高速列车排障装置安全防护性能演化综述

姚曙光，周雪飞，许平，乔毓宁

(1.中南大学轨道交通安全教育部重点实验室，湖南长沙，410075；2.中南大学轨道交通安全关键技术国际合作联合实验室，湖南长沙，410075；3.中南大学轨道交通列车安全保障技术国家地方联合工程研究中心，湖南长沙，410075)

高速列车运行过程中，轨道上任何障碍物都可能对列车造成损坏，甚至出现脱轨、倾覆等严重的安全事故。为应对铁路线路可能出现的异物、两侧山体落石、大型动物出没、突降暴雪等突发情况，需在列车头车安装排障装置，排除线路上障碍物，排障装置成为高速列车重要组成部分。随着铁路运行速度不断提高，对排障装置排障性能和结构强度的要求也越来越高，为适应复杂的运行环境，高速列车排障装置安全防护性能逐步演化提升，从排除石子等小型障碍物到排除小型车辆和积雪等障碍物，排障装置的外形结构从简单的杆状结构发展成为钢管弯制结构，再到钢板拼焊的平直板式结构、弧形结构以及犁型结构，其功能特性朝着兼具排障、除雪和耐撞性的方向发展。

1 排障装置的演化历程

随着运行速度提升，列车经历了从蒸汽机车到内燃机车再到电力机车的进化，排障装置也不断发展演化(见图1)。蒸汽机车、内燃机车作为牵引机车，其排障装置由钢管或板材组焊而成，外部不安装导流罩，结构裸露，侧边焊有脚踏，造型大多平直或弧度较小，不具有能量吸收特性，安全防护性能一般(见图1(b)和(c))。SS4型电力机车排障装置采用管式结构，由3排平行的管子和一些短撑管焊接而成[1]。SS7型电力机车排障装置由钢管弯制组焊而成[2]。SS7E型电力机车排障装置采用板梁结构[3]。SS9型电力机车排障装置的排障板是平直的，并设有脚踏板方便工作人员调车时站立[4]。SS9型电力机车排障装置的排障板造型平直，只能将障碍物向前推而无法将障碍物扫出轨道，HXD3C型电力机车排障装置的排障板略带弧形[5]。HXD1系列(如HXD1B和HXD1C)电力机车排障装置采用较大板厚的板材组焊而成，质量较大，HXD1D型电力机车排障装置采用较小板厚的排障装置组焊而成的网格支撑梁结构[6]。ETH型电力机车排障装置的排障板造型平直[7]。神华电力机车排障装置采用板式结构[8]。为清除轨道上较小的碎石等障碍物，在转向架的构架或轴箱体安装了辅助排障器(见图1(a))[9]，其结构简单，在列车运行过程中，随着构架浮沉运动，会发生垂向的运动，因此，与轨面间隙不能过小。在轴箱上安装的排障器垂向运动幅度小，与轨面间隙可以设置较小，但由于轴箱振动较大，需提高排障器的结构强度。许多学者对排障器的结构进行了研究，刘忠义[10]设计了由支架、胶管、卡箍组成的新型胶管辅助排障器。安治业等[11]研究了采用锯齿嵌合结构的某型动车组转向架排障器，该排障器安装在转向架转臂式轴箱下部，将原来的单螺栓连接改为双螺栓连接，优化后辅助排障器的静强度、疲劳强度和刚度都有明显提升。李业明等[12]设计了新型排障器，该排障器上半部分设计成变截面箱形结构，下部分设计成等截面箱形结构且下端面与背面设计成135°角，上下部分采用环形体连接。何镭等[13]分析了SS8型电力机车转向架排障器支架裂纹的成因。随着从蒸汽机车、内燃机车发展到电力机车，排障器也发展演化成为可以排除大型障碍物的排障装置。排障装置安装在列车头车车体上，体积较大，与列车头部司机室外形的流线保持一致。同时，国内外对排障装置的强度提出了相关技术要求：EN 15227—2008[14]规定排障装置在中心线处能承受的最大纵向负载为300 N，在距中心线上横向距离750 mm处能承受的最大纵向负载为250 N，静态负载作用区域如图2所示；TB/T 2541—2010“机车车体静强度试验规范”[15]要求车体排障装置中央底部须能承受140 kN 静载荷而不发生永久性变形。

图1 排障装置的演化Fig.1 Evolution of auxiliary obstacle deflector

图2 静态负载作用区域[14]Fig.2 Static load action area[14]

