列车端部吸能装置稳态阻抗力优化设计_吕天一.pdf

第 4 5 卷 第 1 期2 0 2 3 年 1 月铁道学报JOUNAL OF THE CHINA AILWAY SOCIETYVol 45No 1January2 0 2 3文章编号:1001-8360(2023)01-0028-07列车端部吸能装置稳态阻抗力优化设计吕天一，肖守讷，朱涛，张敬科(西南交通大学 牵引动力国家重点实验室，四川 成都610031)摘要:为了对列车端部吸能装置的稳态阻抗力进行优化，对列车纵向碰撞模型加以改进，以此为基础，研究吸能装置实际吸能量与其稳态阻抗力的关系。发现吸能量随着阻抗力增大呈现先增大后减小的趋势，且吸能装置在碰撞结束时恰好用尽全行程的情况下其实际吸能量达到最大值。为了确定此时的阻抗力，通过动力学分析推导其理论最优阻抗力。以某列车在不同场景下对撞为例，计算发现各场景下吸能装置采用理论最优解时的吸能量均为各自对照组中的最大值，并对数值设计的可靠性进行验证。关键词:碰撞能量管理;吸能装置;列车碰撞动力学中图分类号:U270.2文献标志码:Adoi:10.3969/j issn 1001-8360.2023.01.004Optimal Design of Steady-state Impedance Force of Train End EnergyAbsorbing DeviceL Tianyi，XIAO Shoune，ZHU Tao，ZHANG Jingke(State Key Laboratory of Traction Power，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China)Abstract:In order to optimize the steady-state impedance force of the energy absorption device at the end of a train，thelongitudinal collision model of the train was improved，based on which，the relationship between the actual energy ab-sorption and the steady-state impedance force of the energy absorption device was studied It is found that the energy ab-sorption first increases before decreasing with the increase of the impedance force At the end of the collision，the actualenergy absorption reaches the maximum when the energy absorption device just uses up the full stroke In order to deter-mine the impedance force at this time，the theoretical optimal impedance force was deduced through dynamic analysisFinally，based on the case of the collision of a train in different scenarios，it is found that the energy absorption of theenergy absorption device in each scenario is the maximum in the respective control group when using the theoretical opti-mal solution，which verifies the reliability of the numerical designKey words:collision energy management(CEM);energy absorber;train collision dynamics收稿日期:2021-05-24;修回日期:2022-08-07基金项目:四川省科技计划(2019YJ0216)第一作者:吕天一(1997)，男，辽宁朝阳人，硕士研究生。E-mail:lyutianyi my swjtu edu cn通信作者:朱涛(1984)，男，湖北老河口人，副研究员，博士。E-mail:zhutao034 swjtu cn在列车的碰撞过程中，保证乘员生存空间与降低碰撞加速度的关键在于碰撞能量的吸收。通过在列车端部加装吸能装置以及在车辆端部设置可变形吸能区，可以与车钩组成以多级吸能为基础的碰撞能量管理体系。相关列车对撞试验表明，碰撞能量管理系统能够极大提高列车的碰撞安全性1-3。经过碰撞能量管理改装的列车，碰撞过程中其轮轨抬升量会大幅下降，在降低了爬车、脱轨可能性的同时，使更多的能量由吸能装置、车钩等吸收。由于列车碰撞试验的费用高、复杂，之后的研究更多通过仿真与简化模型的手段进行。文献 4 分析了碰撞安全性标准对吸能装置的吸能量要求，并建立了列车纵向碰撞模型，据此提出了端部吸能装置的经验公式。文献 5-6 等通过简化某型意大利列车，建立了列车纵向碰撞动力学模型，使其能够分析列车参数对纵向冲击的影响。文献 7 把通过试验测得的力-位移曲线输入列车纵向碰撞动力学模型之中，取得了与试验结果吻合较好的动力学结果，这也表明了建立纵向碰撞模型研究列车的响应是比较可靠的。文献 8等研究了碰撞场景下列车的响应，建立了列车纵向-垂向碰撞动力学耦合模型，得到了比第 1 期吕天一等:列车端部吸能装置稳态阻抗力优化设计较理想的仿真效果。