GCY470型调车机车侧面碰撞仿真分析

　　[摘 要] 为研究地铁调车机车在侧面碰撞情况下的碰撞响应，建立了调车机车碰撞的有限元模型，按照不同工况，对其在道岔上发生不同部位的侧面碰撞进行仿真分析。结果表明，在碰撞过程中调车机车的轮对抬升量已超过车轮的轮缘高度，机车存在极大的脱轨风险。同时，在侧面碰撞中机车车体的吸能能力有限，无法耗散太多的碰撞能量。为提高机车在侧面碰撞中的吸能能力，在相关车体设计和优化时，可参考传统轨道车辆的纵向多级缓冲吸能系统进行设计，吸收碰撞能量，减少碰撞造成的损害。

　　[关键词] 调车机车;侧面碰撞;有限元分析;吸能

　　0 引言

　　随着我国铁路事业的快速发展，机车性能得到不断改进，运行速度也不断提高，同时机车具有自重大、载运量大等特点，一旦发生碰撞事故，将会由于机车具有的极大惯性而造成人员伤亡和财产损失。在碰撞事故中，机车需要在极短时间内消耗掉行进中所携带的能量，其中大部分能量需要由车体的变形来吸收，这对机车车体的耐撞性能提出了更高的要求[1]。

　　近年来，针对机车车辆的碰撞安全性研究主要集中在车辆的纵向碰撞响应上，如机车与刚性墙的碰撞、两辆机车的对撞等。关于侧面碰撞、与有一定倾斜角度的障碍物碰撞以及在道岔上碰撞的研究相对较少，其中对调车机车的碰撞仿真研究基本还是空白[2]。事实表明，列车间侧面碰撞事故时有发生，并且危害性更大[3]，因此对列车侧面碰撞的研究具有重要的现实意义和工程使用价值。

　　GCY470型调车机车是一种新型液力传动内燃调车机车，主要用于天津地铁5号线车辆段及其他基地内地铁列车调车作业的牵引，区间车站、隧道事故列车的救援牵引和无动力轨道车辆的牵引作业。该机车轴重14 t，柴油机装车功率为414 kW，最大启动牵引力为280 kN，最高运行速度为80 km/h[4]。机车车体采用轻量化设计，为内走廊式底架承载双司机室结构，车体部分主要由底架、司机室、侧墙和顶棚组成，走行部装有2台二轴转向架。整车结构如图1所示。

　　本文以GCY470型调车机车为研究对象，根据其结构特性和实际运行条件，利用有限元分析软件ANSYS/workbench，对机车在道岔上发生不同部位侧面碰撞的情况进行仿真模拟，研究机车在此工况下车体横移量、轮对抬升量以及应力、能量等结果的变化，为地铁调车机车相关车体结构的设计和优化提供参考。

　　1 有限元模型的建立

　　根据调车机车的三维实体模型建立机车的有限元模型，主要包括底架、司机室、侧墙和转向架。机车的整体结构构件材料均为Q345E，是一种低合金高强度钢板，在本文的仿真中，将其定义为弹塑性材料，材料属性如表1所示。在机车的有限元模型中，司机室采用壳单元SHELL181来模拟，壳单元的厚度全部按照机车原设计数据给定，侧墙结构采用梁单元BEAM188来模拟，车体底架和转向架采用实体单元SOLID185来模拟。图2所示为调车机车的有限元模型，模型共生成39 607个节点、95 851个单元，整个有限元模型中无错误及警告单元。

　　2 侧面碰撞工况设计

　　本文模拟两辆运行中的同类型机车在经过道岔时发生不同部位的侧面碰撞，撞击部位分别为司机室侧墙和车体侧墙。道岔选用地铁车辆段常用的50 kg/m钢轨7号单开道岔，道岔基本信息如表2所示[5]。

　　目前，标准EN 15227以及其他相关铁路标准对轨道车辆在道岔上发生侧面碰撞还没有具体的要求和评价标准，考虑到以往的侧面碰撞事故和所研究调车机车的实际运行条件，本文设定了以下两种侧面碰撞仿真工况，模拟两辆同类型机车在经过道岔时发生不同部位的侧面碰撞，分析机车车辆的侧面碰撞响应。为兼顾数值仿真计算精度和求解效率，本文的仿真中没有考虑摩擦的影响。

　　工况1：如图3(a)所示，调车机车B以5 km/h的速度侧面撞击同速度运行于直线轨道上的同类型机车A，两机车侧面碰撞部位均为司机室侧墙;其中两机车撞击端为Ⅰ端位，对应转向架为Ⅰ端位转向架;非撞击端为Ⅱ端位，对应转向架为Ⅱ端位转向架。

　　工況2：如图3(b)所示，以5 km/h的速度运行的调车机车B，侧面撞击同速度运行于直线轨道上的同类型机车A，撞击部位为机车A的车体侧墙。

　　3 结果分析

　　3.1 工况1

　　碰撞过程中不同时刻两辆机车的变化如图4所示。机车B以5 km/h的速度侧面撞击机车A，机车A的车体产生一定的横移响应，其中最大横移量为71 mm。碰撞中两辆机车各转向架被撞击侧车轮均有不同程度的抬升，其中轮对的最大抬升量为51 mm，出现在机车A的Ⅰ端位转向架处，此时机车车轮的抬升量已大于车轮轮缘高度，车轮已经脱轨，其中该调车机车的轮径为840 mm，轮缘高度为27 mm。随着碰撞的进行，机车A的Ⅰ端位转向架的轮对抬升趋势明显变快，且该工况下两机车的碰撞具有一定的倾斜角度，碰撞所产生的横向分力会随着碰撞的深入而不断增大，这使得车轮抬升的同时，转向架也发生横向偏移，若此时不及时采取必要的人为措施，机车将很有可能发生脱轨。图5为两机车各转向架的轮对抬升量对比图。

