[2017年整理]列车撞击简介0101

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1、1撞击介绍1国外列车耐碰撞性研究状况欧洲铁路近 20 年来一直在不断地研究列车被动安全防护技术，包括结构设计准则、能量吸收部件的开发、车辆结构碰撞结果的力学分析、能量吸收部件的材料试验、吸能结构的部件吸能试验以及整车碰撞试验等等。欧洲铁路在耐碰撞列车的前端结构中，不仅将车钩缓冲器、防爬器和能量吸收管集成一体，还使列车前端底架参与吸收碰撞能量，并在侧墙和端墙中设置铝制蜂窝板，使之也能吸收碰撞能量。另外，通过 在斜撑和下侧梁开切口来控制底架塑性变形的初始屈服应力和折曲方向。英国于 20 世纪 80 年代后期开始起步，对铁路列车碰撞进行了研究：1985 年发表了第一篇论文，介绍了关于事故严重性的最初

2、研究，提出了进一步减缓碰撞和能量吸收的概念；在后续的研究中提出了车体的耐碰撞性结构设计和以可控制的方式吸收碰撞能量，并进行了实物碰撞实验，其中包括在试验台上进行的对车体端部静态冲击试验和两辆全尺寸列车的正面碰撞试验。20 世界 90 年代，英国铁路管理委员会成立专门从事列车碰撞问题的研究机构。对铁道车辆结构耐碰撞性和吸能元件进行较深入的理论分析、计算机仿真和试验研究。1992年到 1995 年间采用 LS-DYNA3D 软件对各种钢质、铝制结构的大变形、非线性 压溃形式进行了研究，其研究范围从简单圆管、各种组合结构到完整的车辆端部结构，同时英国还进行了列车碰撞时车辆爬车的试验研究。法国铁路研究

3、部门采用“Pam-crash”软件进行了列车碰撞模拟，按照车辆结构耐碰撞性要求，将拖车两端部设计为可变形的压溃吸能区，并在超级计算机上对 TGV DuPlex 车体 结构进行了优化。其中法国阿尔斯通公司在 1993 年把耐碰撞设计理念引入“欧洲夜间列车” 项目以后，提供了比英国铁路组织标准要求更严的车辆。法国在 TGV双层高速列车上为动车和尾部拖车设计了依次可承受 8MJ 和 6MJ 以上的碰撞能量的可碰撞结构，车辆之间设计安装了防爬装置。法国国营铁路(SNCF)对被动安全碰撞进行了大量的研究，阐明了被动安全碰撞的基本原理，详细阐述了碰撞的物理现象。2德国西门子公司与汉诺威大学合作首先对城市轻

4、轨车辆的结构耐碰撞性开展研究。其中庞巴迪运输部德国车辆制造公司(DWA)制造的防碰撞轻轨车辆中，一方面采用了类似汽车的空气囊系统，另一方面在司机控制台上安装了软垫。为了满足北美等国对乘客和司机进行碰撞被动安全保护的要求，由位于密苏里州的西门子研究中心对波特兰车体以 35km/h 速度撞 击刚性墙的方式 进行了非线性数值模拟。目前德国已在城市轻轨车辆、ICE 第三代列车上采用了耐冲击车体结构技术。除了欧洲各国铁路相继开展了大量的列车耐撞击研究外，美国、日本川崎重工也进行了大量的研究工作。美国 1997 年建立了有关列车碰撞的安全规范，并进行了大量试验研究工作。这些国家对客、货运列车的机车、客车以

5、及城市轨道列车，已开始逐步采用耐冲击吸能结构车体，正计划全面推广应用。其中美国交通部 Vople 研究中心从 1993 年开始一直致力于列车碰撞方面的研究工作，从单节车辆与刚性墙的碰撞、机车与机车的碰撞、机车与车辆、 车辆之间的碰撞，到列车对列车的碰撞，以及车辆发生碰撞后客室内乘客的二次碰撞都进行了大量研究。日本川崎重工已交付纽约地铁使用的 R142 型地铁列车，为满足美国提出的车体结构能吸收撞击能量的要求，专门在美国科罗拉多州的普韦布洛市进行了单台整车的冲撞试验。国际铁路联盟试验研究所(ERRI)在改进司机室正面碰撞时的动力阻抗方面进行了研究。其目的是开发分析碰撞过程的新方法和理论，设计能安