随着高速动车组的发展，排障装置的外形和结构进一步优化，演化成为外形弧度更大、结构强度更高的动车组排障装置。动车组排障装置采用钢板拼焊而成，外部装有排障装置导流罩，可在内部设置吸能元件，安全防护性能更加优良。CRH1型动车组排障装置呈短围裙状，由钢板焊接而成的框架和玻璃钢制成的前围板组成；CRH2型动车组排障装置中头部呈犁型(见图1(d))，由排障板、排障橡胶、排障板盖板、缓冲板、缓冲板支撑、缓冲板支撑和缓冲板安装座组成，缓冲板可以吸收冲击能量；CRH3型动车组排障装置呈圆弧形，通过内部4 根圆管吸收能量；CRH5 型动车组排障装置呈弧形[16]。CA250 高速动车排障装置端面由平直面和2个侧面组成，弧度较大[17]。随着排障装置的演化，对其结构强度的要求也随之提高。英国铁道车辆结构要求GM/RT 2100[18]将最大静态负载提高到600 kN。TB/T 3500—2018“动车组车体耐撞性要求与验证规范”[19]将中心线处负载提高到300 kN，在距中心线上横向距离750 mm处最大负载提高到250 kN。标准中的规定比较如表1所示。

表1 国内外标准对排障装置的静态负载要求Table 1 Static load requirements of domestic and foreign standards for obstacle deflector

同时为适应多雪地区的运行环境，排障装置需具有除雪特性，进而演化为犁型排障装置(见图1(e))。在满足基础的排障功能和强度要求的前提下，犁型排障装置的开口角和前倾角更小，便于切入雪体，前端排障板设计成向外弯曲且弧度较大的曲面，在排除高度为800 mm标准雪堆(见图3)过程中，保证飞雪不会向上阻挡司机视线，翼板尾部设计成内凹形状，防止尾部飞雪高度过大。相应地，针对犁型排障装置的除雪标准也相继被提出。铁路应用环境条件机车车辆设计导则PD CEN-TR16251—2016[20]指出犁型排障装置的开口角不大于160°，在除雪过程中飞雪不能超过挡风玻璃，不能越过线路防护墙，并且要以极低的角度高效地将积雪排到贮雪沟中。

图3 标准雪堆Fig.3 Standard snowdrift

2 排障装置的排障性能

作为高速列车头部重要装置，排障装置最根本安全防护功能就是排除线路上的障碍物，防止列车发生脱轨。当高速列车与线路上障碍物撞击时，排障装置位于碰撞的最前方，排障装置必须具备一定的排障性能，以保证运行列车在与障碍物碰撞过程中的行车安全。EN 15227—2008[14]中对排障性能提出了明确的要求：排障装置为连续结构，应足以扫除转向架路径上的障碍物；排障装置的下缘应尽可能靠近轨面，以便扫掉石砾。

