彈性車輪對地鐵列車碰撞安全性的影響

楊皓杰，肖守訥，高天陽

(西南交通大學(xué) 牽引動(dòng)力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031)

0 引言

近年來，城市軌道交通憑借其方便快捷、運(yùn)量大、安全、準(zhǔn)點(diǎn)等優(yōu)勢而得到廣泛的發(fā)展。但城市軌道交通車輛運(yùn)行過程中產(chǎn)生的噪聲和振動(dòng)，會(huì)嚴(yán)重影響旅客乘坐舒適性和沿途居民的生活質(zhì)量。相比于剛性車輪，彈性車輪在減振降噪和降低輪軌動(dòng)作用力等方面具備明顯優(yōu)勢，所以許多發(fā)達(dá)國家已經(jīng)開始在城軌車輛上使用彈性車輪。隨著人們越發(fā)重視城市軌道交通的安全性，對城軌車輛使用彈性輪后在碰撞事故中的安全性進(jìn)行研究是非常必要的。

日本鐵道綜合研究所(RTRI)[1]對不同類型的彈性車輪進(jìn)行輪對落放試驗(yàn)，并對比不同的運(yùn)行速度下剛性車輪和彈性車輪的動(dòng)力學(xué)性能，研究不同試驗(yàn)下的軌道動(dòng)態(tài)作用情況。結(jié)果表明：不同起吊高度下，彈性車輪與剛性車輪動(dòng)載荷之比約為0.8；彈性車輪的剛度取決于橡膠隔層的剛度，輪輞和輪芯剛度的影響較小。KubotaMasanobu[2]對彈性車輪進(jìn)行有限元分析，并通過橋梁板式橡膠支座力學(xué)性能試驗(yàn)測得橡膠材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。由于橡膠和鋼之間的摩擦系數(shù)影響接觸應(yīng)力狀態(tài)，通過選擇不同的摩擦系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果表明：隨著摩擦系數(shù)的增大，計(jì)算應(yīng)力有所降低。Jones[3]和BouvetP[4]分別使用滾動(dòng)噪聲預(yù)測軟件TWINS研究橡膠參數(shù)對車輪噪聲輻射的影響和彈性車輪應(yīng)用于貨車時(shí)的輪軌噪聲。趙洪倫[5]對彈性車輪和剛性車輪進(jìn)行了噪聲對比試驗(yàn)，證實(shí)彈性車輪在降噪減振方面有良好的性能。張樂[6]使用軟件ABAQUS對彈性車輪進(jìn)行模態(tài)分析，結(jié)果表明：彈性車輪的各向剛度特性只與橡膠彈性元件的幾何結(jié)構(gòu)、過盈量的設(shè)置以及橡膠材料本身的特性有關(guān)，彈性車輪的各向剛度均為定值，其載荷與位移呈線性關(guān)系。楊陽[7]利用SIMPACK軟件對比分析傳統(tǒng)模型和復(fù)合模型下彈性車輪車輛以及剛性車輪車輛的臨界速度、平穩(wěn)性、曲線通過性能和輪軌磨耗等，結(jié)果表明：采用彈性車輪車輛的橫向平穩(wěn)性優(yōu)于剛性車輪，彈性輪的曲線通過性能比剛性輪更優(yōu)越。何侃[8]將彈性車輪引入輪轂電機(jī)系統(tǒng)，通過ADAMSVIEW軟件建立模型研究如何最大程度并且合理地降低輪芯處輪轂電機(jī)系統(tǒng)所受到的振動(dòng)沖擊。

地鐵車輛采用不同的車輪，利用有限元分析軟件LS-DYNA，針對完全相同的兩列4節(jié)編組地鐵列車在不同的載荷類型和軌道類型下發(fā)生正面碰撞的情況，建立仿真計(jì)算模型，研究彈性輪在碰撞過程中對車輛安全性的影響。

