地铁车辆吸能结构撞击试验研究

摘要：为验证地铁车辆头车前端吸能结构实际效果，本文进行吸能结构的台车碰撞试验，测量吸能结构大变形模式、吸能量及撞击力特性曲线。试验证明，采用车钩缓冲器、压溃管及在头车前端设置吸能结构，在冲击时能产生较大塑性变形，有效地吸收冲击动能，确保司机与乘客安全。

关键词：地铁车体 吸能结构 碰撞试验

中图分类号：U2 文献标识码：A 文章编号：1007-0745（2013）05-0372-03

1 前言

在地铁车辆头车前端底架上安装有防爬器和吸能结构，当碰撞事故发生时，吸能结构按照设定的过程发生塑性大变形，吸收冲击能量。为验证吸能结构的实际效果，进行车体吸能结构碰撞试验，测量吸能结构大变形模式、吸能量及撞击力特性曲线。本试验研究主要进行吸能结构台车碰撞试验，测试吸能结构吸收冲击动能的能力及其塑性大变形模式。

2 试验方法

在头车底架端部设计两组吸能结构，分别安装在头车底架两侧，每一组吸能结构由四根薄壁方管组合而成，在靠近冲击端一侧开有碰撞引导槽，沿长度方向布置有十字形加强筋，总质量约为25Kg。

车体吸能结构碰撞试验的基本试验方法如下：将撞击试件固定在运动台车前端，采用牵引电机沿轨道加速台车至预定速度，在距离刚性墙前端200mm处安装有测速系统及同步触发系统，当台车运行至刚性墙前端200mm位置时，速度测试系统测试台车的瞬时速度，此时同步触发系统被触发，高速摄像系统和撞击力测试系统开始同步工作，安装在侧面及上部的两台高速摄像系统以每秒2000帧的速度记录吸能结构的大变形过程，瞬态撞击力采集系统实时采集各个传感器的力。

3 车体吸能结构撞击试验

结构撞击试验是一种瞬态破坏试验，易受各种因素的干扰，为保证试验结果的有效性和可靠性，试件的安装采用统一的方式进行，并需要进行多次重复性试验。下面列出所进行的两次试验工况的结果。

3.1试验工况一

通过速度测试系统测得撞击前瞬时速度为15.72 m/s，回弹速度为0.8 m/s，试件的宏观压缩变形为170mm。台车质量加吸能部件合计为1236kg，根据能量守恒原理，撞击过程中结构所吸收的总冲击动能为152.3kJ。由于台车近乎刚性，在撞击过程中仅发生弹性小变形。因此可认为在撞击过程中由吸能结构吸收的能量为152.3kJ。通过每秒2000帧的高速摄影仪记录的吸能结构的撞击序列图如图1～图7所示。

从序列图中可以看到，从吸能结构与测力墙开始接触到吸能结构与测力墙脱离接触，整个撞击变形过程持续了29ms。从0ms～23ms，吸能结构的变形不断加大，在第23ms时（图6），吸能结构的变形达到最大。从23ms～29ms，吸能结构和台车存贮的弹性能开始释放，台车逐渐脱离测力墙。

通过撞击变形序列可以看出：整个吸能结构按预期目的进行有序叠缩变形。由于吸能结构在靠近刚性墙的冲击端开了弧形的诱导槽，将此处的结构人为地进行削弱，在吸能结构与刚性墙开始接触时，试件首先在诱导槽部位发生大变形，产生对称性褶皱，当撞击进行到8ms时（图3），冲击端的弧形槽被完全压缩；随着碰撞的进行，后续的结构依次产生皱褶和折曲，到撞击结束时，吸能结构一共产生了3个皱褶，变形稳定、有序且基本对称，说明吸能结构达到了预先设计要求。