文献 9 等通过建立列车纵向碰撞动力学模型，对列车能量配置方案进行动力学仿真计算与对比分析，得到了较好的能量配置方案。通过对列车碰撞动力学的不断深入研究，可以将更为复杂的动力学模型进一步应用到碰撞安全性的领域中。虽然列车纵向碰撞动力学模型不能精确地反映车辆局部的运动与变形，但在车辆被动安全结构设计以及现有车辆的被动安全系统改装时，可以为结构的碰撞能量吸收分配提供一种快速而足够精确的手段。端部吸能装置作为车辆被动安全系统的重要部分，在碰撞过程中将承担主要的吸能任务。在车辆和车钩参数确定的情况下，通过分析列车的碰撞响应过程，从列车的速度与能量关系的角度，可以预测吸能装置的吸能量。文献 10 研究了车辆撞击刚性墙的响应过程，通过对比试验数据发现，头车的加(减)速度承受水平要明显大于随后的车辆。因此对车辆端部吸能装置及车钩的阻抗力进行优化设计有比较重要的现实意义。以此为基础优化设计吸能装置的阻抗力，可以使列车的被动安全系统协调运作，从而为车辆的设计和改造提供理论基础。1列车纵向碰撞动力学模型为了模拟碰撞场景下列车的响应，将车体视为刚体，由非线性刚度的弹簧代替钩缓装置与吸能装置，可以建立列车纵向碰撞多刚体模型4，11。在结构设计过程中，吸能装置的阻抗力不能无限增大。若阻抗力接近或超过车体端部吸能区的刚度，则会失去多级吸能的效果。因此在动力学模型中应当体现出车体的弹-塑性特性，参考文献 12 建立的车钩的力-位移曲线见图 1。F=T0 x T0K1K1xd1 x T0K1F0d2 x d1F0 K1(x d)x dF0 T0K1T0 x dF0 T0K1(1)式中:F 为阻抗力;F0为稳态压缩阻抗力;T0为稳态拉伸阻抗力(对于吸能装置等不承受拉力的单元，其T0设为 0);K1为弹性段刚度;d1为弹性极限;d2为硬化点;d为卸载点。作为优化设计目标的稳态阻抗力均为 F0。图 1理想弹-塑性力位移曲线以此为基础建立的列车纵向碰撞动力学模型见图 2。图 2带端部吸能区的改进模型采用集中质量矩阵将单元质量分布到两侧端点处建立列车纵向离散模型，得到了与多刚体模型类似的非线性方程组为Ma+Ku=F(2)式中:M 为单元质量矩阵;a 为节点加速度列向量;K为单元刚度矩阵;u 为节点位移列向量;F 为节点外力列向量。2端部吸能装置的设计理论2.1吸能装置实际吸能量的上限列车端部吸能装置通常与推回式车钩共同使用以达到更佳的吸能效果。推回式车钩会在达到最大行程时剪断并回推以防止爬车现象。在碰撞过程中，两侧头车车钩首先接触，车钩缓冲器和压溃管吸能，当达到最大行程时螺栓剪断，车钩退回到底架内部，此时车钩不再提供阻抗力。随后端部吸能防爬装置接触并压缩吸能，在行程用尽后两车端部吸能区接触。某四编组的列车对撞场景见图 3。图 3 中，A 列车为主动车，以25 km/h 的初始速度撞击 B 列车，B 列车静止于轨道上，两车均无制动。主动车从碰撞界面的车辆起，向远离碰撞界面的方向依次命名为 A1车、A2车等，被动车依次命名为 B1车、B2车等。A1车与 A2车之间的界面命名为 A1-A2界面，A1车与 A2车之间的车钩称作A1-A2车钩。分别设置由小到大的 10 组端部吸能装置阻抗力，利用带端部吸能区的改进模型，以文献 13 进行数值92铁道学报第 45 卷图 3两列 4 辆编组的列车对撞场景积分求解。计算结果见图 4。列车碰撞安全标准 BS EN152272019 中明确规定碰撞过程中的最大平均加速度是保护乘员安全的关键指标14。其最大平均加速度按照标准中的计算方法得到。主动车和被动车端部的吸能装置完全相同，其行程之和为 0.8 m。图 4吸能装置采用不同阻抗力时车辆的碰撞加速度、各部件的变形量和吸能量端部吸能装置作为可替换部件，在设计中应使其尽可能多地吸收能量以保护其他部件。碰撞过程中一旦吸能装置的行程全部压缩后车体端部吸能区即会发生变形。分析以上列车的被动安全系统各指标，发现当吸能装置阻抗力取一个较低的值(图 4(c)中为 200 kN)时，吸能装置已完全压溃，车体端部吸能区发生碰撞，使碰撞加速度处在较高的水平。随着吸能装置的稳态阻抗力逐渐上升至约 8001 000 kN 之间，车体端部吸能区吸能逐渐下降，车辆碰撞加速度也逐渐下降。当阻抗力继续提高时，车体端部吸能区不再参与碰撞吸能，吸能装置已压缩行程从最大值开始下降，车辆碰撞加速度逐渐上升。表明随着吸能装置稳态阻抗力的提高，车辆碰撞加速度呈先降低在升高的趋势。分析其原因，当端部吸能区参与碰撞，其刚度高于端部吸能装置，则必然导致较高的加速度;而吸能装置压缩行程过低时能量吸收占比过低，从而不能起到保护作用。根据分析结果可以得到初步的结论，即最优的阻抗力设计应使碰撞过程中吸能装置压缩行程尽量接近吸能装置全行程，但不要超过全行程。下一步的数值设计依据这一结论，通过吸能装置压缩行程等于全行程求解最优阻抗力。2.2阻抗力优化设计流程在碰撞过程中的吸能装置作用时段内，主动车的动能分别被头车吸能装置以及后车车辆间车钩缓冲装置所吸收。该时段内车辆的响应是由车钩力与吸能装置阻抗力引起的响应叠加而成。因此吸能装置阻抗力引起的响应可由前两者之差得到，从而求得吸能装置引起的车辆系统吸能量的增量，这一增量由吸能装置吸能量的增量和车钩吸能量的增量两部分组成，最后可以得到吸能装置实际吸能量，使最优阻抗力问题转化为列车速度响应的求解见图 5。图 5阻抗力优化设计流程3阻抗力的数值设计3.1对某列车碰撞响应的分析在 2.1 节所述 4 编组列车对撞场景下的某碰撞速度响应示意见图 6。图 6 已将两列车头车达到相同速度之前的阶段分为 a、b、c 三段区间。区间 a 从头车车03第 1 期吕天一等:列车端部吸能装置稳态阻抗力优化设计钩接触时刻开始，至车钩剪断时刻结束。此区间头车受力为头一位端的车钩阻抗力。由于头车和随后的中间车位移差较小，此时二位端中间车钩界面力较小。区间 b 从头车车钩剪断时刻开始，至吸能装置接触时刻结束，区间内头车只受到其二位端中间车钩界面力作用。区间 c