地铁列车耐撞性分析

地铁列车耐撞性分析

王天宇

（中车大连机车车辆有限公司城铁开发部 ，辽宁 大连 116021 ）

摘 要：目前，铁路进入高速发展时期。随着列车的全面提速，如何评价列车在碰撞事故中的耐撞性能成为列车安全性能设计中的核心问题。以某新型地铁车辆为研究对象，运用大变形碰撞仿真分析软件 PAM-CRASH，使用非线性弹簧单元模拟车钩结构，根据 EN15227 标准，从车体在碰撞过程中的速度、加速度、碰撞力、能量吸收等方面评价耐撞性能。

关键词：地铁；碰撞仿真；弹簧单元；耐撞性分析

中图分类号：U270.1    文献标识码：A    文章编号：

随着我国城市化的高速发展历程，人们对运输效率的需求日益增加，极大促进了城市地铁的发展。与此同时，随着车速的不断提高，列车的安全问题成为人们关注的重点。地铁列车虽然有主动安全防护措施，如轨道控制信号、合理调度等，但碰撞事故仍然频发。轨道列车的被动安全问题近几年才逐渐成为热点 [1-5]。

1 耐撞性评价标准

EN15227 标准在碰撞场景的建立上投入大量时间，其标准认为在建立合适的碰撞场景前，应该充分考虑列车单元配置、列车单元的质量、构成列车单元车辆的机械特性、冲击速度、碰撞障碍物的特性等实际因素。某地铁车属于地铁车辆，C-II类别。参考标准中规定的撞击方案：地铁列车以25km/h 的速度撞击另一列静止的地铁列车。EN15227 标准提出了地铁车辆耐撞性的评价总则，具体分为以下五个方面。

（1）减少爬车风险；

（2）以可控方式吸收碰撞能量；

（3）保持承载区域的结构完整性和生存空间；

（4）限制减速度，平均纵向减速度不超过 5g；

（5）减少脱轨风险，并减轻与轨道多次碰撞所造成的后果。

对于第一条，EN15227 标准规定在整个碰撞模拟过程中，每个转向架应至少有一个轮对保持与轨道有有效的接触。每个转向架上至少一个轮对在轨面以上的垂向位移不超过标称轮缘高度的75%，或者如果防爬器稳定啮合，则允许车轮最高有100mm的提升距离[6]。构成逃生空间的结构应该保证结构完整，逃生空间长度上的减小量应限制到5m，长度上不超过 50mm；5m长度处于车辆结构端部时，长度上最多可以限制到100mm。

2地铁耐撞性计算分析

2.1有限元模型

首先，模型单元规模庞大时显式分析十分耗费机时；其次，在整列车碰撞过程中发生变形主要集中在头车，中间车发生变形较小，主要关注部位还是在头车，所以在六节编组中除了Tc01车和Mp02车是完全按照实际几何模型建立有限元模型，M03、M04、Mp05、Tc06车均以简化模型替代，整车有限元模型主要以任意四节点单元为主，辅以三角形单元，三角形单元在变形分析中过于刚硬，在变形关注部位尽可能使用四节点单元，其有限元模型如图1所示。

1. 运动列车编组整体视图

2. 静止列车编组整体视图

图1 列车碰撞有限元模型图

2.2车钩模型建立

本次耐撞性计算分析的车钩采用非线性弹簧单元模拟，根据某地铁车钩参数，赋予弹簧单元PAM-CRASH材料库中的220号弹簧单元材料，在弹簧材料中加入车钩的载荷-行程曲线来表征车钩在发生动态冲击过程中的响应特征。

2.3碰撞计算工况

当两列AW0（加50%座客）的列车以25km/h相对速度相互碰撞时，列车碰撞的能量除车钩缓冲装置吸收外，列车前端司机室防撞吸能区发生了压缩变形，是列车碰撞中的主要吸能部件，而乘客区逃生空间保持完整。

3 计算分析结果

碰撞过程的全局能量曲线如图2所示，碰撞过程中总能量保持恒定，列车初始能量5.1MJ左右，在碰撞过程中，动能逐渐减少，内能逐渐增加，吸收能量约2.5MJ。运动列车通过钩缓系统和前端吸能结构的塑性变形，耗散列车冲击能量，以保证乘客生存空间完整。

图2 全局能量曲线

整个碰撞过程在810ms后基本完成，编组A与编组B达到相同速度。图3给出了运动编组地铁车和静止编组地铁车的速度曲线，运动地铁车以6.94m/s初速度撞击静止地铁车，在810ms时两编组列车达到共速，碰撞过程结束，此时两列车共同速度为3.5m/s左右。