2.1 结构静强度研究

为最大限度发挥排障装置的排障功能，研究人员对排障装置结构静强度进行了广泛研究。胡坤镜等[21]对200 km/h 客运机车排障装置的静强度进行了计算，发现在排障装置中央底部施加140 kN 的静压力，最大应力出现在上翼板靠近中部的2块纵筋板上，为此，对筋板和封板进行了优化。奚海珍[22]对某型机车排障装置静强度进行计算，发现在排障装置中央施加120 kN的静载荷时，最大应力出现在鼻端中央面板，在距中心750 mm处施加100 kN 静载荷时，最大应力出现在鼻端和面板接触处。陶长焱等[23]对某货运列车排障装置以及吊座和支撑座进行静力学有限元分析，发现最大应力出现在吊座支撑板和接地座的连接位置底部，在排障装置和接地座之间增焊钢板提高刚度，在吊座非承载位置设置减重孔来改变结构质量分布。童小山等[24]对HXD1G型电力机车排障装置进行静强度仿真计算并进行试验验证，得出不同工况下应力云图(见图4)；在中心线施加300 kN的载荷时排障装置下部横向筋板应力较大，在中心线横向距离750 mm处施加250 kN载荷时，排障装置侧边垂直筋板应力较大，并在应力较大处布置应变片和0°—45°—90°应变花测量应力验证仿真计算的准确性。张红霞等[25-26]设计了HXD2电力机车排障装置并进行静强度分析和试验验证，发现在排障装置中央逐步施加137 kN 的力，在座下封板圆角和中央筋板两侧处出现应力集中现象。邓锐等[27]对200 km/h 城际动车组排障装置的静强度进行了分析，在中央位置施加纵向压缩载荷137 kN，得到排障装置的前端和吊座为主要的承力位置，最大应力出现在排障装置前端内侧板梁位置。吴承浩等[28]利用HWTK GUI Toolkit 开发工具，设计了基于Tcl语言的排障装置CAE流程化分析系统，提高了Hypermesh前处理效率，并对排障装置的静强度进行了计算，证明了系统的准确性和有效性。侯霁轩[29]对CRH5型动车组排障装置进行了准静态压缩试验，在排障装置的中间部分用千斤顶施加纵向载荷，并用测力传感器测量排障装置所受压力，将试验数据与仿真进行对比，验证了仿真结果的可靠性。李娅娜等[30]对某动车组排障装置进行了静强度试验，在排障装置的中央用油压千斤顶施加137 kN 的载荷，将应变片布置于排障装置主要承载结构的焊缝处，结果显示纵向螺栓连接件附近的焊缝处应力较大。齐俊岩[31]对北京地铁八通线DKZ4型地铁列车排障装置的振动进行了研究，指出排障装置振动对辅助电器有较大影响。郑继伟等[32]探究了辅助排障装置疲劳断裂的原因，基于线路实测加速度谱进行随机振动仿真分析，发现当频率为60～70 Hz 时辅助排障装置的二阶模态频率和线路激励接近产生共振，横向弯曲是导致疲劳断裂的主要原因。RENZO等[33]设计了一种前端带有尖角的排障装置。KIM等[34]对四杆机构的排障装置进行了静强度分析和试验验证。李永华等[35]基于损失模型对动车组排障装置进行了稳健优化设计。王金鹏等[36]对大轴重电力机车排障装置螺栓连接进行了强度校核分析。马力翔等[37]对动车组排障装置安装臂止转垫片裂纹进行了分析和改进。蔄涛[38]对CRH2 型及380A 动车组排障装置安装臂的紧固螺栓预紧力减少的现象进行了深度分析和研究。胡忠安等[39]对地铁车辆转向架排障装置进行了随机振动疲劳分析，发现断裂发生位置为钢管与支架钢板的焊接处。许喆等[40]针对断裂和裂纹问题，对地铁转向架排障装置结构进行优化，并进行了静强度计算和疲劳强度分析以及线路试验验证，结果验证了新型排障装置结构设计的合理性。张猛等[41]采用随机振动频域疲劳分析法找出了地铁车辆转向架排障装置疲劳薄弱位置并进行结构优化。目前针对排障装置的静强度研究主要是依托于国内外标准对静态负载的要求，进行准静态压缩试验和仿真分析，主要是通过在排障装置的中央底部和距中心横向距离750 mm处施加静载荷，校核材料的许用应力，分析结构的静强度。

图4 不同工况下von Mises应力云图[24]Fig.4 Von Mises stress cloud diagram under different working conditions[24]

2.2 排障装置耐撞性研究

随着列车运行速度的提高，如何提升排障装置冲击力学性能和耐撞击性能成为重点研究方向，主要集中于低矮障碍物对排障装置的冲击作用。根据障碍物体积及本身材料属性将障碍物分为小型障碍物、大变形障碍物和车辆障碍物。小型障碍物主要包括线路上的石块、木料等障碍物，此类障碍物刚度较大，极易损伤车体。张春林[42]对电力机车排障装置在冲击载荷下的强度进行计算，得到排障装置能承受大于1.5倍电力机车粘着重力的正面冲击载荷，满足正面撞击设计要求。李玲琴等[43]分析了不同速度下轨道上常见的花岗岩障碍物对米轨直流阿根廷机车排障装置的撞击，花岗岩采用黏弹性材料。谭惠日等[44-45]用显式动力学软件PAM-CRASH 从列车运行速度、落石质量和落石撞击位置3个角度对排障装置与落石撞击后的受损情况和动态冲击响应进行了仿真分析，其中落石模型选用实体单元进行构建，并设为刚体(图5(a))。铁路线路上经常有野生动物出没，牲畜时常会阻碍列车运行，另外可能发生行人误入线路或者卧轨自杀等突发状况[22,46]，大变形障碍物包括羊、牛、猪、马等动物。李本怀等[47]对带有排障装置的头车以110 km/h的速度与15 t大变形障碍物撞击进行仿真计算，得出障碍物的刚度会影响仿真结果。张云峰[48]对吸能排障装置与野猪的正向撞击和侧向撞击进行了仿真分析(图5(b))，其中野猪采用等比例弹性模型，模型中包含皮肤、软组织及骨骼，并赋予真实的动物组织属性。列车与汽车相撞的事故频发，平交道口时常发生机动车闯禁致使列车与机动车相撞的事故(图5(c))，排障装置应具有抵抗小型机动车冲击的能力[49]。国内外对排障装置和小型汽车碰撞多采用刚性墙进行模拟，杨慧芳[50]对CRH3 动车组吸能排障装置在108 km/h的速度下与15 t车辆的碰撞进行了仿真分析，其中车辆采用刚性墙进行模拟。

