[摘 要] 為研究地鐵調(diào)車機(jī)車在側(cè)面碰撞情況下的碰撞響應(yīng)，建立了調(diào)車機(jī)車碰撞的有限元模型，按照不同工況，對其在道岔上發(fā)生不同部位的側(cè)面碰撞進(jìn)行仿真分析。結(jié)果表明，在碰撞過程中調(diào)車機(jī)車的輪對抬升量已超過車輪的輪緣高度，機(jī)車存在極大的脫軌風(fēng)險。同時，在側(cè)面碰撞中機(jī)車車體的吸能能力有限，無法耗散太多的碰撞能量。為提高機(jī)車在側(cè)面碰撞中的吸能能力，在相關(guān)車體設(shè)計(jì)和優(yōu)化時，可參考傳統(tǒng)軌道車輛的縱向多級緩沖吸能系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，吸收碰撞能量，減少碰撞造成的損害。

　　[關(guān)鍵詞] 調(diào)車機(jī)車;側(cè)面碰撞;有限元分析;吸能

　　0 引言

　　隨著我國鐵路事業(yè)的快速發(fā)展，機(jī)車性能得到不斷改進(jìn)，運(yùn)行速度也不斷提高，同時機(jī)車具有自重大、載運(yùn)量大等特點(diǎn)，一旦發(fā)生碰撞事故，將會由于機(jī)車具有的極大慣性而造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。在碰撞事故中，機(jī)車需要在極短時間內(nèi)消耗掉行進(jìn)中所攜帶的能量，其中大部分能量需要由車體的變形來吸收，這對機(jī)車車體的耐撞性能提出了更高的要求[1]。

　　近年來，針對機(jī)車車輛的碰撞安全性研究主要集中在車輛的縱向碰撞響應(yīng)上，如機(jī)車與剛性墻的碰撞、兩輛機(jī)車的對撞等。關(guān)于側(cè)面碰撞、與有一定傾斜角度的障礙物碰撞以及在道岔上碰撞的研究相對較少，其中對調(diào)車機(jī)車的碰撞仿真研究基本還是空白[2]。事實(shí)表明，列車間側(cè)面碰撞事故時有發(fā)生，并且危害性更大[3]，因此對列車側(cè)面碰撞的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和工程使用價值。

　　GCY470型調(diào)車機(jī)車是一種新型液力傳動內(nèi)燃調(diào)車機(jī)車，主要用于天津地鐵5號線車輛段及其他基地內(nèi)地鐵列車調(diào)車作業(yè)的牽引，區(qū)間車站、隧道事故列車的救援牽引和無動力軌道車輛的牽引作業(yè)。該機(jī)車軸重14 t，柴油機(jī)裝車功率為414 kW，最大啟動牽引力為280 kN，最高運(yùn)行速度為80 km/h[4]。機(jī)車車體采用輕量化設(shè)計(jì)，為內(nèi)走廊式底架承載雙司機(jī)室結(jié)構(gòu)，車體部分主要由底架、司機(jī)室、側(cè)墻和頂棚組成，走行部裝有2臺二軸轉(zhuǎn)向架。整車結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　本文以GCY470型調(diào)車機(jī)車為研究對象，根據(jù)其結(jié)構(gòu)特性和實(shí)際運(yùn)行條件，利用有限元分析軟件ANSYS/workbench，對機(jī)車在道岔上發(fā)生不同部位側(cè)面碰撞的情況進(jìn)行仿真模擬，研究機(jī)車在此工況下車體橫移量、輪對抬升量以及應(yīng)力、能量等結(jié)果的變化，為地鐵調(diào)車機(jī)車相關(guān)車體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供參考。

　　1 有限元模型的建立

　　根據(jù)調(diào)車機(jī)車的三維實(shí)體模型建立機(jī)車的有限元模型，主要包括底架、司機(jī)室、側(cè)墻和轉(zhuǎn)向架。機(jī)車的整體結(jié)構(gòu)構(gòu)件材料均為Q345E，是一種低合金高強(qiáng)度鋼板，在本文的仿真中，將其定義為彈塑性材料，材料屬性如表1所示。在機(jī)車的有限元模型中，司機(jī)室采用殼單元SHELL181來模擬，殼單元的厚度全部按照機(jī)車原設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)給定，側(cè)墻結(jié)構(gòu)采用梁單元BEAM188來模擬，車體底架和轉(zhuǎn)向架采用實(shí)體單元SOLID185來模擬。圖2所示為調(diào)車機(jī)車的有限元模型，模型共生成39 607個節(jié)點(diǎn)、95 851個單元，整個有限元模型中無錯誤及警告單元。

　　2 側(cè)面碰撞工況設(shè)計(jì)

　　本文模擬兩輛運(yùn)行中的同類型機(jī)車在經(jīng)過道岔時發(fā)生不同部位的側(cè)面碰撞，撞擊部位分別為司機(jī)室側(cè)墻和車體側(cè)墻。道岔選用地鐵車輛段常用的50 kg/m鋼軌7號單開道岔，道岔基本信息如表2所示[5]。