　　与传统轨道车辆的纵向碰撞不同，侧面碰撞不具备由钩缓装置、防爬吸能装置和车体端部变形吸能区组成的多级缓冲吸能系统[6]，碰撞冲击力直接作用到司机室侧墙。图6为该工况碰撞时司机室接触区的等效应力随时间变化的曲线，可见应力在0.48 s达到峰值，最大应力峰值为249.7 MPa。

　　图7所示为工况1整个碰撞过程中能量随时间的变化曲线。从图中可以看出，系统的初始动能为98.6 kJ，碰撞发生后，系统的动能逐渐减小，内能逐渐增加，仿真结束时约有17.4 kJ的能量转化为内能，由两机车结构变形所吸收，系统的剩余动能为71.7 kJ，占初始动能的72.7%。同时在仿真中，系统产生了2.7 kJ的沙漏能，占总能量的2.7%，满足沙漏能占比不超过5%的要求[7]。在碰撞仿真时间内，两车仍沿各自轨道运行，运行速度均有所降低。

　　3.2 工况2

　　碰撞过程中不同时刻两辆机车的变化如图8所示。

　　调车机车B以5 km/h的速度侧面撞击机车A，机车A产生了明显的侧滚运动(绕直线轨道)，侧滚角度为2.4°，同时机车车体也产生一定横移，最大横移量为52 mm。该工况下，两机车转向架的被撞击侧车轮均有抬升，但各转向架轮对的抬升量差距不大。图9为各转向架的轮对抬升量对比图，其中调车机车A的Ⅰ端位转向架被撞击侧的轮对抬升量最大，为49 mm。碰撞过程中两机车虽仍沿各自轨道运行，但随着碰撞程度的加深，轮对抬升量明显变大，两机车极有可能发生脱轨。

　　该工况下，碰撞冲击力直接作用于车体侧墙结构，图10为撞击机车侧墙时接触区等效应力随时间变化的曲线。由图可见，应力在0.51 s达到峰值，最大应力峰值为276.8 MPa。

　　图11所示为工况2整个碰撞过程中能量随时间的变化过程。由图可知，系统的初始动能为98.8 kJ，随着碰撞的进行，系统动能逐渐减小，内能逐渐增大，仿真结束时约有10.3 kJ转化为内能，由两机车结构变形所吸收。系统的剩余动能约为72.8 kJ，约占初始动能的73.7%，说明此时两机车仍具有很大的动能，极有可能在接下来发生不可控制的情形，导致碰撞后果的进一步恶化，这一点应值得关注。

　　4 结束语

　　在上述两个碰撞工况中，机车的司机室结构几乎未产生任何形变，司机的安全空间可以得到保障。但在侧面碰撞中，机车的轮对抬升量超过了车轮轮缘高度，且由于两机车的碰撞存在一定角度，碰撞所产生的横向分力会随着碰撞的深入不断增大，使得车轮抬升的同时，转向架也发生横向偏移，机车有极大的脱轨风险。此外，机车在受到侧面冲击时产生的侧滚运动，容易导致司机与司机室内部结构发生二次碰撞，为减少碰撞给司机造成的伤害，可从两个方面对司机室进行优化改进：一是限制司机位移，如在司机座椅处增设安全带机构;二是优化司机室内部结构材质，使其具有良好的缓冲作用。

　　从吸能方面看，在各工况仿真结束时机车均仍具有巨大动能，这将导致机车随后可能发生脱轨或侧翻等情况，这点应值得关注。此外，在各工况的碰撞过程中，被机车吸收的能量都不超过初始动能的20%，对于侧面碰撞，车体无法耗散太多碰撞能量。为提高机车在侧面碰撞中的吸能能力，可参照传统轨道车辆纵向多级缓冲吸能系统的设计思想，设计机车车体侧面的多级缓冲吸能系统，如利用车体底架与转向架之间、车体与车体之间的连接约束作用等，来吸收机车侧面碰撞的能量。

　　[参考文献]

　　[1] 赵磊，张昭，王松，等. 不同工况下机车车体碰撞过程数值模拟[J]. 机械研究与应用， 2014，27(6)：91-94.

　　[2] 黄士卫，周荣贵，贾向强. 某型内燃调车机车被动安全性设计验证[J]. 铁道机车与动车， 2014(3)：11.

　　[3] 朱涛，肖守讷，杨超，等. 机车车辆被动安全性研究综述[J]. 铁道学报， 2017，39(5)：22-32.

　　[4] 赵淑贤， 余丹， 里琳琳. GCY470型调车机车总体设计[J]. 铁道机车与动车， 2016(4)：18-22..

　　[5] 李志群.常用道岔主要参数手册[M]. 北京：中国铁道出版社，2007.

　　[6] 李铎. 共享路权下有轨电车侧面碰撞安全研究[D]. 成都：西南交通大学，2017.

　　[7] 程春阳. 混合路权下100%低地板有轨电车耐撞性研究[D]. 大连：大连交通大学，2018.

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