高速动车组碰撞安全性研究*

聂天琦，任尊松，孙守光，杨 光

（北京交通大学机械与电子控制工程学院，北京100044）

高速动车组碰撞安全性研究*

聂天琦，任尊松，孙守光，杨 光

（北京交通大学机械与电子控制工程学院，北京100044）

2011年7月国内发生了两列动车组追尾碰撞事故。基于多体动力学理论，运用SIMPACK软件建立了两列高速动车组多体系统动力学模型。采用数值方法对两列8节编组动车组碰撞过程进行了分析和研究。获得了不同速度碰撞工况下列车各车辆的冲击加速度、各个碰撞界面冲击力、碰撞行程、各轮对轮重减载率等参数的变化规律，实现了对高速动车组不同碰撞工况下安全性评估。结果表明，列车以较低速度碰撞时，钩缓装置和吸能结构可保护车厢主体不变形；当碰撞速度较高时，车厢主体受到破坏，乘客空间遭到侵入，且列车安全性指标超过相应限定值。

高速动车组；碰撞；安全性；动力学模型

随着铁路科技发展，轨道车辆运行速度不断提高。车速提高后，一旦发生列车碰撞事故，将造成严重的乘客伤亡，使得事故后果更为严重。如何对碰撞事故中车辆冲击振动和安全进行定量分析，以及如何最大程度地保护乘客的安全并将碰撞事故造成的损失降到最小，是当今轨道交通领域的研究热点之一。有鉴于此，以列车系统动力学为理论基础，通过仿真手段对列车碰撞过程进行研究，得到列车碰撞的参数特性，将有助于指导车辆安全防护装置的设计与配置，对保护旅客的生命财产安全有重要的意义。

美国Volpe国家运输系统中心通过调查2002年加州普拉森提亚市发生的列车碰撞事故，并采用ADAMS软件建模仿真，提出了改进旅客防护和提高列车结构耐撞性的方法［1］。英国谢菲尔德大学采用有限元法，在LS-D Y N A中对两辆带驾驶室的车辆碰撞进行了仿真，找到车辆结构的薄弱环节从而提高其耐撞性［2］。日本的Yasushi Ujita建立了动车组列车端部结构的有限元模型，对列车中间车辆端部碰撞等非常规载荷情况进行了仿真，并以此对列车结构强度进行了评估［3］。韩国成均馆大学采用拓扑优化技术，设计了一种提高碰撞吸能效果的端部车辆框架结构，并与现有的框架结构进行了耐撞性对比［4］。

目前国内关于列车碰撞的研究主要集中在采用有限元方法进行车辆耐碰撞性分析，获得碰撞部位的结构变形和应力大小，而对于车辆动力学方面主要集中于采用车辆动力学及列车动力学原理研究列车在正常工况下（如牵引、制动和过曲线等）的动力学性能，关于整列车碰撞的动力学仿真的研究较少。何文佳等［5］使用Hypermesh软件建立了国内某B型地铁车辆的有限元模型，并应用LS-DYNA软件进行了碰撞分析，分别得到了能量、车钩力和加速度的关系曲线；陈秉智［6］采用PAM-CRASH软件，对CRH3动车组碰撞刚性墙进行了仿真，并引入假人模型，对碰撞造成的人员伤害进行了分析；王文斌［7］提出了一种基于有限元和多体动力学进行列车耐碰撞系统设计的联合仿真方法，实现了对列车碰撞安全性能的优化，但仅针对某型地铁做了低速碰撞研究。

根据列车动力学原理，采用机械系统运动学、动力学仿真分析软件SIMPACK软件建立了完备的高速列车整车动力学模型，拟对两列8辆编组的列车进行碰撞过程仿真，得到列车碰撞过程中的冲击加速度、缓冲吸能装置冲击力、碰撞行程以及轮重减载率等参数，并对列车碰撞安全性进行了评估。