1 列車碰撞場景設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用4節(jié)編組形式，為分析車輛使用彈性車輪對碰撞過程中列車安全性的影響，同時(shí)考慮到列車運(yùn)行中不同的乘客質(zhì)量，設(shè)計(jì)了如表1所示的8個(gè)列車碰撞場景。其中，列車頭車和中間車箱的乘客定員人數(shù)分別為198人和216人，乘客平均質(zhì)量為60kg。曲線軌道半徑為800m，取曲線軌道的超高為69mm。列車在直線軌道和曲線軌道上的碰撞場景如圖1所示。圖1中A代表主動(dòng)車，B代表被動(dòng)車，J代表碰撞界面，其中J1為主動(dòng)頭車與被動(dòng)頭車碰撞界面。主動(dòng)列車以25km/h的速度撞擊結(jié)構(gòu)完全相同的靜止被動(dòng)列車，輪軌間動(dòng)摩擦系數(shù)設(shè)為0.2。碰撞過程中，主動(dòng)車輛由初速25km/h逐步減速，而被動(dòng)車輛則由靜止逐步加速，當(dāng)所有車輛達(dá)到相同的速度時(shí)，即認(rèn)為碰撞結(jié)束。

表1 列車碰撞場景

圖1 碰撞場景示意圖

2 列車碰撞仿真模型

2.1 車輛有限元模型

頭車帶司機(jī)室的一端設(shè)有防爬吸能裝置，其內(nèi)有蜂窩鋁材料組成的吸能結(jié)構(gòu)，通過漸進(jìn)的屈曲變形將碰撞過程中的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為蜂窩鋁的塑性變形能。為兼顧仿真精度和計(jì)算速度，司機(jī)室使用尺寸較小的單元進(jìn)行離散，而其他車體結(jié)構(gòu)的單元尺寸較大。輪對與軌道的接觸區(qū)為車輪的輪緣處和踏面處，接觸區(qū)為滿足計(jì)算精度且準(zhǔn)確描繪出輪緣和踏面的輪廓，網(wǎng)格細(xì)化為8mm。

彈性車輪區(qū)別于剛性車輪的地方在于車輪輪箍與輪芯之間增加了一層橡膠。目前彈性車輪大多為壓縮剪切復(fù)合型，它能夠承受壓縮力和剪切力，且結(jié)構(gòu)簡單，方便安裝和維修。橡膠材料采用Mooney-Rivlin模型，其材料常數(shù)為：C1=0.9012MPa，C2=0.5125MPa；泊松比υ=0.499 7[9]。

2.2 能量吸收方案

現(xiàn)代軌道車輛的設(shè)計(jì)理念中為保證乘員空間的完整性，列車采用多級(jí)能量吸收系統(tǒng)，依次是車鉤緩沖裝置、防爬吸能裝置和車體端部變形吸能區(qū)。本文中J1界面的車輛采用自動(dòng)車鉤，J3和J6界面的車輛采用半自動(dòng)車鉤連接，其他碰撞界面的車輛采用半永久車鉤連接。彈性輪對車輛和剛性輪對車輛采用相同的能量吸收方案，而車鉤緩沖器的參數(shù)相同，緩沖器的最大阻抗力為800kN，最大壓縮行程為73mm，其吸能容量為29.2kJ。地鐵列車鉤緩裝置和防爬裝置的能量吸收方案如表2所示。

表2 列車能量吸收方案

3 列車碰撞結(jié)果分析

3.1 彈性輪對車輪抬升量的影響

地鐵列車在軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí)，輪軌之間存在明確的幾何約束關(guān)系，當(dāng)車輪抬升量小于車輪輪緣的高度時(shí)，車輪無法擺脫鋼軌的約束，可判定車輛尚未脫離軌道。車輪抬升量為車輪踏面名義接觸點(diǎn)與鋼軌頂面最高點(diǎn)之間的垂向距離，而我國地鐵車輛上使用的LM磨耗型踏面車輪的輪緣高度為27mm。