6、装在车体上的能量吸收装置，并提出全尺寸碰撞可行性研究，在车辆端部碰撞区域耗散碰撞能量。这一项目还包括对能量吸收部件以及安装于车体上的能量吸收部件的材料和结构特性的研究，并作为设计的依据，包括铝制的蜂窝材料、承受冲击载荷的平板以及承受轴向载荷的钢管。32国内列车耐碰撞性研究状况我国在列车被动安全防护技术的研究方面起步比较晚。20 世纪90 年代前，我国在列车被动安全防护技术方面的还是一片空白，虽然碰撞事故时有发生，但是却不被人们所重视。之后，结合我国铁路的实际情况，各个机车车辆制造公司和相关院校相继开展了列车的耐撞击性研究，国内研究人员一直致力于车辆大变形碰撞的模拟仿真工作的研究。西南交通大学肖

7、守讷、周本宽、胡小伟、 贾宇、雷成、 陈汉珍等对地铁、 动车组 等端部的吸能装置进行了大量仿真研究，在理论研究的基础上，采用高度非线性分析软件 LS-DYNA 对其车体碰撞行为进行仿真分析，设计了耐碰撞吸能装置并对其进行实验研究，研究结果表明仿真结果和实验结果具有较好的一致性，能够满足设计要求。从2004 年开始一直为企业的地铁车辆和重载机车的耐碰撞车体的设计分析提供技术支持。计算了分析了南车浦镇车辆有限公司出口孟买的地铁车体碰撞、深圳四号线地铁车体碰撞和 6 个地铁投标车体的碰撞计算分析， 计算分析了北车大同机车有限公司 200 公里机车车体结构的耐碰撞分析。中南大学高速列车研究中心是我国较

8、早开展列车结构耐撞性研究的单位之一。田红旗教授等人在对基本吸能元件进行仿真和试验研究的基础上， 对提速列车耐撞击性能进行了数值仿真，并在出口伊朗的客车车体上设计了吸能装置。已建成部件撞击模拟试验台，并成功进行吸能零部件的撞击模拟。南车青岛四方股份公司 2004 年设计的出口伊朗客车，强度规范执行国际铁路联盟 UIC 规程，车体钢结构 进行了轻量化耐冲击设计， 车体两端 设置吸能结构，撞击变形必须控制在无人区，单端吸收能量在 4MJ 以上。在 设计阶段进行了有限元数值碰撞模拟计算，但未进行车体的碰撞试验，伊朗车耐冲击吸能车体的研制对国内耐冲击车体的实施有借鉴意义。同济大学的李健、沈刚等人利用 A

9、DAMS 对国外某一列车防碰撞装置进行动力学计算，探讨防碰撞列车的设计原理和能量吸收装置的特性。赵 洪伦等人对高速列车和城市轨道列车进行耐碰撞仿真分析4研究，对一些基本的吸能元件进行了试验分析，并将研究成果运用在南车四方机车车辆股份有限公司为北京八通线等制造的城市高速列车的耐碰撞设计上。中国铁道科学研究院研究发展中心机车车辆研究所利用专业的碰撞模拟软件“Pam-crash” 进行列车碰撞仿真研究。解决了列车碰撞仿真研究中的单元数量大和碰撞作用时间长，从而导致计算时间过长的难点。刘金朝、王成国等人对薄壁圆管的轴向撞击、轨道列车铝合金材料的耐撞性进行了模拟，并对 25B 型铁 道客车和城市轨道列车

10、进行了大变形碰撞仿真研究，取得了一定的研究成果。3列车碰撞的事故分类及特点“安全”是铁路运输的永恒主 题，根据已有事故的 经验分析，可以将列车碰撞事故分为以下四种情况： 同一轨道上发生列车间或车辆间碰撞，包括同类和不同类两种列车之间的碰撞； 平交道口与非同类列车或车辆的碰撞，如列车与重载公路交通运输车辆的碰撞； 与在轨道上或堵塞在轨道上的障碍物发生的碰撞，如列车与石块，养路设备等的碰撞等； 单一列车事故，通常由于支承和导向损失继而造成列车突然停车发生的碰撞。在所有碰撞事故中，最严重的是列车与列车的碰撞。由于包含了大量的车组质量，在碰撞瞬间列车所携带的巨大动能将在极短的时间内以其他形式的能量耗散

11、，这种碰撞会产生很大的冲击力和减速度，即使在中等冲击速度下，也常常会造成列车巨大的结构破坏，并导致司乘人员的伤亡。发生碰撞后列车出现的各种响应描述如下：1）直线加速或减速。列车在轨道上加速或减速，并且车辆端部结构有一定的压缩。乘客在冲击方向上由于加速或减速与车内座位等可能发生二次碰撞。2）爬车。爬车是指撞击列车前端车辆的底架骑在被撞击列车前端车辆的底架上，或列车内部的车辆之间的一车辆骑在相邻车辆上，被5压车辆上部结构严重压碎破坏。被压车辆的乘客可能被严重挤压。3）拱起。拱起是指车辆绕与轨道垂直的水平轴线的转动，即垂向褶曲。4）褶曲。褶曲是指车辆绕与地面垂直的轴线的转动，即横向折曲。凸凹不平的地