1　列车碰撞过程

一般地，铁道车辆车端耐撞性结构包括有车钩缓冲器、压溃管和安全剪切装置和车端碰撞吸能结构等［8］。缓冲器的作用是缓和并衰减列车在运行中产生的冲击力，但在两列车碰撞速度较高时，车钩缓冲器无法承受和吸收碰撞产生的全部冲击力和能量，为弥补缓冲器吸收能量的能力不足，可以在车钩一端连接压溃管，通过压溃管的不可恢复形变来吸收碰撞产生的能量。安全剪切装置是对底架的过载保护，当剪切装置作用后，车钩与底架脱离。车端碰撞吸能结构是吸收碰撞能量的关键部位，它的结构强度比车厢部分弱，一旦发生碰撞，车端吸能结构首先产生变形，吸收大部分碰撞产生的能量，以保护车厢不被压缩，保证乘客的生存空间不被侵入［］。

列车碰撞的过程可以分为如下几个阶段：两列车碰撞时，两列车的车钩首先自动连接，车钩缓冲装置吸收部分冲击能量；当缓冲器受力超过一定范围时，安全剪切装置将车钩缓冲器与车底架完全脱离；车钩缓冲器与底架脱离后，两列车间应保有一定自由间隙，此时两列车间没有作用力；两列车继续相对运动，间隙消失，两列车二次相撞，车端碰撞吸能结构发生塑性变形，吸收大部分碰撞能量；若吸能结构的行程被完全压缩且碰撞能量仍未被全部吸收，则车辆的客车车厢结构发生塑性变形，此过程将对司机及乘客的生存空间造成侵害。因此，应尽量使车钩缓冲装置及车端碰撞吸能结构吸收碰撞产生的全部能量，避免客车车厢变形。

2　动车组钩缓装置特性

2011年7月，国内两列动车组发生了追尾碰撞，前列车为CRH1型动车组，后列车为CRH2型动车组。

CRH1型动车组和CRH2型动车组的车端钩缓装置分别采用了福伊特公司的Scharfenberg车钩和柴田式车钩［10］。由于前端车钩装置和中间车钩装置的运用工况不同，因此两种车钩的结构和性能也不同，缓冲器的型式与特性也有一定区别。CRH1型动车前端采用自动车钩，中间采用半永久性车钩，两种车钩采用的都是橡胶缓冲器，但每个半永久车钩都带有1个压溃管来提高吸收能量的能力。CRH2型动车端部采用全自动车钩，中间采用半自动车钩，两种车钩的缓冲装置均为W形橡胶缓冲器，但两者的性能参数有较大差别。表1给出了各型车钩缓冲器的性能参数，这些参数在建立车钩模型中得到体现。

表1　CRH1及CRH2型动车组缓冲器性能参数

3　列车碰撞动力学模型建立

建立了完整的两列8节编组列车动力学模型。模型中，每一车辆为完整的三维空间动力学模型，涵盖其所有主体部件如车体、构架、轴箱以及轮对等的垂向、横向和纵向自由度。轮轨关系以及其他约束关系在模型中得到了充分体现，各结构和悬挂参数均按照真实车辆数据设置。前车的缓冲特性按照CRH1的钩缓装置设置，后车的缓冲特性按照CRH2的钩缓装置设置。车辆间的车钩缓冲装置采用力元模拟，并将缓冲器的力—行程曲线及车体吸能结构的特性曲线作为输入函数赋予各车辆间连接力元。实际碰撞发生时多以追尾形式发生。因此模拟过程中，后列车以一定速度向前行驶，与前方列车发生碰撞。碰撞过程中，各车辆及分界面编号如图1所示。

图1　列车碰撞模型示意图

4　列车碰撞动力学仿真结果

4.1中低速碰撞结果

当后列车以20 km/h的速度与前方静止的列车发生碰撞时，两列车的冲击加速度、纵向冲击力、碰撞行程与时间的关系曲线如图2～图4所示。碰撞车辆各分界面的最大纵向冲击力、最大碰撞行程及吸能结构破坏情况如表2所示。由于两列车的特性较为相似，因此图中只列出了分界面1～8的冲击力和碰撞行程曲线。各车辆界面的碰撞行程即相邻车辆前端接触点的相对位移，包括钩缓装置、压溃管及车体变形的行程，用来判断车辆各吸能装置及车厢主体变形。

