[摘 要] 為研究地鐵調車機車在側面碰撞情況下的碰撞響應，建立了調車機車碰撞的有限元模型，按照不同工況，對其在道岔上發生不同部位的側面碰撞進行仿真分析。結果表明，在碰撞過程中調車機車的輪對抬升量已超過車輪的輪緣高度，機車存在極大的脫軌風險。同時，在側面碰撞中機車車體的吸能能力有限，無法耗散太多的碰撞能量。為提高機車在側面碰撞中的吸能能力，在相關車體設計和優化時，可參考傳統軌道車輛的縱向多級緩沖吸能系統進行設計，吸收碰撞能量，減少碰撞造成的損害。

　　[關鍵詞] 調車機車;側面碰撞;有限元分析;吸能

　　0 引言

　　隨著我國鐵路事業的快速發展，機車性能得到不斷改進，運行速度也不斷提高，同時機車具有自重大、載運量大等特點，一旦發生碰撞事故，將會由于機車具有的極大慣性而造成人員傷亡和財產損失。在碰撞事故中，機車需要在極短時間內消耗掉行進中所攜帶的能量，其中大部分能量需要由車體的變形來吸收，這對機車車體的耐撞性能提出了更高的要求[1]。

　　近年來，針對機車車輛的碰撞安全性研究主要集中在車輛的縱向碰撞響應上，如機車與剛性墻的碰撞、兩輛機車的對撞等。關于側面碰撞、與有一定傾斜角度的障礙物碰撞以及在道岔上碰撞的研究相對較少，其中對調車機車的碰撞仿真研究基本還是空白[2]。事實表明，列車間側面碰撞事故時有發生，并且危害性更大[3]，因此對列車側面碰撞的研究具有重要的現實意義和工程使用價值。

　　GCY470型調車機車是一種新型液力傳動內燃調車機車，主要用于天津地鐵5號線車輛段及其他基地內地鐵列車調車作業的牽引，區間車站、隧道事故列車的救援牽引和無動力軌道車輛的牽引作業。該機車軸重14 t，柴油機裝車功率為414 kW，最大啟動牽引力為280 kN，最高運行速度為80 km/h[4]。機車車體采用輕量化設計，為內走廊式底架承載雙司機室結構，車體部分主要由底架、司機室、側墻和頂棚組成，走行部裝有2臺二軸轉向架。整車結構如圖1所示。

　　本文以GCY470型調車機車為研究對象，根據其結構特性和實際運行條件，利用有限元分析軟件ANSYS/workbench，對機車在道岔上發生不同部位側面碰撞的情況進行仿真模擬，研究機車在此工況下車體橫移量、輪對抬升量以及應力、能量等結果的變化，為地鐵調車機車相關車體結構的設計和優化提供參考。

　　1 有限元模型的建立

　　根據調車機車的三維實體模型建立機車的有限元模型，主要包括底架、司機室、側墻和轉向架。機車的整體結構構件材料均為Q345E，是一種低合金高強度鋼板，在本文的仿真中，將其定義為彈塑性材料，材料屬性如表1所示。在機車的有限元模型中，司機室采用殼單元SHELL181來模擬，殼單元的厚度全部按照機車原設計數據給定，側墻結構采用梁單元BEAM188來模擬，車體底架和轉向架采用實體單元SOLID185來模擬。圖2所示為調車機車的有限元模型，模型共生成39 607個節點、95 851個單元，整個有限元模型中無錯誤及警告單元。

　　2 側面碰撞工況設計

　　本文模擬兩輛運行中的同類型機車在經過道岔時發生不同部位的側面碰撞，撞擊部位分別為司機室側墻和車體側墻。道岔選用地鐵車輛段常用的50 kg/m鋼軌7號單開道岔，道岔基本信息如表2所示[5]。

　　目前，標準EN 15227以及其他相關鐵路標準對軌道車輛在道岔上發生側面碰撞還沒有具體的要求和評價標準，考慮到以往的側面碰撞事故和所研究調車機車的實際運行條件，本文設定了以下兩種側面碰撞仿真工況，模擬兩輛同類型機車在經過道岔時發生不同部位的側面碰撞，分析機車車輛的側面碰撞響應。為兼顧數值仿真計算精度和求解效率，本文的仿真中沒有考慮摩擦的影響。

　　工況1：如圖3(a)所示，調車機車B以5 km/h的速度側面撞擊同速度運行于直線軌道上的同類型機車A，兩機車側面碰撞部位均為司機室側墻;其中兩機車撞擊端為Ⅰ端位，對應轉向架為Ⅰ端位轉向架;非撞擊端為Ⅱ端位，對應轉向架為Ⅱ端位轉向架。

　　工況2：如圖3(b)所示，以5 km/h的速度運行的調車機車B，側面撞擊同速度運行于直線軌道上的同類型機車A，撞擊部位為機車A的車體側墻。

　　3 結果分析

　　3.1 工況1

　　碰撞過程中不同時刻兩輛機車的變化如圖4所示。機車B以5 km/h的速度側面撞擊機車A，機車A的車體產生一定的橫移響應，其中最大橫移量為71 mm。碰撞中兩輛機車各轉向架被撞擊側車輪均有不同程度的抬升，其中輪對的最大抬升量為51 mm，出現在機車A的Ⅰ端位轉向架處，此時機車車輪的抬升量已大于車輪輪緣高度，車輪已經脫軌，其中該調車機車的輪徑為840 mm，輪緣高度為27 mm。隨著碰撞的進行，機車A的Ⅰ端位轉向架的輪對抬升趨勢明顯變快，且該工況下兩機車的碰撞具有一定的傾斜角度，碰撞所產生的橫向分力會隨著碰撞的深入而不斷增大，這使得車輪抬升的同時，轉向架也發生橫向偏移，若此時不及時采取必要的人為措施，機車將很有可能發生脫軌。圖5為兩機車各轉向架的輪對抬升量對比圖。

