国内外轨道列车碰撞的研究方法与进展

国内外轨道列车碰撞的研究方法与进展

摘要：随着现代化科学技术的飞速发展和旅客交通运输方面市场竞争的日趋激烈, 铁路列车高速化已成为必然趋势，同时人们对列车安全性的要求越来越高。但高速列车在运行过程中,一旦发生撞车事故,如何保证旅客的人身安全及财产免遭重大损失,成为设计者必须解决的重要课题。因此，世界各国均对列车碰撞安全性作出了强制性要求，促使人们采用各种手段提高列车的碰撞安全性。同时，只有了解了国内外列车碰撞研究的现状、研究方法和进展，才能做出更好的改进。

关键词：轨道交通高速碰撞安全性研究方法

Domestic and International Research Methods and Progress of

Rail Train Collision

Abstract：With the rapid development of modern technology and more intense competition of the passenger transportation market, high-speed train has become an inevitable trend, while the demand for security of people is increasing. However, during the running, how to ensure the safety of passengers and property from major damage once in a crash has become an important issue. Therefore, countries around the world have all made a mandatory requirement for crash safety of the train, prompting people to use various means to improve the safety of the train collision. Meanwhile, only by studying the research methods and progress of train collision at home and abroad can we make better improvements.

Key words：Track traffic High speed Collision Security Research method

O 引言

铁路运输承担着主要的客、货运输任务，运行安全性是其最重要的要求，而碰撞事故会引起车辆结构的严重破坏和大量的人员伤亡。因此，在国外，对列车碰撞问题正越来越受到人们的关注，各国学者从多方面对车辆碰撞问题进行研究，而我国对铁路车辆碰撞问题的研究刚刚开始。

铁路运输与高速公路、航空相比有它独特的碰撞问题。由于重量大导致产生很大的碰撞能量需要被吸收，如果在碰撞中发生窜车，被吸收掉的能量就大大减少，导致车辆结构的更大破坏和人员的更大伤亡。此外，在碰撞过程中持久的横向稳定性也对车辆纵向压缩性和可控的运动稳定性有很大的关系。计算机辅助工程工具能够对铁路车辆碰撞性进行精确的模拟，可以使相对昂贵的碰撞试验成本降至最小，而且这种计算机数值模拟还可以增加碰撞试验的有效性，所以，在列车初始设计时，就利用有限元仿真来估计零件的碰撞行为，这已成为一个行之有效的方法并得到不断完善。其中比较常用的一种是利用金属材料受力时产生的塑性变形能(塑性功)来吸收列车的冲击动能。

车辆在受到撞击时,主要是端部底架结构的大变形来缓和冲击和吸收冲击动能,因此端部底架结构上的薄壁梁结构的吸能特性和变形模式,将决定着车体在撞击时的响应。对于吸能部件的研究,在国内外同类研究

报道中很多,他们通过各种典型结构件的计算和试验研究,积累了大量的碰撞计算模式和相应的计算参数。通过对照计算结果和实验数据，总结出性能良好的碰撞能量吸收装置, 应具备以下基本要求:(1)能使动能的耗散以一有序、有控制的方式进行；(2)能量吸收装置应有足够大的变形行程；(3)能量吸收装置性能可靠。

1 列车碰撞的种类

列车碰撞事故包括列车与列车的碰撞，列车与轨道上障碍物的碰撞。列车与列车的碰撞包括同一轨道上同类型或不同类型的列车之间的头部正面、追尾碰撞，不同轨道上(通常指道岔处)同类型或不同类型的列车之间的侧面碰撞；列车与轨道上障碍物的碰撞包括列车与轨道上的石块、汽车、养路设备等的碰撞。

在所有碰撞事故中最严重的是列车与列车碰撞。由于包含了大的车组质量，在碰撞瞬间列车所携带的巨大动能将在极短的时间内(约几百毫秒)以其它形式的能量耗散，这种碰撞会产生很大的冲击力和减速度，即使在中等的冲击速度下，也常常会造成列车巨大的结构破坏，并导致司乘人员的伤亡。

2 国外列车碰撞研究的现状

自80年代中期至今，国外发达国家对列车耐碰撞技术已进行了大量的研究，内容包括铁路碰撞事故的调查分析，列车撞击行为的理论分析，列车耐碰撞结构的设计和能量吸收评价准则，计算机仿真以及整车碰撞试验等。

就计算机仿真这一方面来讲，各国广泛使用动态显示非线性有限元模拟技术。与传统方法实车碰撞相比,其优点在于在设计阶段通过模拟计算可尽早发现问题,缩短开发周期。其次，由于列车碰撞实验重复性不好, 很难得到列车内部某些关键部位的变形情况。采用模拟计算的方法,不仅重复性好、存储量大, 而且还可以将列车沿任意截面剖开观察其内部部件的变形过程。此外,提出改进方案后, 能快捷的修改模型,再经过计算对比模型中有关部件修改前后的变形情况,直至取得满意的结果。

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。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1MJ能量。

图1 英国铁路防撞车司机室结构简图

1.侧门上框;

2.上缓冲梁;

3.角柱;

4.侧墙板承梁;

5.端墙板承梁;

6.端门柱;

7.防爬缓冲器;

8.缓冲梁;

9.车钩;10.能量吸收牵引装置;11.斜撑;12.GRP能量吸收元件;13.下侧梁;14.铝质蜂窝板;15.下侧梁剪切连接铰;16.下侧梁导板;17.横梁;18.牵引缓冲盒;19.后门柱;20.前门柱;21.车顶弯梁。

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