轨道车辆耐碰撞性研究进展_雷成

第３５卷第１期铁 道 学 报Ｖｏｌ．３５　Ｎｏ．１２　０　１　３年１月ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＴＨＥ　ＣＨＩＮＡ　ＲＡＩＬＷＡＹ　ＳＯＣＩＥＴＹ　Ｊａｎｕａｒｙ　２０１３

文章编号：１００１－８３６０（２０１３）０１－００３１－１０

轨道车辆耐碰撞性研究进展

雷　成１，２，　肖守讷１，　罗世辉１，　张志新３

（１．西南交通大学牵引动力国家重点实验室，四川成都　６１００３１；２．郑州铁路职业技术学院车辆工程学院，河南郑州　４５００５２；

３．南车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司齿轮传动事业部，江苏常州　２１３０１１）

摘　要：对轨道车辆耐碰撞性研究的国内外最新进展进行综述，并对列车碰撞研究的主要方法及存在的问题、耐

撞性车辆设计及评价标准进行论述。研究表明：我国在轨道车辆耐碰撞安全性技术研究方面与国外存在较大的

差距，应在列车碰撞响应与车体结构安全性关系、列车碰撞试验标准和试验设备、列车碰撞后脱轨机理等方面进

行深入的研究，并亟待制定符合我国国情的列车碰撞安全性标准。

关键词：轨道车辆；耐碰撞性；发展方向

中图分类号：Ｕ２７０．２ 文献标志码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１－８３６０．２０１３．０１．００５

Ｓｔａｔｅ－ｏｆ－ｔｈｅ－ａｒｔ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｒａｉｌ　Ｖｅｈｉｃｌｅｓ　Ｃｒａｓｈｗｏｒｔｈｉｎｅｓｓ

ＬＥＩ　Ｃｈｅｎｇ１，２，　ＸＩＡＯ　Ｓｈｏｕ－ｎｅ１，　ＬＵＯ　Ｓｈｉ－ｈｕｉ　１，　ＺＨＡＮＧ　Ｚｈｉ－ｘｉｎ３

（１．Ｓｔａｔｅ　Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ｔｒａｃｔｉｏｎ　Ｐｏｗｅｒ，Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ　Ｊｉａｏｔｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ　６１００３１，Ｃｈｉｎａ；

２．Ｖｅｈｉｃｌｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ　Ｒａｉｌｗａｙ　Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ　＆Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ　４５００５２，Ｃｈｉｎａ；

３．Ｇｅａｒ　Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ，ＣＳＲ　Ｑｉｓｈｕｙａｎ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ｃｈａｎｇｚｈｏｕ　２１３０１１，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｓｔａｔｅ－ｏｆ－ｔｈｅ－ａｒｔ　ｒｅｓｅａｒｃｈｅｓ　ｏｆ　ｒａｉｌ　ｖｅｈｉｃｌｅｓ　ｃｒａｓｈｗｏｒｔｈｉｎｅｓｓ　ａｔ　ｈｏｍｅ　ａｎｄ　ａｂｒｏａｄ　ｗｅｒｅ　ｒｅｖｉｅｗｅｄ．Ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｏｆ　ｔｒａｉｎ　ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ　ｒｅｓｅａｒｃｈｉｎｇ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｅｘｉｓｔｉｎｇ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｗｅｒｅ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｅｖａｌ－ｕａｔｉｏｎ　ｓｔａｎｄａｒｄｓ　ｆｏｒ　ｖｅｈｉｃｌｅｓ　ｏｆ　ｃｒａｓｈｗｏｒｔｈｉｎｅｓｓ　ｗｅｒｅ　ｅｘｐｏｕｎｄｅｄ．Ｔｈｅ　ｓｔｕｄｉｅｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅｒｅ　ｅｘｉｓｔｓ　ａ　ｂｉｇ　ｇａｐｂｅｔｗｅｅｎ　Ｃｈｉｎａ　ａｎｄ　ａｂｒｏａｄ　ｉｎ　ｒａｉｌ　ｖｅｈｉｃｌｅ　ｃｒａｓｈｗｏｒｔｈｉｎｅｓｓ　ｓａｆｅｔｙ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｒｅｓｅａｒｃｈ，ｉｎ　ｏｕｒ　ｃｏｕｎｔｒｙ　ｆｕｒｔｈｅｒ　ｉｎ－ｄｅｐｔｈ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｗｏｒｋ　ｓｈｏｕｌｄ　ｂｅ　ｃａｒｒｉｅｄ　ｏｕｔ　ｉｎ　ｒｅｓｐｅｃｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｔｒａｉｎ　ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ　ｒｅｓｐｏｎｓｅ，ａｎｄｃａｒ　ｂｏｄｙ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｓａｆｅｔｙ，ｔｒａｉｎ　ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ　ｔｅｓｔ　ｓｔａｎｄａｒｄｓ　ａｎｄ　ｔｅｓｔ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　ａｎｄ　ｔｒａｉｎ　ｄｅｒａｉｌｉｎｇ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ａｆｔｅｒｔｒａｉｎ　ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｔｒａｉｎ　ｃｒａｓｈｗｏｒｔｈｉｎｅｓｓ　ｓｔａｎｄａｒｄｓ　ｎｅｅｄ　ｔｏ　ｂｅ　ｆｏｒｍｕｌａｔｅｄ　ｉｎ　ｌｉｎｅ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ａｃｔｕａｌ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｏｆ　ｏｕｒ　ｃｏｕｎｔｒｙ．