12、势和列车端部的挤压都有可能使车辆处于危险的环境而造成乘客的伤亡。5）翻转。翻转是指车辆倾覆，与轨道成一定角度。翻转通常出现在较高的冲击速度下，乘客可能在车辆内部被扔出一定距离，甚至被抛出车外。6）侧碰撞。一列列车车头与另外其他列车车厢发生碰撞。图 1-1 碰撞发生后列车响应 示意图根据欧美等国对碰撞事故的数据分析得到如下结论：列车之间端部碰撞或阻塞造成的碰撞在灾难性的事故中占有最大的比例有些铁路在特殊的情况下，曾发生过在平交道口与重载公路交通运输车碰撞的事故。列车端部碰撞后，当一列车爬到另一列车上时其伤亡率相当高，由于发生爬车后车辆中生存空间的减少，其伤亡率将比没有出现爬车的高达 20 倍以上

13、。大部分列车碰撞由于发生在车站地区或减速以后，碰撞速度在 56km/h65km/h 之间，在平交道口发生的碰撞可能速度更高。4机车车辆碰撞安全性设计的基本方法机车车辆碰撞安全性研究可分为试验研究和计算机仿真两种方法。4.1 试验研究6机车车辆碰撞安全性的试验有实车碰撞试验和部件冲击试验。实车碰撞试验由于与事故的情况最接近，是综合评价车辆被动安全性的最基本的方法。主要用来对已开发的成品车型进行按法规的要求的试验，以鉴定其是否达到法规要求。部件冲击试验主要是针对能量吸收装置和防爬装置等进行的试验，以鉴定零部件是否满足设计要求。实车碰撞试验和部件冲击试验都要涉及到试验数据的采集和处理，通常采用的数据

14、采集系统为电测量和光测量相结合的系统，试验中要用到大量的传感器和数台高速摄像机，这些数据采集系统以及试验中采用的假人在试验前都要进行严格的标定，其试验准备工作是十分费时。另外碰撞试验是破坏性试验，试验所需费用是十分昂贵的，并且由于试验中有一些随机因素的影响，使试验结果往往不够稳定，可重复性差。4.2 计算机仿真随着电子计算机的发展以及有限元和多体系统动力学建模方法的发展，计 算机仿真技术逐步应用于机车车辆的碰撞过程仿真。碰撞过程计算机仿真的方法主要包括多刚体动力学法和有限元法。多刚体动力学法以刚体来代表转向架、车体、车内座椅和假人等，各刚体之间的相互作用通过接触模型来定义，作用力的大小依据贯穿

15、量和接触特性来计算。多刚体模型的输入为车辆所承受的碰撞加速度曲线， 输出 结果为假人各部分的受力、减速度历程曲线以及伤害指标等。有限元法（显式有限元）考虑到结构的几何非线性、材料非线性和边界非线性，可用于车辆的详细建模。其求解的内容包括车体的撞击变形及动态响应以及人体的碰撞响应等多种未知量，求解的结果可直接用来评价机车车辆或部件碰撞安全性能的好坏，以帮助改进结构设计。碰撞过 程计算机仿真的软件有MSC/ADAMS、MADYMO、ANSYS/LS-DYNA、PAM-CRASH、MSC/DYTRAN 等。与试验技术相比，计算机仿真特别是有限元法在新产品初期的设计阶段就可对产品的安全性做出初步的评价

16、，可尽早地发现问题和解7决问题，从而极大地降低了开发的费用和缩短了开发的周期，同时计算机模拟的方法重复性好，存储的信息量大，可以观察其内部零件的变形情况和应力应变分布情况，在再次提出改进方案后能够快捷地修改模型。但是采用计算机仿真并不意味着放弃试验技术，计算机仿真模型的正确性最终要由试验验证。值得注意的事，如果已有的事故信息比较全面，使用已有的事故信息也可以验证碰撞模型的正确性，从而节省试验的费用。5与车辆被动安全相关的法规车辆碰撞试验台至少能满足下列标准（以标准最新版本为准）规定试验项目的要求： DIN EN15227：2008-07铁路应用铁路车辆车体耐撞性要求有具体的要求， 该 法 规 于 2007 年 颁 布。 SAFETRAIN 等 项 目的研究成果表明， 车间 的防爬器能承受垂直力 150KN，而且如果 2 车 垂直高度 错 开 100 140mm 后，将有爬 车 的危 险 ，建 议为 不超 过 100mm。客室的最大减速度不超 过 5g，中 间车 端部能吸收 0.7MJ 的能量