碰撞过程中测得的撞击力随时间的变化曲线如图8所示：

从撞击力-时间曲线（图8）上可以看出，当吸能结构与测力墙开始接触时，由于吸能结构前端瞬时速度由15.72m/s降为0，导致撞击力峰值出现，初始峰值为223.3t，随后吸能结构开始产生塑性变形，撞击力随即下降，由于诱导槽处结构相对比较薄弱，当诱导槽开始变形以后，结构阻抗急剧下降，从撞击力曲线上可以看到，曲线突然出现一段较低水平的波动，对应于诱导槽位置的皱褶变形。随着诱导槽部位逐渐被压缩，结构阻抗不断加大，当进行到8ms时，撞击力曲线上又出现了一个峰值，恰好对应弧形槽被完全压缩；此后，随着新皱褶的产生，撞击力由峰值逐渐下降。随着第二个皱褶不断被压缩，撞击力出现小幅波动，而后第三个皱褶出现，撞击力曲线出现第三个峰值，但是与前两个峰值相比已明显降低，说明吸能结构进入到稳定、有序的变形阶段。23ms以后，由于试件达到最大压缩量，不再继续压缩，撞击力开始迅速下降，直至台车及吸能结构与刚性墙脱离，此时撞击力下降至零。

从整个撞击力-时间历程来看，吸能结构通过在冲击端开有弧形诱导槽，其一是降低了初始撞击力峰值，其二是引导吸能结构产生有序变形，从曲线上可知，后续结构产生折曲、皱褶等塑性大变形，撞击力比较平稳，说明该吸能结构设计合理，具有良好的吸能能力和大变形力学特性。

根据高速摄影仪记录的吸能结构碰撞序列图像，采用运动序列运动图像分析软件对所选取的关键标识点进行了分析，标识点1在试件上的位置如图9所示（图9中试件中央红色方框处）。

从标识点1水平坐标-时间曲线（图10）上可知，0时刻对应的是吸能结构与刚性墙接触的瞬间，此时标识点1的坐标为280.9269mm，当进行到29ms时，吸能结构与刚性墙开始脱离接触，标识点坐标为110.13mm，通过计算可知，在0ms～29ms变形期间，吸能结构的纵向压缩变形为170.7969mm，与实测的170mm的压缩变形非常接近，误差在0.47%。

以台车前端下边缘为原点，绘出了标识点1的垂直坐标-时间曲线（图11），从图中可以看到，在0ms～29ms的撞击过程中，标识点1的垂直坐标在258.75mm～263.37mm的范围内波动，说明吸能结构在撞击过程中垂向方向上没有产生明显位移，没有发生大的弯曲变形。

利用高速摄影仪记录运动序列图像，在此基础上采用运动序列图像分析软件对关键标识点进行分析，可以获得试件不同部位的速度信息，通过分析得到标识点1的水平速度-时间曲线（图12），在初始撞击时刻的水平速度为14.925m/s，反弹水平速度为-0.84 m/s，与实测速度的误差分别为5.06%，5%。

通过分析得到标识点1在撞击过程中垂向速度在0.55m/s～-0.12m/s之间波动（图13），吸能结构的垂向运动趋势不显著，说明吸能结构的撞击吸能过程是稳定的，没有产生大的弯曲变形。

3.2试验工况二

从吸能结构的变形图（图14～图20）可以看到，试件的变形模式与工况一基本相似，说明结构碰撞试验具有较好的重复性，吸能结构性能比较稳定。

4 结论

（1）列车部件撞击试验是探索金属结构发生塑性破坏的最有效手段，对铁路常用材料及部件进行撞击试验，可以为列车耐撞性结构设计提供有力的支持。

（2）吸能结构在前端开有弧形诱导槽，其一是降低了初始撞击力峰值，其二是引导吸能结构产生有序变形，撞击力比较平稳，说明该吸能结构设计合理，具有良好的吸能能力和大变形力学特性。

（3）高速摄影运动分析结果可信，试件的纵向压缩量、撞击速度以及回弹速度等参数与实测值误差在6%之内，满足工程应用的要求。

（4）采用车钩缓冲器、压溃管及在头车前端设置吸能结构，在冲击时能产生较大塑性变形，有效地吸收冲击动能，确保司机与乘客安全。