图5 排障装置碰撞仿真Fig.5 Collision simulation of obstacle deflector

中南大学对某动车组进行了两车对撞仿真分析，结果显示排障装置在两头车开始碰撞180 ms时进行接触并参与碰撞(见图6)。为提升高速列车的耐撞性，许多学者尝试将吸能结构融入排障装置的结构设计，排障装置向着兼具排障和能量吸收的方向发展[48,51]。对排障装置的吸能研究主要集在排障装置与车体的连接装置和排障装置内部吸能结构等方面。HAYASHI[52]设计了一种具有吸能斜撑杆的排障装置。CTW 第四代城轨车辆排障装置使用斜撑杆(图7(a))，在列车撞击过程中斜撑杆通过压缩吸能保护排障装置和车体的连接，以保证排障装置正常工作[53]。姜翠香[2]设计了200 km/h的动车组排障装置，排障装置前端设计成由5 个23 mm厚的铝板组成和板弹簧结构类似的缓冲板结构，当列出与障碍物碰撞时，缓冲板发生弹性形变吸收冲击能。张云峰[48]将铝蜂窝加入排障装置的结构设计，设计了导向管式、压溃管式、预埋件式和预埋件+外包覆式共4 种具有缓冲吸能特性的排障装置(图7(b))，对结构方案进行对比，最终选用了预埋件+外包覆式排障装置，并对预埋件+外包覆式排障装置与大变形障碍物的正向和侧向撞击进行了有限元仿真计算。丁晨等[54]将泡沫铝填充的吸能圆管设置于排障装置内部，并设计了圆管轴向压溃和圆管先径缩后压溃2 种吸能方案，对比在36 km/h 的速度下2 种排障装置与刚性墙的正面碰撞过程，结果显示采用先径缩后压溃的吸能方案有更好的缓冲吸能效果。杨慧芳[50]将4根压溃管设置于CRH3 动车组排障装置中(图7(c))，用装有吸能特性排障装置的头车以108 km/h 的速度正面撞击1辆15 t的公路车辆，发现吸能排障装置发生大变形失效，而乘客区没有发生任何变形，头车前端结构的耐撞性明显提升。排障装置在满足静强度要求的前提下，其耐撞性能得到有效提升。

图6 两对撞头车结构变形图Fig.6 Deformation chart of structure of two pairs of collision head cars

图7 具有吸能特性的排障装置Fig.7 Obstacle deflector with energy absorption characteristics

3 排障装置的除雪功能

高寒地区线路上的积雪是铁路线路特殊的障碍物，严重危害行车安全。为适应多雪地区的运行条件，排障装置的除雪功能应运而生，其安全防护性能从基本的排障功能演化出除雪特性。

3.1 除雪特性仿真研究

为提升排障装置除雪特性，探寻排障装置外形与除雪阻力和飞雪分布之间的关系是关键，仿真分析的难点主要集中在雪体材料的模拟上。雪体属于非线性材料，雪体状态在运动过程中发生变化，其材料属性会随之而变，且目前软件LSDYNA 中还未提供雪体的材料模型。罗晓晶[55]认为雪体和土体都是具有一定形状、粒度和物性的颗粒通过黏聚力作用而构成的多孔聚合体，雪体和土体在物理特性及力学特性方面高度相似，都表现出黏弹性，利用土体材料模型替代雪材料模型，采用有限单元法(图8(a))和无网格伽辽金法(图8(b))从除雪速度、除雪深度、雪体密度、排障装置开口角和前角等方面对动车组排障装置的除雪过程进行了仿真分析。柳颖娇等[56]设计了一种前端造型为铲雪板的具有除雪特性的排障装置，其中前端铲雪板设计成向外弯曲且向上倾斜的形状，以保证雪在向外排除后不会向上飞出，从而不会阻挡司机视线。刘仕超等[57]采用犁体曲面形成方法中的水平直元线法设计出具有除雪特性的排障装置模型，将积雪分为直接与排障装置接触的450 mm高的飞雪层和接近轨面的高50 mm的保留层，积雪采用土体材料模型*MAT_FHWA_SOIL，得到排障装置以2.78 m/s速度向前稳定行驶时受到的除雪阻力维持在13.8～18.2 kN之间，其中排障装置与积雪接触0.9 s时除雪阻力达到最大值20.636 kN。灾户真也等[58]对除雪阻力和飞雪角度进行研究，在30 m/s 的速度运行条件下，利用FLUENT 软件对缩比尺寸为1/5的犁型排障装置除雪过程中的液相-气相混相流模型进行了仿真计算(见图9)，再现了雪体与犁型排障装置撞击后达到压翼并从压翼飞出的过程，并与试验进行了对比验证，计算了飞雪角度和排雪阻力(表2)，得到x-y平面的飞雪角度为7°～10°，y-z平面的飞雪角度为28°～30°，犁型排障装置的除雪阻力随雪密度的增加而增加。