　　與傳統軌道車輛的縱向碰撞不同，側面碰撞不具備由鉤緩裝置、防爬吸能裝置和車體端部變形吸能區組成的多級緩沖吸能系統[6]，碰撞沖擊力直接作用到司機室側墻。圖6為該工況碰撞時司機室接觸區的等效應力隨時間變化的曲線，可見應力在0.48 s達到峰值，最大應力峰值為249.7 MPa。

　　圖7所示為工況1整個碰撞過程中能量隨時間的變化曲線。從圖中可以看出，系統的初始動能為98.6 kJ，碰撞發生后，系統的動能逐漸減小，內能逐漸增加，仿真結束時約有17.4 kJ的能量轉化為內能，由兩機車結構變形所吸收，系統的剩余動能為71.7 kJ，占初始動能的72.7%。同時在仿真中，系統產生了2.7 kJ的沙漏能，占總能量的2.7%，滿足沙漏能占比不超過5%的要求[7]。在碰撞仿真時間內，兩車仍沿各自軌道運行，運行速度均有所降低。

　　3.2 工況2

　　碰撞過程中不同時刻兩輛機車的變化如圖8所示。

　　調車機車B以5 km/h的速度側面撞擊機車A，機車A產生了明顯的側滾運動(繞直線軌道)，側滾角度為2.4°，同時機車車體也產生一定橫移，最大橫移量為52 mm。該工況下，兩機車轉向架的被撞擊側車輪均有抬升，但各轉向架輪對的抬升量差距不大。圖9為各轉向架的輪對抬升量對比圖，其中調車機車A的Ⅰ端位轉向架被撞擊側的輪對抬升量最大，為49 mm。碰撞過程中兩機車雖仍沿各自軌道運行，但隨著碰撞程度的加深，輪對抬升量明顯變大，兩機車極有可能發生脫軌。

　　該工況下，碰撞沖擊力直接作用于車體側墻結構，圖10為撞擊機車側墻時接觸區等效應力隨時間變化的曲線。由圖可見，應力在0.51 s達到峰值，最大應力峰值為276.8 MPa。

　　圖11所示為工況2整個碰撞過程中能量隨時間的變化過程。由圖可知，系統的初始動能為98.8 kJ，隨著碰撞的進行，系統動能逐漸減小，內能逐漸增大，仿真結束時約有10.3 kJ轉化為內能，由兩機車結構變形所吸收。系統的剩余動能約為72.8 kJ，約占初始動能的73.7%，說明此時兩機車仍具有很大的動能，極有可能在接下來發生不可控制的情形，導致碰撞后果的進一步惡化，這一點應值得關注。

　　4 結束語

　　在上述兩個碰撞工況中，機車的司機室結構幾乎未產生任何形變，司機的安全空間可以得到保障。但在側面碰撞中，機車的輪對抬升量超過了車輪輪緣高度，且由于兩機車的碰撞存在一定角度，碰撞所產生的橫向分力會隨著碰撞的深入不斷增大，使得車輪抬升的同時，轉向架也發生橫向偏移，機車有極大的脫軌風險。此外，機車在受到側面沖擊時產生的側滾運動，容易導致司機與司機室內部結構發生二次碰撞，為減少碰撞給司機造成的傷害，可從兩個方面對司機室進行優化改進：一是限制司機位移，如在司機座椅處增設安全帶機構;二是優化司機室內部結構材質，使其具有良好的緩沖作用。

　　從吸能方面看，在各工況仿真結束時機車均仍具有巨大動能，這將導致機車隨后可能發生脫軌或側翻等情況，這點應值得關注。此外，在各工況的碰撞過程中，被機車吸收的能量都不超過初始動能的20%，對于側面碰撞，車體無法耗散太多碰撞能量。為提高機車在側面碰撞中的吸能能力，可參照傳統軌道車輛縱向多級緩沖吸能系統的設計思想，設計機車車體側面的多級緩沖吸能系統，如利用車體底架與轉向架之間、車體與車體之間的連接約束作用等，來吸收機車側面碰撞的能量。

　　[參考文獻]

　　[1] 趙磊，張昭，王松，等. 不同工況下機車車體碰撞過程數值模擬[J]. 機械研究與應用， 2014，27(6)：91-94.

　　[2] 黃士衛，周榮貴，賈向強. 某型內燃調車機車被動安全性設計驗證[J]. 鐵道機車與動車， 2014(3)：11.

　　[3] 朱濤，肖守訥，楊超，等. 機車車輛被動安全性研究綜述[J]. 鐵道學報， 2017，39(5)：22-32.

　　[4] 趙淑賢， 余丹， 里琳琳. GCY470型調車機車總體設計[J]. 鐵道機車與動車， 2016(4)：18-22..

　　[5] 李志群.常用道岔主要參數手冊[M]. 北京：中國鐵道出版社，2007.

　　[6] 李鐸. 共享路權下有軌電車側面碰撞安全研究[D]. 成都：西南交通大學，2017.

　　[7] 程春陽. 混合路權下100%低地板有軌電車耐撞性研究[D]. 大連：大連交通大學，2018.

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