地鐵列車(chē)脫軌防護(hù)裝置方案*

劉艷文 肖海健

(1.西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 610031, 成都; 2.中車(chē)長(zhǎng)客股份公司國(guó)家軌道客車(chē)工程研究中心, 130022, 長(zhǎng)春)

列車(chē)脫軌事故會(huì)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失甚至車(chē)毀人亡等嚴(yán)重的后果。在我國(guó)鐵路重特大事故中,列車(chē)脫軌事故的占比高達(dá)70%[1]。隨著地鐵的大面積普及,地鐵列車(chē)脫軌事故也時(shí)常發(fā)生。國(guó)內(nèi)外近期發(fā)生的部分地鐵脫軌事故有:南京地鐵1號(hào)線空載檢查列車(chē)脫軌事故、北京地鐵亦莊線列車(chē)脫軌事故、美國(guó)紐約地鐵車(chē)廂脫軌事故等。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于軌道交通車(chē)輛脫軌方面已展開(kāi)了大量的研究工作。文獻(xiàn)[2-3]最早提出了至今仍有重要價(jià)值的Nadal公式。此后國(guó)內(nèi)外學(xué)者在列車(chē)脫軌的原因、評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)、試驗(yàn)方法等方面取得了許多很好的成果[4-5]。上述研究從脫軌機(jī)理出發(fā),在預(yù)防列車(chē)脫軌方面做出了巨大貢獻(xiàn)。然而,在自然災(zāi)害、車(chē)輛或軌道關(guān)鍵部件失效、外部沖擊等不可預(yù)知的復(fù)雜狀態(tài)下,列車(chē)仍可能會(huì)發(fā)生脫軌[6]?？梢?jiàn),對(duì)列車(chē)的被動(dòng)脫軌防護(hù)裝置進(jìn)行研究十分必要。

國(guó)內(nèi)對(duì)于脫軌防護(hù)裝置方面的研究較少。文獻(xiàn)[7]介紹首次研制的一種接觸式障礙物與脫軌檢測(cè)裝置,并通過(guò)仿真與加工產(chǎn)品樣機(jī)驗(yàn)證了裝置的可靠性與實(shí)用性。文獻(xiàn)[8]在小半徑曲線線路上加裝脫軌防護(hù)裝置,大大減少了列車(chē)在小半徑曲線線路上的脫軌事故。

本文將建立列車(chē)系統(tǒng)的非線性動(dòng)力學(xué)仿真模型(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“非線性模型”),提出地鐵列車(chē)脫軌防護(hù)裝置的3種方案,并進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真,根據(jù)相應(yīng)動(dòng)力學(xué)仿真評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)[9]對(duì)比仿真結(jié)果,選擇最優(yōu)方案。對(duì)脫軌防護(hù)裝置的結(jié)構(gòu)與具體安裝位置進(jìn)行設(shè)計(jì),并進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真對(duì)比驗(yàn)證防脫軌效果,對(duì)安裝有脫軌防護(hù)裝置的車(chē)輛限界進(jìn)行檢驗(yàn)計(jì)算驗(yàn)證其可行性。

1 列車(chē)的非線性模型

地鐵列車(chē)是一個(gè)復(fù)雜的多體系統(tǒng),不但有各部件之間的相互作用力和相對(duì)運(yùn)動(dòng),而且還有輪軌的相互作用關(guān)系。因此,理論計(jì)算模型只能根據(jù)研究的主要目的和要求,對(duì)一些次要因素進(jìn)行相應(yīng)的假定或簡(jiǎn)化,而在對(duì)動(dòng)力學(xué)性能影響較大的主要因素上盡可能做出符合實(shí)際情況的模擬。

在建立列車(chē)非線性模型時(shí),假定輪對(duì)、構(gòu)架和車(chē)體等部件的彈性比懸掛系統(tǒng)的彈性要小得多,均視為剛體,即忽略各部件的彈性變形。

參照GB 5599—2019《機(jī)車(chē)車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能評(píng)定和試驗(yàn)鑒定規(guī)范》等相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)建立的模型包含3種非線性環(huán)節(jié):非線性輪軌接觸幾何關(guān)系、非線性懸掛力及碰撞吸能結(jié)構(gòu)。

由于在脫軌工況下,車(chē)輛各零部件自身、車(chē)輛各部件之間,以及車(chē)輛各部件與軌道之間會(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)變化,因此有必要根據(jù)實(shí)際情況,對(duì)仿真模型進(jìn)行預(yù)處理:建立三維接觸碰撞模型、車(chē)輛吸能等效模型及車(chē)鉤緩沖模型,模擬部件失效、特性突變與輪軌接觸拓?fù)渥兓?/p>

