲剛度的影響非常明顯，在考慮車體彎曲剛度的情況下爬車程度增長(zhǎng)明顯。彎曲程度除了跟撞擊作用點(diǎn)的初始垂向偏差有關(guān)，相鄰車體之間車鉤上的撞擊力對(duì)彎曲程度也有很大影響。為了研究垂向偏移量和車鉤撞擊力對(duì)彎曲剛度的影響，設(shè)定撞擊列車的參數(shù)保持不變，只改變靜止列車的參數(shù)。

2.3.1初始垂向偏移量

為分析初始垂向偏移量對(duì)變曲程度的影響，設(shè)置撞擊列車的車鉤高度高于靜止列車，且兩個(gè)車鉤的高度差從20mm增大到35mm。圖7顯示的是車體中心鉸接處的扭轉(zhuǎn)角度，可以看出，垂向偏移量越大，扭轉(zhuǎn)角度越大，對(duì)彎曲程度的影響就越大。

2.3.2撞擊力

模型中撞擊力-位移曲線分為3個(gè)階段：車鉤撞擊階段(第一階段)、防爬器撞擊階段(第二階段)、車體撞擊階段(第三階段)，分別改變3個(gè)階段撞擊力的值，以此來(lái)研究撞擊力對(duì)彎曲程度以及爬車的影響。

圖7 垂向偏移量對(duì)彎曲剛度的影響

依次將第一階段、第二階段、第三階段的撞擊力分別增大10%、20%、30%、40%，觀察其對(duì)彎曲程度的影響。如圖8所示，增加第二階段的撞擊力對(duì)彎曲程度的影響非常明顯，并且力越大，影響越大。改變第一階段撞擊力的影響弱于改變第二階段撞擊力的影響，但也是撞擊力越大，影響越大。改變第三階段的撞擊力，車體扭轉(zhuǎn)角度維持在一固定值上下波動(dòng)，對(duì)彎曲程度幾乎沒有影響。

圖8 撞擊力在不同階段對(duì)彎曲剛度的影響

觀察圖9中撞擊力對(duì)爬車的影響，可以看出隨著撞擊力的逐漸增大，第二階段撞擊力的變化對(duì)爬車的影響最為顯著，其次是第一階段撞擊力的變化，第三階段撞擊力的變化讓扭轉(zhuǎn)角度維持在同一水平上下波動(dòng)。

圖9 撞擊力不同階段對(duì)爬車的影響

3 結(jié)論

1)在不考慮車體彎曲剛度和考慮車體彎曲剛度兩種情況下對(duì)爬車程度進(jìn)行分析，可以更加逼真地仿真碰撞爬車的過程，以便為優(yōu)化車輛的被動(dòng)安全性提供參考。

2)列車碰撞過程中不同影響因素對(duì)彎曲剛度的敏感程度也不同，可以看出質(zhì)心高度對(duì)彎曲剛度更加敏感，且質(zhì)心越低敏感程度越高。

3)車體彎曲程度受車鉤初始垂向偏差以及撞擊力的影響，初始偏差越大，對(duì)車體彎曲影響越大。隨著撞擊力的不斷增大，防爬器對(duì)彎曲程度的影響最大，其次是車鉤，車體對(duì)彎曲程度則幾乎無(wú)影響。