由此可见，两列车各车辆的冲击加速度、纵向冲击力、碰撞行程均由碰撞分界面向外逐渐减小；随车辆间继续相对运动，各界面的冲击力达到最大值后发生卸载，各界面的碰撞行程达到最大值后也逐渐减小；两列车的最大冲击加速度发生在8车与9车，分别为51.8 m/s2和52.5 m/s2；前列车的各车辆最大冲击加速度、最大纵向冲击力总体上略小于后列车各车辆。前列车中间钩缓装置带有行程350 mm的压溃管，吸收了绝大部分碰撞产生的能量，因此分界面10～15的碰撞行程均未超出压溃管的变形极限，只有分界面9压溃管被压缩至极限，吸能结构发生约101 mm变形。后列车钩缓装置无压溃管，分界面1～7的碰撞行程均超出缓冲器的弹性行程，各车辆的吸能结构均受到不同程度的压缩。在碰撞分界面8处，两车的端部缓冲器均压缩至极限，两车吸能结构总压缩量为324 mm，各车厢主体结构均未被破坏。进一步仿真计算发现，当列车碰撞速度达到54 km/h时，车厢主体开始发生变形，并进一步影响乘客安全性。

图2　碰撞速度为20 km/h时的加速度—时间历程

图3　冲击力时间历程（20 km/h）

图4　碰撞行程时间历程（20 km/h）

总体上，当碰撞速度相对较低时（不超过54 km/h），前列车及后列车动车组的钩缓装置和吸能结构均能保护车厢主体不发生变形。前车动车组的钩缓装置由于装有350 mm行程的压溃管，对列车碰撞的保护优于后车动车组的钩缓装置。

4.2高速碰撞结果

依据相关事故调查报告，2011年国内动车组追尾事故发生时，前列车速度为16 km/h，后列车紧急制动后碰撞瞬间速度约为100 km/h。为此，这里模拟计算了这一碰撞工况，图5～图7给出了相应的冲击加速度、纵向冲击力、碰撞行程与时间的关系曲线。碰撞车辆各分界面的最大纵向冲击力、最大碰撞行程、吸能结构与车厢主体变形情况如表2所示。

表2　冲击力及碰撞行程

由此可见，与中低速冲击类似，高速碰撞时两列车各车辆的冲击加速度、纵向冲击力、碰撞行程也由碰撞分界面向外逐渐减小；最大冲击加速度发生在前列车尾车和后列车头车，分别为158.0 m/s2和157.5 m/s2；前列车的各车辆最大冲击加速度、最大纵向冲击力总体小于后列车各车辆；随车辆间继续相对运动，车辆间冲击力达到最大值后发生卸载，各界面车辆间碰撞行程达到最大值后开始下降，第6、7、8、9、10分界面碰撞行程均超出各自吸能结构的变形极限，车厢主体受到破坏，其中分界面6车厢主体共被压缩392 mm，分界面7车厢主体共被压缩1 460 mm，分界面8两车车厢主体共被压缩2 399 mm，分界面9两车厢主体共被压缩1 360 mm，分界面10两车厢主体共被压缩322 mm，表明在高速碰撞下，两列车的钩缓装置及吸能结构不足以保护车厢不被破坏，该工况下两列车各有3节车厢主体产生变形；由于缓冲器性能差异，前列车各车厢变形程度优于后列车各车厢变形程度，见表3。

图5　加速度时间历程

图6　冲击力时间历程

图7　碰撞行程时间历程

表3　两车追尾时的碰撞特性

图8是8车3位车轴1号车轮与9车2位车轴4号车轮的轮重减载率曲线。根据《高速试验列车动力车强度及动力学性能规范》（95J 01-L）规定，动态轮重减载率的标准值为0.8［11］。这两个车轮的轮重减载率分别达到0.88和0.87，超出了安全限值。

