列车碰撞安全性研究发展与应用
吴雪峰
（中南大学 交通运输工程学院，长沙，410075）
摘要：论文详细地介绍了国内外列车碰撞研究的必要性和基本理论，较系统的阐述了国内外列车碰撞研究的发展状况，最后概述了碰撞研究中的一些设计方法以及在实际中吸能元件的简单应用。
关键词：碰撞研究；基本理论；发展状况；设计方法；应用
The Development and Application of Train Crash Safety Research
WU Xue Feng （School of Traffic and Transportation Engineering, Central South University, Changsha 410075）
Abstract:The paper describes the need of domestic and international train collisions research and the basic theory in detail.And systematicly elaborate the development of the train collision studies at home and abroad.Finally,The article overview some of the design on collisions and the simple application of energy absorption components in practice.Keywords:
1、引言
在交通运输业中对车辆的运行安全一直是公众关注的焦点,尤其对行驶中的客运车辆发生意外碰撞、断轴或倾覆脱轨等重大事故一旦发生,如果不能在瞬间将巨大的动能耗散,必将车毁人亡,造成严重的人身伤亡和重大的财产损失。同汽车碰撞事故相比，虽然列车发生碰撞的概率要小于汽车发生碰撞的概率，然而一旦发生意外事故，同样会带来严重后果。例如：2001年8月3日，美国芝加哥市发生高架铁路2辆轻轨列车追尾事故，141人受伤。2005年1月17日，曼谷2列地铁列车在市区国家文化中心车站相撞，列车上约有700名乘客，造成约200人受伤。2005 年3月10日，在阿根廷首都布宜诺斯艾利斯，由于1列火车司机违章，未按信号指示行车，造成2列城市列车追尾相撞，131名乘客受伤等[1-2]。
据文献[3-5]介绍,英国在1972年—1981年10年间,铁路运输发生重大事故达83次,死亡人数共计68人;在1980年—1989年10年间,造成死亡人数增至165人,增幅达140%。我国多年来列车正面冲突、尾追重大意外事故也时有发生,90年代沪宁线旅客列车正面冲突造成80多名旅客罹难, 京广线客车尾追重大事故造成数10人伤亡,08年4.28事件等。这一系列惨痛事件迫使人们去寻找所谓的第二安全措施(相对于行车信号而言),即车辆自身结构防碰撞性能的研究。因此,近十多年来防撞车辆的设计研究便应运而生, 许多国家在铁路机车车辆、城市轨道车辆(地铁、轻轨车辆) 的结构设计中, 提高客室的耐撞性,在车体的特定部位设置碰撞能量吸收装置和防爬装置,以期达到发生意外碰撞时能吸收大部分碰撞动能和防爬车目的, 从而最大限度地减少人员的伤亡。英国铁路(BR)与欧洲铁路研究组织(ORE)在防撞车的研究中,进行了大量的基础性试验研究和现车的碰撞试验,所获得的成果可直接用于防撞车的结构设计。
车辆的安全性分为主动安全性和被动安全性。前者是指预防事故发生的安全措施；后者是指发生事故时对乘员进行保护的安全措施，如提高车辆结构的耐撞击性和采用各种安全约束保护系统等。处于对乘客安全的关心与重视，近年来，对车辆被动安全性的评估已成为一个重要的研究课题。
2、国内外研究概况
碰撞安全问题作为现代车辆设计中以人为本思想的重要组成部分而成为近年来国际国内车辆设计研究的一个热点。尽管轨道列车系统中采用了大量的主动安全性措施，但是仍然不能完全消除造成乘客严重伤害的列车碰撞事故。
