图1 车端三级吸能示意图
Published:10 September 2022,
Received:30 May 2022,
Revised:20 August 2022
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A 1-D longitudinal dynamics model was built with two type B metro trains of the same consist under longitudinal impact with each other, and the energy absorbing elements at the end of cars were modelled and simulated (including the reversible energy absorbing elements such as the rubber draft gear and irreversible ones such as the collapsible tube and anti-creeper). The parameters for the irreversible energy absorbing elements (collapsible tube) at the end of cars were optimized, for the sake of meeting multi-stage energy absorbing in train collisions, and comparative analysis was conducted on energy absorption in sections under the scenarios of a constant resistance force pattern, multistage resistance force pattern, and gradient resistance force pattern. According to the results, the variable resistance force pattern gives the energy absorbing element the best performance to meet the energy absorbing requirement at different speeds in collisions, to the benefit of uniform distribution of energy absorbing across sections, as the best solution to tackle the contradiction between a limited space between cars and insufficient energy absorbing stroke. Furthermore, the gradient resistance force pattern presents a better energy absorbing performance than the multistage resistance force pattern. The simulation results may serve as a reference in the parameter configuration of the energy absorbing elements in the coupler and draft gear system, especially the collapsible tube.
metro;
energy absorbing;
parameters;
optimization;
coupler;
simulation
根据EN 15227:2020[
本文基于车端吸能元件基本布局情况和工作原理[
地铁B型车一般采用三级吸能结构,以满足不同冲击速度时的吸能要求[
图1 车端三级吸能示意图
Fig. 1 Schematic diagram of 3-stage energy absorbing at the end of cars
在不同速度等级下,三级吸能结构分别起作用,起到缓冲吸能、保护车体的作用。常见三级吸能结构配置如
断面 | 碰撞速度/(km·h-1) | |||
---|---|---|---|---|
(0,5] | (5,15] | (15,25] | ||
头车 冲击 断面 |
车钩-可恢复吸能 (橡胶缓冲器) |
吸能 可恢复 |
吸能 可恢复 |
吸能 可恢复 |
车钩-不可恢复吸能 (压溃管) | 不吸能 |
吸能 不可恢复 |
吸能 不可恢复 | |
防爬器-不可恢复吸能 (压溃式或刨削式) | 不吸能 | 不吸能 |
吸能 不可恢复 | |
中间 断面 |
车钩-可恢复吸能 (橡胶缓冲器) |
吸能 可恢复 |
吸能 可恢复 |
吸能 可恢复 |
车钩-不可恢复吸能 (压溃管) | 不吸能 |
吸能 不可恢复 |
吸能 不可恢复 |
当地铁车辆碰撞速度不大于5 km/h时,车钩的橡胶缓冲器(EFG3缓冲器)吸收冲击能量,实现可恢复吸能,满足列车日常运营时的重联、救援需求;当地铁车辆碰撞速度为5~15 km/h(含15 km/h)时,车钩的压溃管参与吸能,防爬器未触发,碰撞发生后仅需更换车钩压溃管即可;当地铁车辆碰撞速度为15~25 km/h(含25 km/h)时,车钩压溃管参与吸能,并且车钩安装座处的剪切装置触发,车钩与车体分离后防爬器参与吸能。碰撞后更换车钩及防爬器,车体则未被破坏。