基于多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論、車(chē)輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論及接觸碰撞模型,建立列車(chē)碰撞脫軌非線性動(dòng)力學(xué)仿真模型。考慮到地鐵列車(chē)的對(duì)稱(chēng)性,為確保仿真分析的時(shí)效性和準(zhǔn)確性,按1節(jié)拖車(chē)+2節(jié)動(dòng)車(chē)的3節(jié)編組建立地鐵列車(chē)模型。所建立的列車(chē)非線性模型如圖1所示。

圖1 列車(chē)非線性模型

2 車(chē)輛脫軌防護(hù)裝置的初步方案

車(chē)輛脫軌防護(hù)裝置的最核心功能是在列車(chē)脫軌后,保證列車(chē)?yán)^續(xù)沿線路運(yùn)行。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能,在車(chē)輛脫軌后,脫軌防護(hù)裝置須能控制轉(zhuǎn)向架搖頭運(yùn)動(dòng),減小橫向分速度,進(jìn)而阻止車(chē)輛橫向運(yùn)動(dòng)。

為此,在所建立的非線性模型的基礎(chǔ)上增加脫軌防護(hù)裝置,并增加其與鋼軌、扣件等軌道結(jié)構(gòu)之間的接觸副,即可進(jìn)行脫軌防護(hù)裝置被動(dòng)安全防護(hù)的動(dòng)力學(xué)仿真,從而分析不同脫軌工況下、不同運(yùn)行速度車(chē)輛脫軌后的動(dòng)態(tài)行為,以及脫軌防護(hù)裝置發(fā)揮作用的條件。進(jìn)一步對(duì)比有脫軌防護(hù)裝置和無(wú)脫軌防護(hù)裝置車(chē)輛的運(yùn)動(dòng)姿態(tài),加速度等動(dòng)態(tài)行為,分析被動(dòng)安全防護(hù)的效果。

2.1 脫軌防護(hù)裝置

由于脫軌行為是由輪對(duì)橫向位移過(guò)大引起的,因此,脫軌防護(hù)裝置須能限制輪對(duì)的過(guò)大橫向位移,一般采用防脫軌止擋。當(dāng)輪對(duì)開(kāi)始爬軌,輪對(duì)橫向位移增大且具有脫軌趨勢(shì)時(shí),借助防脫軌止擋與軌道間的橫向作用,可限制輪軌的過(guò)大橫移量,達(dá)到防脫軌目標(biāo)。

基于前期調(diào)研結(jié)果,提出可行的脫軌防護(hù)裝置初步方案:方案一,在軸箱下方增加脫軌防護(hù)止擋;方案二,在構(gòu)架下端增加脫軌防護(hù)止擋;方案三,在車(chē)體下方增加脫軌防護(hù)止擋。

在仿真模型中:通過(guò)在軌道上設(shè)置脫軌器來(lái)實(shí)現(xiàn)列車(chē)脫軌;將未安裝脫軌防護(hù)裝置方案作為3個(gè)初步方案的對(duì)照組;將脫軌防護(hù)止擋分別添加在軸箱、構(gòu)架和車(chē)體上,來(lái)構(gòu)建不同脫軌防護(hù)裝置方案的仿真模型,見(jiàn)圖2—圖4。設(shè)置行車(chē)速度為 10 km/h,進(jìn)行仿真分析。

圖2 脫軌防護(hù)裝置方案一模型圖

圖3 脫軌防護(hù)裝置方案二模型圖

圖4 脫軌防護(hù)裝置方案三模型圖

2.2 仿真結(jié)果與方案選定

對(duì)各脫軌防護(hù)裝置方案進(jìn)行仿真,并與無(wú)脫軌防護(hù)的情況進(jìn)行對(duì)比,其中T1車(chē)1號(hào)輪對(duì)橫向位移如圖5所示。分析仿真結(jié)果可以看出:方案一具有很好的防脫軌效果,車(chē)輛在運(yùn)行過(guò)程中未發(fā)生脫軌;方案二和方案三雖未能防止列車(chē)脫軌,但能顯著減少輪對(duì)的橫向位移,二者位移量約為無(wú)脫軌防護(hù)裝置的一半,說(shuō)明能有效地防止輪對(duì)第二次爬軌脫軌駛離軌道方向。綜合考慮防二次爬軌脫軌的效果、安裝部位的強(qiáng)度,以及脫軌后因鐵軌與脫軌防護(hù)裝置發(fā)生碰撞而對(duì)車(chē)輛造成的損害,本文選擇方案二作為最優(yōu)初步方案,并進(jìn)行后續(xù)的完善和驗(yàn)證。