为使事故造成的损失最小，人们逐步认识到，在设计车辆时充分考虑车辆耐碰撞性能的重要性。英国是较早进行耐冲击车体研究的国家，20世纪90 年代，在英国铁路管理委员会内成立了专门从事列车碰撞问题的研究机构。对铁道车辆结构耐碰撞性和吸能元件，如GRP 圆管进行较深入的理论分析、计算机仿真和试验研究。设计出如图1所示带司机室的防碰撞车辆的前端结构[1]。
当发生碰撞时在乘客区域发生变形前，通过压缩车钩缓冲器以及GRP 能量吸收管和前端底架的有序塑性变形吸收掉1 MJ 能量。法国国营铁路从1998 年开始进行列车耐碰撞性能研究。利用大型有限元软件对两起发生在平交道口的列车碰撞事故进行了仿真再现分析，一起事故是内燃动车与1 辆油罐车相撞，另一起是1 列新型的耐撞击的电动车与1 辆载重30t的大卡车相撞。仿真结果表明，欧洲标准EN12663中的第二部分关于铁道车辆被动安全性评价中的15t重的方型障碍物不能很好地代表与铁道车辆相碰撞的路面车辆。为此，法国在设计TGV双层高速列车的动力车和尾部拖车时，对其结构的耐撞击性能进行了大量的理论研究和试验验证。
因此，近年来，对于如何在更高碰撞速度的情况下，提高列车的被动安全性越来越被重视。车体结构不能发生永久变形的既有概念则应变为基于可控制能量吸收过程的设计理念。欧洲正在讨论制定“碰撞安全性设计”的新标准，旨在定义适合于车体结构的能量吸收装置，它涵盖从有轨电车到高速列车所有类型的轨道客车。
总体而言，车辆的碰撞安全技术可分为主动防护技术和被动防护技术两类。主动防护技术研究为防止碰撞所采取的各项防范措施。被动防护技术则通过车辆耐撞性能的设计，使车辆在事故发生的瞬间通过吸能装置将巨大的撞击动能耗散，从而达到最大可能的保护乘员生命安全的目的。就机车车辆本身而言,研制耐冲击吸能车体对减轻客运列车碰撞事故造成的损失, 有重要的实用价值。为了抵御冲击,按“为乘员提供安全空间和有效缓和撞击”的思路,重新分配车体各部分刚度,设计出具有合适吸能结构的耐冲击车体, 即列车的动车及客车车体结构均按前、中、后三种纵向刚度设置，前后两部分为弱刚度结构, 中间部分为强刚度结构。这样一旦发生列车碰撞事故, 车体两端的弱刚度部分将产生塑性大变形吸收冲击动能(简称吸能结构), 而车体中间的强刚度部分仅产生弹性变形(简称弹变结构)，最终达到保护乘客、司机与机器设备安全的目的。这种车体结构设计方法, 不仅在较大碰撞速度下能对乘员起到保护作用, 还将提高中国机车车辆的车体结构设计水平。
3、能量吸收装置的元件
能量吸收装置的基本原理是利用其元件材料的塑性变形能来耗散所遭受的冲击动能,对一般材料可忽略其强化性能, 当作理想刚塑性体。在外载荷达到某一定值时,理想刚塑性体可在外载荷不变的情况下发生塑性流动,即无限制的塑性大变形,这时称元件或结构处于极限状态,所受的载荷称为元件或结构的极限承载能力,或称极限载荷, 与之相对应的速度场称为塑性损伤机构,或塑性流动(可动)机构。元件或结构若有几个塑性流动机构, 则对应地可求得几个不同的极限载荷值, 在极限状态下应选取其最小值作为该元件或结构的极限载荷值, 即极限载荷是唯一确定的。从能量吸收装置的元件变形情况看, 不宜采用单独拉伸或扭转变形, 因为理想刚塑性材料载荷一旦达到材料的屈服极限,则变形要无限增大,直到断裂,很难控制。另外实际材料存在拉伸颈缩变形失稳现象,行程一般较短, 难以满足要求。为了满足设计要求,性能稳定可靠,能量吸收装置大多采用受弯曲变形或压缩变形的元件。
4、研究及实际应用
列车通常由动车与拖车组成的多个车组用车钩装置予以连接而成，车组的动车与拖车之间采用刚度较大的铰连接，因而整个车组实际上相当于一辆车。当列车与前面的障碍物相碰撞时，头车组首先处于撞击状态，其他的车组经过车钩缓冲装置的相位差以后才进入撞击状态。由于相位差的存在，在计算碰撞动能时，可以把列车中各车组视为独立的运动物体，其他车组的质量是不断地补充到撞击车辆的质量中去的。
图2为一个典型的碰撞过程压缩力与压缩变形行程关系曲线，它反映了采用现代碰撞安全性系统原理设计的车辆在列车端部发生碰撞时的情况。对于在非专用线路上运行的列车或者与其它类型的列车混合运行的情况，车体结构的碰撞安全性设计可能还应考虑其它的碰撞假设条件，例如：与其它类型列车的碰撞，在平交道口与卡车或小汽车碰撞等。