圖2為空載工況下列車主被動(dòng)頭車的車輪抬升量，圖中G代表剛性輪，T代表彈性輪。曲線軌道上，剛性輪和彈性輪最大車輪抬升量分別為26.32mm和22.19mm，剛性輪已經(jīng)非常接近于脫軌的邊緣。直線軌道上，剛性輪最大車輪抬升量為16.67mm，而彈性輪為14.28mm。與剛性輪相比，彈性輪的車輪抬升量在曲線軌道和直線軌道上分別降低了15.69%和14.34%。

圖2 車輪抬升量-時(shí)間曲線(空載工況)

圖3為定員載荷工況下列車主被動(dòng)頭車的車輪抬升量。相比于空載工況，在直線軌道和曲線軌道上的車輪抬升量都明顯降低，且彈性輪的最大抬升量略大于剛性輪。曲線軌道上，剛性輪和彈性輪最大車輪抬升量分別為6.85mm和7.39mm。直線軌道上，剛性輪最大車輪抬升量為6.06mm，而彈性輪為6.42mm。與剛性輪相比，彈性輪的車輪抬升量在曲線軌道和直線軌道上提高了7.88%和5.94%。

圖3 車輪抬升量-時(shí)間曲線(定員載荷工況)

3.2 彈性輪對脫軌系數(shù)的影響

1896年Nadal提出以脫軌系數(shù)(即輪軌橫向力Q與垂向力P的比值)為準(zhǔn)則判別車輛是否脫軌，不同的國家和學(xué)者以此為基礎(chǔ)進(jìn)行車輛脫軌的深入研究，并提出了不同的脫軌系數(shù)限值。我國GB5599—85[10]規(guī)定脫軌系數(shù)第一限度為1.2(合格標(biāo)準(zhǔn))，第二限度為1.0(安全標(biāo)準(zhǔn))，本文取脫軌系數(shù)限值為1.0。同時(shí)碰撞過程中輪軌間作用力在極小的時(shí)間段內(nèi)會(huì)產(chǎn)生較大的波動(dòng)，導(dǎo)致脫軌系數(shù)迅速增大并超過限值，然后又迅速恢復(fù)到正常，這樣的狀態(tài)下車輛并不一定有脫軌的危險(xiǎn)。因此需要考慮脫軌系數(shù)大于限值的最大作用時(shí)間，時(shí)間越長車輛脫軌的危險(xiǎn)性就越大。

圖4為空載工況下列車主被動(dòng)頭車的脫軌系數(shù)。曲線軌道上，剛性輪和彈性輪的脫軌系數(shù)均超過了限值，其中剛性輪的脫軌系數(shù)最大值為4.79，超過限值1.0的最大作用時(shí)間為23ms，而彈性輪的脫軌系數(shù)最大值為2.69，超過限值1.0的最大作用時(shí)間為17ms。相比于剛性輪，彈性輪的脫軌系數(shù)最大值降低了43.84%，超過限值的最大作用時(shí)間降低了26.09%。直線軌道上，剛性輪和彈性輪的脫軌系數(shù)都沒有超過限值，彈性輪的脫軌系數(shù)最大值為0.31，略小于剛性輪的0.34。

圖4 脫軌系數(shù)-時(shí)間曲線(空載工況)

圖5為定員載荷工況下列車主被動(dòng)頭車的脫軌系數(shù)。曲線軌道上，剛性輪和彈性輪的脫軌系數(shù)均超過了限值，但其最大值明顯小于空載工況下的脫軌系數(shù)。剛性輪脫

軌系數(shù)最大值為2.44，超過限值1.0的最大作用時(shí)間為18ms，而彈性輪的脫軌系數(shù)最大值為1.73，超過限值1.0的最大作用時(shí)間為14ms。相比于剛性輪，彈性輪的脫軌系數(shù)最大值降低29.10%，超過限值的作用時(shí)間降低22.22%。直線軌道上，剛性輪和彈性輪的脫軌系數(shù)都沒有超過限值，彈性輪的脫軌系數(shù)最大值為0.26，略小于剛性輪的0.29。

圖5 脫軌系數(shù)-時(shí)間曲線(定員載荷工況)