　　目前，標(biāo)準(zhǔn)EN 15227以及其他相關(guān)鐵路標(biāo)準(zhǔn)對軌道車輛在道岔上發(fā)生側(cè)面碰撞還沒有具體的要求和評價標(biāo)準(zhǔn)，考慮到以往的側(cè)面碰撞事故和所研究調(diào)車機(jī)車的實(shí)際運(yùn)行條件，本文設(shè)定了以下兩種側(cè)面碰撞仿真工況，模擬兩輛同類型機(jī)車在經(jīng)過道岔時發(fā)生不同部位的側(cè)面碰撞，分析機(jī)車車輛的側(cè)面碰撞響應(yīng)。為兼顧數(shù)值仿真計(jì)算精度和求解效率，本文的仿真中沒有考慮摩擦的影響。

　　工況1：如圖3(a)所示，調(diào)車機(jī)車B以5 km/h的速度側(cè)面撞擊同速度運(yùn)行于直線軌道上的同類型機(jī)車A，兩機(jī)車側(cè)面碰撞部位均為司機(jī)室側(cè)墻;其中兩機(jī)車撞擊端為Ⅰ端位，對應(yīng)轉(zhuǎn)向架為Ⅰ端位轉(zhuǎn)向架;非撞擊端為Ⅱ端位，對應(yīng)轉(zhuǎn)向架為Ⅱ端位轉(zhuǎn)向架。

　　工況2：如圖3(b)所示，以5 km/h的速度運(yùn)行的調(diào)車機(jī)車B，側(cè)面撞擊同速度運(yùn)行于直線軌道上的同類型機(jī)車A，撞擊部位為機(jī)車A的車體側(cè)墻。

　　3 結(jié)果分析

　　3.1 工況1

　　碰撞過程中不同時刻兩輛機(jī)車的變化如圖4所示。機(jī)車B以5 km/h的速度側(cè)面撞擊機(jī)車A，機(jī)車A的車體產(chǎn)生一定的橫移響應(yīng)，其中最大橫移量為71 mm。碰撞中兩輛機(jī)車各轉(zhuǎn)向架被撞擊側(cè)車輪均有不同程度的抬升，其中輪對的最大抬升量為51 mm，出現(xiàn)在機(jī)車A的Ⅰ端位轉(zhuǎn)向架處，此時機(jī)車車輪的抬升量已大于車輪輪緣高度，車輪已經(jīng)脫軌，其中該調(diào)車機(jī)車的輪徑為840 mm，輪緣高度為27 mm。隨著碰撞的進(jìn)行，機(jī)車A的Ⅰ端位轉(zhuǎn)向架的輪對抬升趨勢明顯變快，且該工況下兩機(jī)車的碰撞具有一定的傾斜角度，碰撞所產(chǎn)生的橫向分力會隨著碰撞的深入而不斷增大，這使得車輪抬升的同時，轉(zhuǎn)向架也發(fā)生橫向偏移，若此時不及時采取必要的人為措施，機(jī)車將很有可能發(fā)生脫軌。圖5為兩機(jī)車各轉(zhuǎn)向架的輪對抬升量對比圖。

　　與傳統(tǒng)軌道車輛的縱向碰撞不同，側(cè)面碰撞不具備由鉤緩裝置、防爬吸能裝置和車體端部變形吸能區(qū)組成的多級緩沖吸能系統(tǒng)[6]，碰撞沖擊力直接作用到司機(jī)室側(cè)墻。圖6為該工況碰撞時司機(jī)室接觸區(qū)的等效應(yīng)力隨時間變化的曲線，可見應(yīng)力在0.48 s達(dá)到峰值，最大應(yīng)力峰值為249.7 MPa。

　　圖7所示為工況1整個碰撞過程中能量隨時間的變化曲線。從圖中可以看出，系統(tǒng)的初始動能為98.6 kJ，碰撞發(fā)生后，系統(tǒng)的動能逐漸減小，內(nèi)能逐漸增加，仿真結(jié)束時約有17.4 kJ的能量轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，由兩機(jī)車結(jié)構(gòu)變形所吸收，系統(tǒng)的剩余動能為71.7 kJ，占初始動能的72.7%。同時在仿真中，系統(tǒng)產(chǎn)生了2.7 kJ的沙漏能，占總能量的2.7%，滿足沙漏能占比不超過5%的要求[7]。在碰撞仿真時間內(nèi)，兩車仍沿各自軌道運(yùn)行，運(yùn)行速度均有所降低。