地铁车辆碰撞安全性设计通常采用车钩中配置的能量吸收元件以及车辆端部配置的碰撞变形能量吸收区来实现，主要为底架结构中的变形元件，专门用来吸收超过车钩系统能量吸收限度的碰撞能量，一旦发生事故，以降低乘客受到伤害的风险。为了保证碰撞过程中产生的塑性变形局限于预先设定的专门的碰撞变形能量吸收区内，客室区域车体结构的承载能力必须明显高于车辆端部。具有恰当高度的防爬器要正好布置在碰撞变形能量吸收区的前方，防止严重车辆碰撞时发生爬升情况而挤压到客室区域。碰撞变形能量吸收元件的设计通常采用筒形结构(正方形、长方形、六边形、多单元组合断面等)单元。在纵向冲击力的作用下，这些吸能元件能够发生逐步渐进式的塑性屈曲变形，其特性曲线呈现振荡波形，但在碰撞冲击变形的很长距离内冲击力水平基本保持一致，如图2所示。
吸能元件初始长度的70%～75% 可以作为能量吸收用途使用，它与吸能元件的断面形状有关。通常采用的触发机构形式包括：局部弱化处理、锥形结构等，目的是把碰撞初始过程的冲击力峰值降低到合理的水平，并明确定义结构屈服发生的起始位置。车辆端部的设计理念主要通过以下两种方法来实现：①车辆端部碰撞变形能量吸收区与车体结构完全集成在一起。②由吸能元件构成的碰撞变形能量吸收区与防爬器板状结构集成在一起组成一个模块化部件，然后通过螺栓等机械联结组装到底架结构前端。
车辆端部碰撞安全性设计的主要挑战之一来自必须同时满足多个、并且经常是相互矛盾的要求，因为集成的碰撞变形能量吸收区不仅要承受碰撞冲击时的载荷，还要传递静态载荷。例如：作用在防爬器上的纵向及垂向载荷、作用在端墙结构上的局部载荷、车钩载荷、架车引起的载荷等。静强度设计通常导致非常刚性的车体端部结构，但是碰撞安全性设计要求具有一个可以变形的区域，并能够恰当地控制能量吸收的过程及碰撞冲击力的水平。碰撞变形能量吸收区本身的设计与评估已经非常复杂，但是为了兼顾静强度及碰撞安全性两个方面的要求，通常车辆端部的结构设计需要反复进行，而最终的设计结果通常是兼顾两个方面的折衷方案。
参考文献：
[1] 张振淼，逄增祯。轨道车辆碰撞能量吸收装置原理及结构设计(续完).国外铁道车辆，2001，38(4).[2] Frank Muller.轻轨车辆的制造.国外铁道车辆，2000，37(5).[3] John Lewis.铁路客车冲击试验研究.国外铁道车辆，1999(4).[4] 蒋 秋, 穆霞英.塑性力学基础[M].机械工业出版社, 136-141.[5] 田口真.铁道车辆抗冲撞结构的开发.国外铁道车辆，2003，40(6) [6] 刘鸿文.材料力学[M].高等教育出版社, 1979,1622174.[7] Markus Seitzberger.城轨车辆碰撞安全性的现代设计理念.现代城市轨道交通，2005(1) [8] 侯卫星.欧洲铁路碰撞技术的开发[J].国外铁道车辆, 1998,(1):23226,46.[9] 朱西产． 汽车正面碰撞实验法规及其发展趋势的分析汽车工程，2002，（l）：l-5 [10] 田红旗等 客运列车耐冲击吸能车体设计方法[J],交通运输工程学报，2001，（1）：100-114 [11] 赵洪伦等 城市轨道车辆动车组耐冲击吸能车体设计研究[J], 铁道车辆，2003，(2)12-41 [12] LEW IS J H.Structural crashworthine2poibilities and p racticalities[C] //Proc Institution of Mech Engineers:Part F.London: Profeional Eng Publishing, 2002: 117-121.[13] LU G.Energy absorp tion requirement for crashworthy vehicles[C]//Proc Institution ofMech Engineers: Part F.London: Profeional Eng Publishing, 2002: 31-39.[14] The Aociation of Train Operating Companies.AV /ST 9001, Vehicle interior crashworthine[S].