地铁列车通常采用压溃式吸能管(压溃管)作为常用不可逆吸能元件,主要结构如
图2 压溃管
Fig. 2 Collapsible tube
在实际车体设计过程中,由于车端距有限,必须对三级吸能结构的吸能特性和参数进行合理配置,以便在各断面允许的行程范围内满足不同速度下的碰撞吸能要求。实现以下车辆耐撞性的设计目标:①由碰撞造成的结构变形和破坏要限制在车端吸能元件,并尽量缩短碰撞行程,以保证旅客所在的车厢部分不被破坏;②车端吸能元件的变形吸能过程,应尽量均匀、充分吸收所有的碰撞能量,提高各断面吸能元件的利用率,充分保护乘客。
本文通过建立2列相同编组B型地铁列车纵向冲击时的一维多体动力学模型,对比分析车端不可逆吸能元件(压溃管)采用不同参数时的吸能效果。
根据列车纵向动力学理论[
图3 列车纵向动力学模型
Fig. 3 Longitudinal train dynamics model
其纵向动力学微分方程为
(1) |
式中:
其中,车辆受到的外力仅考虑列车停放制动力和摩擦阻力。
根据车端三级吸能结构参与碰撞吸能的顺序,得到车钩力的理想碰撞阻力特性,如
图4 车端理想碰撞阻力特性
Fig. 4 Ideal resistance force-stroke curve at the end of cars
由于发生碰撞时直接冲击断面的能量吸收需求最大,在列车首尾两端(断面6)配置了橡胶缓冲器、压溃管、剪切装置、防爬器作为吸能元件,其他中间断面(断面1~5、断面7~11)则仅配置了橡胶缓冲器和压溃管[
仿真模型中各断面橡胶缓冲器的“力-行程”特性曲线经过了EN 15227:2020 Annex B所要求的相关试验验证[
仿真计算所采用的列车及各断面缓冲器参数如
车辆序号 | m1,m6, m7, m12 | m2, m3, m4, m5, m8, m9, m10, m11 |
---|---|---|
质量/t | 38 | 40 |
吸能部件 | 参数项目 | 断面参数值 | |
---|---|---|---|
6 | 1, 2, 3, 4, 5, 7, 8, 9, 10, 11 | ||
橡胶缓冲器 |
阻抗力/kN 行程/mm |
≤680 ≤110 |
≤680 ≤110 |
压溃管 |
阻抗力/kN 行程/mm |
1 000 ≤370 |
详见 详见 |
剪切装置 |
阻抗力/kN 行程/mm |
1 100 ≤2 | |
防爬器 |
阻抗力/kN 行程/mm |
1 080 ≤400 |
为验证所设置的三级吸能结构参数能否满足列车碰撞吸能要求,分别对一列车(1车~6车)以5 km/h、15 km/h和25 km/h的初速度与处于静止状态下的另一列车(7车~12车)发生碰撞时的工况进行仿真,得到各断面车端吸能装置的“力-行程”曲线,并对比分析吸能元件设置不同参数时对仿真计算结果的影响。
根据前文建立的纵向动力学模型和确定的车端吸能元件参数,当2列车以车速5 km/h碰撞时,各断面可恢复吸能元件即橡胶缓冲器的行程均未超过110 mm,压溃管未触发。这表明所确定的缓冲器参数可以满足地铁车辆以速度5 km/h碰撞的要求。
本文重点对比分析除直接冲击断面(第6断面)以外的其他断面压溃管参数采用恒定力值、阶梯力值和渐变力值时的各断面吸能情况,所采用的参数和仿真工况如
工况 | 中间断面压溃管参数 (除第6断面)/ kN | 速度/ (km·h-1) | 编号 | |
---|---|---|---|---|
恒定力值 | 1 000 |
15 25 |
A1 A2 | |
阶梯力值 | 方案一 |
800 (0~200 mm) 1 100 (>200 mm) |
15 25 |
B1 B2 |
方案二 |
800 (0~150 mm) 1 100 (>150 mm) |
15 25 |
B3 B4 | |
渐变力值 | 700~1 100(0~228 mm) |
15 25 |
C1 C2 |
分别对2列相同编组的列车以15 km/h和25 km/h速度碰撞时的工况进行仿真。当地铁列车车端吸能元件采用
根据建立的仿真模型和仿真计算输入,对
断面 | A1 | B1 | B3 | C1 | A2 | B2 | B4 | C2 |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
1 | 52.1 | 38.5 | 38.5 | 41.3 | 50.6 | 38.4 | 38.4 | 42.2 |
2 | 60.3 | 48.4 | 48.4 | 65.3 | 59.2 | 48.4 | 48.4 | 79.1 |
3 | 60.0 | 49.2 | 49.2 | 105.3 | 64.4 | 200.0 | 214.5 | 197.6 |
4 | 67.5 | 114.1 | 158.7 | 127.0 | 64.5 | 334.6 | 243.6 | 239.6 |
5 | 80.6 | 212.4 | 159.3 | 127.4 | 440.0 | 340.2 | 247.9 | 249.7 |
6 | 230.7+0 | 152.6+0 | 152.6+0 | 149.8+0 | 370.0+781.0 | 370.0+454.0 | 370.0+719.0 | 370.0+716.0 |
7 | 66.2 | 210.6 | 159.9 | 118.2 | 440.0 | 340.2 | 247.9 | 249.7 |