图8　轮重减载率

5　结 论

在建立完整的两列车三维动力学模型和缓冲器模型基础上，本文对两列车中低速和高速追尾碰撞动力性能进行了研究，结果表明：

（1）国内后列动车组以较低速度（不大于54 km/h）与静止的前列动车组碰撞时，钩缓装置和车端吸能结构能够吸收全部碰撞产生的能量，能够保护车厢主体不被破坏，乘客区域不被侵入。

（2）两列车高速追尾碰撞时，两列车的吸能结构均被压缩至极限，车厢主体受到破坏，且冲击加速度大，对乘客安全性造成严重影响。

（3）两列动车组高速碰撞时，距碰撞界面较近车轮的轮重减载率超过了安全限值，列车运行安全性受到严重影响。

［1］ D Parent，D Tyrell，A B Perlman.Crash worthiness analysis of the Placentia，CA rail collision［J］.nternational Journal of Crash-worthiness，2004，9（5）：527-534.

［2］ X Xue，F Schmid，R A Smith.A study of modelling approaches for rail vehicle collision behaviour［J］.International Journal of Crash worthiness，2004，9（5）：515-525.

［3］ Yasushi Ujita.Evaluation of Strength of End Structures in Intermediate Rolling Stock of a Train During Train Collision Accidents［J］.QR of RTRI，2014，1（55）：14-19.

［4］ HyunJun Kim，Hoon Cho，HyunSeung，Tae-Soo Kwon，Myung-Won Suh.Crash worthiness design and evaluation on the leading-cab structure of rolling stock using topology optimization［J］.Internatonal Journal of Precision Engineering and Manufacturing，2009，10（2）：79-85.

［5］ 何文佳，岳译新，陈 莹.基于LS-D Y N A的城轨列车碰撞分析［J］.技术与市场，2013，20（5）：87-88.

［6］ 陈秉智，杨慧芳，兆文忠.高速动车组碰撞仿真研究［J］.大连交通大学学报，2011，32（1）：11-16.

［7］ 王文斌，康 康，赵洪伦.列车耐碰撞系统有限元和多体动力学联合仿真［J］.同济大学学报（自然科学版），2011，39（10）：1552-1556.

［8］ Lu G..Collision behavior of crash worthy vehicles in rakes［J］.Journal of Rail and Rapid Transit，1999，213：143-160.

［9］ G Simic，V Lucanin，D Milkovic.Elements of passive safety of railway vehicles in collision［J］.International Journal of Crash-worthiness，2006，11（4）：357-369.

［10］ 李瑞淳.动车组车钩缓冲装置统型研究［J］.城市轨道交通研究，2013，16（8）：64-69.

［11］ 任尊松.车辆动力学基础［M］.北京：中国铁道出版社，2009.

Research on Collision Safety of High-speed EMU

NIE Tianqi，REN Zunsong，SUN Shouguang，YANG Guang
（School of Mechanical，Electronic and Control Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China）

In July，2011，a train crash took place in China.Based on multi-body dynamics theory，two multi-body system dynamics models of high-speed train are built.The collision process of two 8 EMUs is analyzed and researched by numerical approach.Impact accelerations of each car，impact forces and displacements of each collision interface and rates of wheel load reduction of each wheel set under different velocity impact conditions are obtained.The simulation results show that coupler buffers and energy absorbers are capable of protecting the carriages from deforming when two trains collide at low speed.When the collision speed is high，the carriages are damaged，survival space for passengers is invaded and the trains are at high risk of derailment.

high-speed EMU；collision；security；dynamics model

U266.11

A doi：10.3969/j.issn.1008-7842.2015.04.03

1008-7842（2015）04-0011-05

*国家自然科学基金（51175032、U1134201）；国家基础研究发展计划（973计划，2011CD711104）。

9—）男，硕士研究生（

2015-01-26）