表2 数值计算得到的飞雪角度和除雪阻力[58]Table 2 Numerically calculated flying snow angle and snow removal resistance[58]

图8 除雪过程的数值模拟[55]Fig.8 Numerical simulation of snow removal process[55]

图9 飞雪角度的计算位置[58]Fig.9 Calculated position of flying snow angle[58]

3.2 除雪特性试验研究

日本开展了大量的排障装置除雪特性试验，其目的是测量排雪阻力。藤井俊茂等[59]对排障装置的除雪特性进行了大量的基础性研究工作。中岛大智等[60]参考船舶模型试验计算实船推进阻力的方法，采用相似法则，将犁型排障装置的排雪阻力视为雪体对犁表面的摩擦阻力和剩余阻力之和(图10)，并利用排雪阻力测定试验装置(图11(a)和11(b))，在10，20，30 和40 m/s 速度下进行试验，验证了采用相似准则预测排障装置除雪阻力的合理性和准确性。大桥昭典等[61]为测量犁型排障装置的排雪阻力，设计了桁架梁式导轨试验装置(图11(c))，在缩比为1/5 的排障装置模型上安装3 个测力传感器，分别测量上下、左右、前后的力，雪床长×宽×高设计为5 m×0.48 m×4 cm，在13，23 和31 m/s 的速度下进行试验，根据试验结果得到除雪阻力F(F=Chωρv2，其中，C为走行抵抗系数，h为除雪深度，ω为除雪宽度，ρ为雪密度，v为速度)。雪密度与排雪阻力之间的关系见图12(a)，速度与排雪应力之间的关系见图12(b)。

图10 船舶的推进阻力和犁型排障装置的排雪阻力[60]Fig.10 Propulsion resistance of ship and the snow removal resistance of plough-type obstacle deflector[60]

图11 犁型排障装置缩比试验装置[60-61]Fig.11 Scale test device plow-type obstacle deflector[60-61]

图12 排雪阻力影响因素[61]Fig.12 Influencing factors of snow removal resistance[61]

大桥昭典等[62]对排障装置各个角(图13(a))对飞雪的分布影响进行了试验研究，在水平和垂直方向设置10 个受雪箱来捕捉飞雪，通过计算各受雪箱中飞雪的质量在总质量中的占比得到飞雪捕捉率，进而得到飞雪的分布情况(图13(b))。镰田慈等[63]基于新干线200系列车排障装置，开发了具有除雪特性的犁型排障装置，利用着色木屑代替积雪，采用缩比排障装置模型进行多次除雪试验，研究排雪路径和飞雪分布。高速列车犁型排障装置不仅满足基本的结构强度要求，而且可以有效排除轨道上积雪，其安全防护性能得到提高。

图13 排障装置除雪试验[62]Fig.13 Snow removal test of obstacle deflector[62]

4 结论

1)随着高铁技术发展和列车运行速度提升，对排障装置的结构强度提出了更高的要求，排障装置从简单的杆状结构发展成为结构强度更高的板式结构；同时为适应积雪的运行环境，排障装置从简单的弧形演变为犁型，其排障性能得到有效提高；排障装置向着兼具排障、耐撞性和除雪一体化协同设计方向发展。

2)国内外标准针对静态条件下排障装置的强度和作用区域提出了明确的要求，但缺少对冲击载荷下排障装置的能量要求，还需要完善动态场景的负载指标和能量上限要求。未来可开展冲击载荷下的力学性能试验，深入研究排障装置的吸能特性，提升其被动安全防护性能。

3)犁型排障装置不仅满足基本排障功能要求，而且能有效排除轨道上积雪。目前，针对犁型排障装置的研究主要集中在仿真分析排障装置外形与排雪阻力和飞雪分布之间的关系，以及采用缩比试验测定排雪阻力。在后续研究中，需开展实车除雪试验，探寻真实环境条件、积雪形状对排雪阻力和飞雪分布的影响。