图3 两列地铁车体纵向速度变化曲线

EN15227标准中没有对列车碰撞界面冲击力规定具体数值，而是对减速度进行了限制，要求逃生空间的平均纵向（加）减速度不得大于5g。根据EN15227标准里对车辆纵向平均加速度的计算方法，计算了运动列车和静止列车前三辆车辆的纵向平均加速度。表1给出了两列车 Tc01 车和 Mp02 车纵向平均加速度值，前两节车辆的平均纵向减速度均小于标准中的规定的5g，满足标准的指标要求。图4、图5分别给出了运动列车和静止列车前两辆车辆的生存空间压缩量，运动编组列车Tc01车在408ms时刻达到最大变形35.3mm。静止编组列车Tc01车在612ms时刻达到最大变形46.1mm。满足EN15227对生存空间的要求。

图4 运动编组地铁车Tc01车生存空间长度压缩量变化曲线

图5 静止编组地铁车Tc01车生存空间长度压缩量变化曲线

表1 两列车 Tc01 车和 Mp02 车纵向平均加速度值

运动列车		静止列车
车辆编号	纵向最大平均加速度	车辆编号	纵向最大平均加速度
Tc01	2.42g	Tc01	2.44g
M02	2.22g	M02	3.65g

本次计算中对转向架建立了较为详细的模型，取转向架车轮最低处的节点为输出点，输出轮对的垂向位移。一般头车是最容易发生爬车的位置，所以主要对运动列车与静止列车的头车的转向架轮对进行了整个碰撞过程中的垂向位移抬升变化量监测输出。

图5所示曲线给出了碰撞过程中运动编组地铁车Tc01转向架评估点的垂向位移变化趋势，图6给出了静止编组地铁车Tc01车转向架评估点的垂向位移变化趋势。

运动编组地铁车Tc01车一位端转向架轮对于312ms发生最大抬升为14.9mm，没有超过轮缘高度75%量值，一位端转向架可以与轨道保持有效接触；二位端转向架轮对于320ms发生最大抬升为10mm，没有超过轮缘高度75%量值，二位端转向架可以与轨道保持有效接触。

静止编组地铁一位端转向架轮对于364ms发生最大抬升为8.8mm，没有超过轮缘高度75%量值，一位端转向架可以与轨道保持有效接触；二位端轮对在623ms发生最大垂向抬升33.5mm，而同时刻其对位轮对发生垂向抬升为17.4mm，没有超过轮缘高度75%量值，二位端转向架也可以与轨道保持有效接触。

运动编组和静止编组的头车都可以满足EN15227标准对于爬车风险评估的要求，碰撞过程中没有发生爬车的风险。

注：M/S-运动/静止列车，NO-轮对编号，L/R-左/右车轮。

运动编组地铁车Tc01车转向架一位端处输出节点垂向位移变化曲线

图5 运动编组地铁车转向架输出节点垂向位移变化曲线

静止编组地铁车Tc01车转向架一位端处输出节点垂向位移变化曲线

图6 静止编组地铁车转向架输出节点垂向位移变化曲线

4结论

基于以上对某新型地铁车辆的碰撞分析结果，依据EN15227标准对列车耐撞性的要求，对车辆的耐撞性能做出如下结论：

（1）纵向平均加速度：在AW0-25km/h工况中列车车辆最大纵向平均加速度为3.65g，车辆平均纵向加速度没有超过EN15227标准要求限值5g。

（2）生存空间：撞击工况中运动列车与静止列车纵向压缩量最大值分别为35.8mm、46.1mm，达到最大压缩量后，均有一部分塑性变形，但地铁车变形没有对司乘人员的生存空间造成威胁，满足EN15227对生存空间的要求。

（3）爬车风险评估：AW0编组列车以25km/h的速度撞击一列静止列车的工况中，防爬器稳定啮合连锁，轮对在整个碰撞过程中都能保持与轨道的有效接触，满足标准要求，没有爬车风险。

计算结果表明：此新型地铁车辆耐撞性能良好，达到EN15227 标准的相关要求，可以满足在AW0 状态下25km/h六编组对撞工况的碰撞安全需求。

参考文献

[1]刘艳文．轨道客车碰撞被动安全性研究［D］．成都: 西南交通大学，2013．

[2]李少方,侯本虎,朱涛,肖守讷.地铁列车司机室前端结构耐撞性研究[J].铁道机车车辆,2018,38(01):96-99.

[3]陈秉智，刘坤，汤海武，等． 铝合金车体前端结构抗撞性优化设计［J］． 大连交通大学学报， 2013， 34(6) : 10-13．

[4]陈秉智，车全伟，谢素明，等． 上海地铁6 － 8号线吸能结构的抗撞性优化［J］． 大连交通大学学报，2011，32(4) : 6-10．

[5]谢素超，田红旗． 铁道车辆承载吸能结构优化研究［J］． 中国铁道科学， 2012， 33(6) : 60-68．

[6]GB-BSI． Railway Applications—Crashworthiness Requirementsfor Railway Vehicle Bodies: BS EN 15227: 2008+A1: 2010［S］．London: GB-BSI，2008．