圖5 T1車(chē)1號(hào)輪對(duì)橫向位移對(duì)比

3 脫軌防護(hù)裝置方案的完善與驗(yàn)證

3.1 脫軌防護(hù)裝置的結(jié)構(gòu)細(xì)化設(shè)計(jì)

脫軌防護(hù)裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方向主要為限制車(chē)輪橫向移動(dòng)及減小車(chē)輛橫向作用力。此外,當(dāng)與脫軌裝置同時(shí)發(fā)生作用時(shí),脫軌防護(hù)裝置應(yīng)該具有較高的時(shí)效性,并能為車(chē)輛提供巨大的橫向作用力。因此,選擇以鋼軌作為脫軌防護(hù)裝置的橫向作用對(duì)象,選擇橫向止檔作為脫軌防護(hù)裝置,最終確定脫軌防護(hù)裝置結(jié)構(gòu)如圖6所示。由車(chē)輛限界確定擋板長(zhǎng)度,最終得到合適的結(jié)構(gòu)尺寸。

圖6 防脫軌止擋結(jié)構(gòu)

脫軌防護(hù)裝置下端鉤頭設(shè)計(jì)與鋼軌軌頭外形互補(bǔ),增大了與鋼軌的接觸面,可以在脫軌時(shí)與鋼軌接觸進(jìn)而產(chǎn)生橫向和垂向的位移限制,更好地起到防脫軌作用。在尺寸上,考慮車(chē)輛滿載及車(chē)輪磨耗極限時(shí)的垂向限界,在滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的同時(shí),盡可能使擋板增長(zhǎng),以增大脫軌防護(hù)裝置與鋼軌接觸的可能性,并延長(zhǎng)接觸時(shí)間,以保證脫軌防護(hù)裝置的性能。

3.2 脫軌防護(hù)裝置安裝位置的確定

當(dāng)車(chē)輛發(fā)生脫軌時(shí),車(chē)輪與軌道板碰撞會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊。碰撞沖擊時(shí)車(chē)輛各處的撓動(dòng)最大,因此盡早對(duì)車(chē)輛進(jìn)行防脫軌處理能有效地減小沖擊對(duì)車(chē)輛的影響,并能及時(shí)地將車(chē)輛限制在鋼軌上,防止車(chē)輛橫向分力過(guò)大而偏離軌道。因此脫軌防護(hù)裝置在橫向安裝位置上應(yīng)盡量靠近鋼軌,同時(shí)也需考慮橫向限界,防止車(chē)輪掉道時(shí)與鋼軌干涉?？紤]車(chē)輛的實(shí)際結(jié)構(gòu)情況,轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)精密、部件繁雜,且確定脫軌防護(hù)裝置接口在構(gòu)架側(cè)梁下端,故安裝時(shí)應(yīng)使脫軌防護(hù)裝置縱向靠近側(cè)梁與橫梁焊縫,以增加結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,防止在防脫軌時(shí)影響構(gòu)架的正常結(jié)構(gòu)性能。圖7為脫軌防護(hù)裝置安裝位置。

圖7 脫軌防護(hù)裝置安裝位置

3.3 脫軌防護(hù)裝置仿真分析

在仿真分析過(guò)程中,先將脫軌防護(hù)裝置結(jié)構(gòu)導(dǎo)入到ADAMS/Rail模型中,固定在構(gòu)架確定接口處;添加脫軌器后,按脫軌防護(hù)裝置同鋼軌及軌道板等可能發(fā)生的接觸,在相同工況條件下進(jìn)行脫軌仿真,觀察分析車(chē)輛脫軌后的運(yùn)行姿態(tài),以確定脫軌防護(hù)裝置的效果。圖8為脫軌仿真后的車(chē)輛運(yùn)行姿態(tài)。