3.3 彈性輪對輪重減載率的影響

列車脫軌試驗(yàn)結(jié)果表明，僅通過脫軌系數(shù)判斷列車是否脫軌是不夠的，一些國家還采用輪重減載率作為評定指標(biāo)。車輛輪重減載率的計(jì)算公式為：

其中:ΔQ1和ΔQ2為左右輪輪載減少值，Q為輪對左右輪載平均值，Q1和Q2為車輪實(shí)際載荷。

GB5599—85[10]同樣規(guī)定了輪重減載率的限值，其第一限度為0.65(合格標(biāo)準(zhǔn))，第二限度為0.6(安全標(biāo)準(zhǔn))。近年來我國的脫軌試驗(yàn)已經(jīng)超過了標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的限值，本文取輪重減載率限值為0.65，且同樣需要考慮其大于限值的最大作用時(shí)間。為了能夠和脫軌系數(shù)相結(jié)合，從而有效地評定地鐵車輛在碰撞過程中是否發(fā)生脫軌行為，圖6和圖7為上一節(jié)中脫軌系數(shù)相應(yīng)輪位的輪重減載率。

圖6為空載工況下車輛的輪重減載率都超過了0.65，尤其是在曲線軌道上主被動(dòng)頭車都頻繁超標(biāo)。曲線軌道上，剛性輪和彈性輪的輪重減載率都達(dá)到1，彈性輪超過限值0.65的最大作用時(shí)間為23ms，略小于剛性輪的25ms。直線軌道上，剛性輪和彈性輪的輪重減載率最大值分別為1和0.95，超過限值0.65的最大作用時(shí)間分別為11ms和8ms，相比于剛性輪，彈性輪的輪重減載率最大值減少5%，超過限值的作用時(shí)間降低27.27%。

圖6 輪重減載率-時(shí)間曲線(空載工況)

如圖7所示，定員載荷工況下車輛的輪重減載率也都超過了0.65。曲線軌道上，剛性輪和彈性輪的輪重減載率都達(dá)到1，彈性輪超過限值0.65的最大作用時(shí)間為20ms，小于剛性輪的22ms。直線軌道上，剛性輪和彈性輪的輪重減載率最大值分別為1和0.86，超過限值0.65的最大作用時(shí)間分別為7ms和4ms，相比于剛性輪，彈性輪的輪重減載率最大值減少了14%，超過限值0.65的作用時(shí)間降低了42.86%。

4 結(jié)語

根據(jù)建立的地鐵列車有限元模型和設(shè)計(jì)的8個(gè)碰撞場景，對比彈性輪和剛性輪在碰撞過程中的安全性，從車輪抬升量、脫軌系數(shù)和輪重減載率3個(gè)方面分析彈性輪對在碰撞中的影響，得到以下結(jié)論：

1) 空載工況下，彈性輪的車輪抬升量相比剛性輪有較大幅度的減少，其中曲線軌道上最多能降低15.69%；定員載荷工況下，彈性輪的車輪抬升量略大于剛性輪，但其最大值僅為7.39mm，遠(yuǎn)小于輪緣高度。

2) 空載工況和定員載荷工況下，彈性輪在曲線軌道上的脫軌系數(shù)最大值和脫軌系數(shù)超限最大作用時(shí)間都小

圖7 輪重減載率-時(shí)間曲線(定員載荷工況)

于剛性輪，其中在空載工況中尤為明顯，脫軌系數(shù)減小43.84%，超限時(shí)間減少26.09%。直線軌道上彈性輪和剛性輪的脫軌系數(shù)均未超過限值，彈性輪的最大值略小。

3) 曲線軌道上彈性輪和剛性輪的輪重減載率都達(dá)到1，且輪重減載率超限最大作用時(shí)間的差距較小；直線軌道上彈性輪的輪重減載率超過限值但均未到達(dá)1，超限最大作用時(shí)間也小于剛性輪。

研究結(jié)果表明，碰撞過程中彈性車輪具備更好的安全性，其抗脫軌性優(yōu)于剛性車輪，尤其在空載工況下較剛性車輪更具有優(yōu)越性。