　　3.2 工況2

　　碰撞過程中不同時刻兩輛機(jī)車的變化如圖8所示。

　　調(diào)車機(jī)車B以5 km/h的速度側(cè)面撞擊機(jī)車A，機(jī)車A產(chǎn)生了明顯的側(cè)滾運(yùn)動(繞直線軌道)，側(cè)滾角度為2.4°，同時機(jī)車車體也產(chǎn)生一定橫移，最大橫移量為52 mm。該工況下，兩機(jī)車轉(zhuǎn)向架的被撞擊側(cè)車輪均有抬升，但各轉(zhuǎn)向架輪對的抬升量差距不大。圖9為各轉(zhuǎn)向架的輪對抬升量對比圖，其中調(diào)車機(jī)車A的Ⅰ端位轉(zhuǎn)向架被撞擊側(cè)的輪對抬升量最大，為49 mm。碰撞過程中兩機(jī)車雖仍沿各自軌道運(yùn)行，但隨著碰撞程度的加深，輪對抬升量明顯變大，兩機(jī)車極有可能發(fā)生脫軌。

　　該工況下，碰撞沖擊力直接作用于車體側(cè)墻結(jié)構(gòu)，圖10為撞擊機(jī)車側(cè)墻時接觸區(qū)等效應(yīng)力隨時間變化的曲線。由圖可見，應(yīng)力在0.51 s達(dá)到峰值，最大應(yīng)力峰值為276.8 MPa。

　　圖11所示為工況2整個碰撞過程中能量隨時間的變化過程。由圖可知，系統(tǒng)的初始動能為98.8 kJ，隨著碰撞的進(jìn)行，系統(tǒng)動能逐漸減小，內(nèi)能逐漸增大，仿真結(jié)束時約有10.3 kJ轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，由兩機(jī)車結(jié)構(gòu)變形所吸收。系統(tǒng)的剩余動能約為72.8 kJ，約占初始動能的73.7%，說明此時兩機(jī)車仍具有很大的動能，極有可能在接下來發(fā)生不可控制的情形，導(dǎo)致碰撞后果的進(jìn)一步惡化，這一點(diǎn)應(yīng)值得關(guān)注。

　　4 結(jié)束語

　　在上述兩個碰撞工況中，機(jī)車的司機(jī)室結(jié)構(gòu)幾乎未產(chǎn)生任何形變，司機(jī)的安全空間可以得到保障。但在側(cè)面碰撞中，機(jī)車的輪對抬升量超過了車輪輪緣高度，且由于兩機(jī)車的碰撞存在一定角度，碰撞所產(chǎn)生的橫向分力會隨著碰撞的深入不斷增大，使得車輪抬升的同時，轉(zhuǎn)向架也發(fā)生橫向偏移，機(jī)車有極大的脫軌風(fēng)險。此外，機(jī)車在受到側(cè)面沖擊時產(chǎn)生的側(cè)滾運(yùn)動，容易導(dǎo)致司機(jī)與司機(jī)室內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生二次碰撞，為減少碰撞給司機(jī)造成的傷害，可從兩個方面對司機(jī)室進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)：一是限制司機(jī)位移，如在司機(jī)座椅處增設(shè)安全帶機(jī)構(gòu);二是優(yōu)化司機(jī)室內(nèi)部結(jié)構(gòu)材質(zhì)，使其具有良好的緩沖作用。

　　從吸能方面看，在各工況仿真結(jié)束時機(jī)車均仍具有巨大動能，這將導(dǎo)致機(jī)車隨后可能發(fā)生脫軌或側(cè)翻等情況，這點(diǎn)應(yīng)值得關(guān)注。此外，在各工況的碰撞過程中，被機(jī)車吸收的能量都不超過初始動能的20%，對于側(cè)面碰撞，車體無法耗散太多碰撞能量。為提高機(jī)車在側(cè)面碰撞中的吸能能力，可參照傳統(tǒng)軌道車輛縱向多級緩沖吸能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)機(jī)車車體側(cè)面的多級緩沖吸能系統(tǒng)，如利用車體底架與轉(zhuǎn)向架之間、車體與車體之間的連接約束作用等，來吸收機(jī)車側(cè)面碰撞的能量。

　　[參考文獻(xiàn)]

　　[1] 趙磊，張昭，王松，等. 不同工況下機(jī)車車體碰撞過程數(shù)值模擬[J]. 機(jī)械研究與應(yīng)用， 2014，27(6)：91-94.

　　[2] 黃士衛(wèi)，周榮貴，賈向強(qiáng). 某型內(nèi)燃調(diào)車機(jī)車被動安全性設(shè)計(jì)驗(yàn)證[J]. 鐵道機(jī)車與動車， 2014(3)：11.

　　[3] 朱濤，肖守訥，楊超，等. 機(jī)車車輛被動安全性研究綜述[J]. 鐵道學(xué)報(bào)， 2017，39(5)：22-32.

　　[4] 趙淑賢， 余丹， 里琳琳. GCY470型調(diào)車機(jī)車總體設(shè)計(jì)[J]. 鐵道機(jī)車與動車， 2016(4)：18-22..

　　[5] 李志群.常用道岔主要參數(shù)手冊[M]. 北京：中國鐵道出版社，2007.

　　[6] 李鐸. 共享路權(quán)下有軌電車側(cè)面碰撞安全研究[D]. 成都：西南交通大學(xué)，2017.

　　[7] 程春陽. 混合路權(quán)下100%低地板有軌電車耐撞性研究[D]. 大連：大連交通大學(xué)，2018.

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