a) 無(wú)脫軌防護(hù)裝置

由有脫軌防護(hù)裝置列車(chē)的脫軌仿真分析所得車(chē)輛運(yùn)行姿態(tài)可知:當(dāng)列車(chē)一位輪對(duì)掉道脫軌時(shí),一位構(gòu)架在豎向上隨著輪對(duì)產(chǎn)生了較大的撓動(dòng),構(gòu)架下端的脫軌防護(hù)裝置也隨之下移,鉤頭位置下降到軌頭水平面以下;當(dāng)一位輪對(duì)脫軌后偏離鋼軌橫向運(yùn)動(dòng)時(shí),裝置又隨之橫向移動(dòng),但很快與右側(cè)鋼軌發(fā)生接觸,橫向移動(dòng)被限制;該過(guò)程中由于一系懸掛和輪對(duì)掉道沖擊的原因,構(gòu)架和脫軌防護(hù)裝置也產(chǎn)生豎向的移動(dòng);在橫向上由于鉤頭與軌頭廓形的接觸而被限制,最終只有一位輪對(duì)掉道,二位輪對(duì)未掉道?？梢?jiàn),車(chē)輛橫向位移被脫軌防護(hù)裝置限制,不會(huì)發(fā)生較大程度的脫軌。

對(duì)比無(wú)脫軌防護(hù)裝置時(shí)列車(chē)脫軌仿真分析所得的車(chē)輛運(yùn)行姿態(tài)可以看出:有脫軌防護(hù)裝置時(shí),車(chē)輛在脫軌后不僅橫向位移被有效限制,在豎向上也防止了二位輪對(duì)的掉道,從而有效地減小車(chē)輛掉道后的橫向分力,達(dá)到了脫軌防護(hù)裝置的預(yù)定目標(biāo)。

3.4 脫軌防護(hù)裝置限界計(jì)算

在實(shí)際線路運(yùn)用時(shí),脫軌防護(hù)裝置應(yīng)不影響車(chē)輛正常行駛,滿足線路的限界要求。本文針對(duì)某型列車(chē),采用我國(guó)相關(guān)地鐵限界標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算動(dòng)態(tài)包絡(luò)線,校核脫軌防護(hù)裝置是否滿足某市地鐵線路的限界要求。給出了脫軌防護(hù)裝置各種狀態(tài)下的最大包絡(luò)線。本文限界計(jì)算方法按照CJJ 96—2003《地鐵限界標(biāo)準(zhǔn)》所給公式計(jì)算。

按懸掛系統(tǒng)正常時(shí)、地面與隧道、空車(chē)和重車(chē)等條件,選擇典型工況進(jìn)行限界計(jì)算,其中隧道內(nèi)不考慮側(cè)風(fēng)作用。由于篇幅原因,本文僅列出列車(chē)在地面直線行駛時(shí)空車(chē)(AW0)工況下的限界計(jì)算結(jié)果,如圖9所示。其中橫坐標(biāo)x以車(chē)輛中心為原點(diǎn),表示為車(chē)輛的橫向空間位置,縱坐標(biāo)y以軌道面為原點(diǎn),表示為列車(chē)在豎向上的空間位置。從計(jì)算結(jié)果可知,在各種工況下,脫軌防護(hù)裝置動(dòng)態(tài)包絡(luò)線滿足限界要求。因此車(chē)輛安裝脫軌防護(hù)裝置后能正常行駛,不會(huì)對(duì)線路產(chǎn)生干涉。

圖9 列車(chē)直線行駛時(shí)空車(chē)工況下的限界計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合動(dòng)力學(xué)與強(qiáng)度仿真軟件,通過(guò)比較分析3個(gè)防脫軌方案仿真結(jié)果,綜合考慮防二次爬軌脫軌的效果、安裝部位的強(qiáng)度以及脫軌后由于鐵軌與脫軌防護(hù)裝置發(fā)生碰撞對(duì)車(chē)輛造成的損害,提出了在構(gòu)架下端安裝防脫軌橫向止擋作為脫軌防護(hù)裝置的方案。

根據(jù)實(shí)際工況,對(duì)車(chē)輛按有、無(wú)脫軌防護(hù)裝置的情況分別進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真。對(duì)比仿真結(jié)果可以看出,安裝有構(gòu)架橫向止擋脫軌防護(hù)裝置的車(chē)輛能有效地實(shí)現(xiàn)車(chē)輛防脫軌目的,說(shuō)明所提方案具有較好的預(yù)期效果和可行性。

采用相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn),對(duì)安裝有脫軌防護(hù)裝置的某型列車(chē)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)包絡(luò)線計(jì)算。從計(jì)算結(jié)果可知,在各種計(jì)算工況下,脫軌防護(hù)裝置動(dòng)態(tài)包絡(luò)線滿足限界要求,不會(huì)影響車(chē)輛正常行駛。