8 | 57.9 | 62.7 | 110.7 | 102.1 | 64.5 | 334.6 | 243.6 | 239.6 |
9 | 52.7 | 42.6 | 43.0 | 70.5 | 64.4 | 200.0 | 214.5 | 197.6 |
10 | 47.1 | 36.9 | 37.8 | 53.1 | 59.2 | 48.4 | 48.4 | 79.1 |
11 | 39.1 | 27.5 | 28.7 | 40.9 | 50.6 | 38.4 | 38.4 | 42.2 |
本节将基于上述仿真结果,对比分析列车中间断面压溃管采用不同特性参数时对列车吸能情况的影响。
当中间断面压溃管参数采用恒定力值时,得到地铁列车以相对速度15 km/h和25 km/h碰撞时各断面的“力-行程”曲线,如
图5 仿真工况A1“力-行程”曲线
Fig. 5 Resistance force-stroke curve (case A1)
图6 仿真工况A2“力-行程”曲线
Fig. 6 Resistance force-stroke curve (case A2)
由
由仿真结果可知,当采用恒定力值工况时,一个明显的特点是直接冲击断面(第6断面)及其前后断面的非可逆吸能元件触发了较大的行程,而远离直接冲击断面的其他断面的触发行程较小,在各断面车端距相等的情况下,能量吸收分布不均,不利于车端距的充分利用及保护车体,并且第6断面需要配置大行程的压溃管和防爬器,不利于车端空间设计。
当中间断面压溃管参数采用阶梯力值方案一时,得到地铁列车以相对速度15 km/h和25 km/h碰撞时各断面的“力-行程”曲线,如
图7 仿真工况B1“力-行程”曲线
Fig. 7 Resistance force-stroke curve (case B1)
图8 仿真工况B2“力-行程”曲线
Fig. 8 Resistance force-stroke curve (case B2)
图9 仿真工况B3“力-行程”曲线
Fig. 9 Resistance force-stroke curve (case B3)
图10 仿真工况B4“力-行程”曲线
Fig. 10 Resistance force-stroke curve (case B4)
在2种阶梯力值方案中,不可逆元件的阻抗力均始于800 kN,止于1 100 kN,不同之处在于低阻力值部分的行程不同。
由
当中间断面低阻抗力值部分的行程走完之后,阶梯力值元件的力值跃升至1 100 kN,此时可以有效避免第5断面和第7断面的行程过大而破坏车体。对比A2工况和B2工况,当采用阶梯力值时,有效缩小了第5断面和第7断面的吸能总行程。
由于中间断面起始力值较低,相较于恒定力值工况,采用阶梯力值时,有利于直接冲击断面的碰撞能量传递至其他断面进行吸收。对比B2工况、B4工况和A2工况,第3断面~第4断面、第8断面~第9断面压溃管总行程均超过在A2工况中对应断面的压溃管总行程。这表明采用阶梯力值工况后,有利于各断面均匀地参与吸能。
对比阶梯力值方案一和方案二可知,在阶梯力值元件的总行程中,当低阻抗部分越长时,第5断面、第7断面和后续断面行程越长,直接冲击断面(第6断面)总行程越短。因此采用阶梯力值方案时,需要平衡兼顾直接冲击断面(第6断面)总行程与第5断面、第7断面总行程,如B1工况相对于A1工况,第6断面行程缩短,但是第5断面和第7断面行程较大;B2工况相对于B4工况,防爬器参与吸能的行程显著缩小,但是第5断面和第7断面行程显著增大。
另外,当采用阶梯力值参数时,受低阻抗部分的长度影响,远离直接冲击断面(第6断面)的其他断面参与吸能情况与接近直接冲击断面(第6断面)的其他断面吸能情况有明显的阶梯差异,如在B4工况中第3断面、第4断面和第5断面的行程均较大,而第1断面和第2断面则吸能较少,各断面吸能也呈现阶梯特性。
当中间断面压溃管参数采用渐变力值时,得到地铁列车以相对速度15 km/h和25 km/h碰撞时各断面的“力-行程”曲线,如
图11 仿真工况C1“力-行程”曲线
Fig. 11 Resistance force-stroke curve (case C1)
由
图12 仿真工况C2“力-行程”曲线
Fig. 12 Resistance force-stroke curve (case C2)
对比C2工况和B2工况可知,当阶梯力值参数低阻抗段设置的行程较大时,容易造成第5断面和第7断面的总行程较大,直接冲击断面(第6断面)防爬器的行程反而显著缩小,不利于充分利用车端防爬器的吸能优势,容易造成第5断面和第7断面行程超限;而采用渐变力值工况时,由于各中间断面力值按恒定斜率上升,当阻抗力低时,各断面充分参与吸能,当行程接近车端距时,阻抗足够大,有效避免总行程超限,保护中间断面车体不受破坏,同时将高阻抗力传递到直接冲击断面以便充分利用防爬器吸能。
仿真结果表明采用渐变力值阻抗力参数时,可以充分利用各断面的吸能元件,有效保护车体。
本文通过建立一维列车碰撞的纵向动力学模型和缓冲吸能元件的仿真模型,研究了车辆中间断面不可逆吸能元件(压溃管)在采用恒定力值、阶梯力值和渐变力值进行优化设计时对仿真结果的影响。
结果表明,当中间断面不可逆吸能元件采用阶梯力值进行优化设计时,可以有效缓解恒定力值工况中直接冲击断面的吸能压力;当采用渐变阻抗力特性时,在低阻抗时有利于各断面充分参与吸能,有利于列车碰撞时各断面充分吸能、均匀吸能,而高阻抗力段则可以有效避免直接冲击断面或其他中间断面出现较大的碰撞行程,充分发挥防爬器作用,保护各车体不被破坏。计算结论可为列车吸能元件参数配置提供参考。
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