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｒａｉｌ　ｖｅｈｉｃｌｅｓ；ｃｒａｓｈｗｏｒｔｈｉｎｅｓｓ；ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ

随着轨道交通广泛采用诊断、监测、通信、失效保护制动、现代化的列车控制系统等主动安全防护系统，发生重大交通事故的可能性越来越小。但是，在实际运营过程中，各种形式的人为错误和运行环境的突然变化却难以避免。由于轨道车辆乘客数量众多，一旦发生意外事故，往往会带来严重的后果。

收稿日期：２０１２－０８－２３；修回日期：２０１２－１０－２２

基金项目：国家自然科学基金（５１２７５４３２）；

河南省教育厅科学技术研究重点项目（１２Ｂ５８０００４）作者简介：雷成（１９８０—），男，河南开封人，博士研究生。

Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｅｉｃｈｅｎｇｌｃ＠１２６．ｃｏｍ 近２０年来，许多国家对轨道车辆的结构进行抗撞击设计与分析，提高了列车的耐碰撞性。耐碰撞性列车结构设计是在车体的特定部位设置一定的变形区域，或安装能量吸收装置和防爬装置，尽可能多地吸收列车碰撞时的动能，从而降低碰撞作用力，防止列车交叠事故发生，从而最大限度地减少人员伤亡。对轨道车辆耐碰撞性的研究使列车产品的耐碰撞性能得以提高，新的研发思路突破既有设计、技术瓶颈，提高列车被动安全防护技术，使其在碰撞事故发生时损失降到最小，对提高列车运营安全性具有重要的现实意义。

１　国内外轨道车辆耐碰撞性研究现状

１．１　国外列车耐碰撞性研究现状

国际上对机车车辆碰撞的深入研究始于２０世纪８０年代中后期，英、法、德、美等发达国家相继对列车碰撞进行了大规模、长时间的研究。

近２０年来，英、德、法、奥地利、比利时等国通过对列车碰撞事故的广泛调查、统计及对多次发生的典型列车事故类型进行的还原研究，率先出台了轨道车辆被动安全防护的技术规范和应用标准，如文献［１－２］及欧洲铁路互联互通技术规范中的有关标准［３］。美国也在联邦铁路局（ＦＲＡ）安全法规中建立了有关规范［４］。这些标准对新造旅客列车的耐碰撞性及乘员保护提出明确的规定，不满足标准要求的列车一律不予采购。

英国是最早研究列车碰撞的国家之一，提出耐碰撞性车体结构设计和以可控大变形方式吸收碰撞能量的概念，并进行了实物碰撞测试，在自制试验台上对车体端部进行准静态冲击试验和２列全尺寸列车的正面碰撞试验等［５］。英国铁路管理委员会于２０世纪９０年代成立从事列车碰撞问题的专门研究机构，通过理论和试验研究，总结出耐撞性车辆结构的设计方法和原理，提出在车体的防撞性设计中应采用多级能量吸收系统。英国的研究表明，符合耐撞性设计理念的铁路客车应在碰撞过程中保证司机室及乘客区的安全，且加速度须保持在允许的范围内。英国铁路公司（Ｂｒｉｔｉｓｈ　Ｒａｉｌ）开发出耐撞性司机室结构［５－６］。Ｌｕ　Ｇ［７］通过线性和非线性仿真，得出结论：列车中车辆的数量对能量吸收的影响有限；头车后面的车辆吸收能量少于头车吸收能量的４５％；对于研究头车端部和中间车端部的碰撞行为，由３个或４个车辆组成的列车间的碰撞足以代表由更多车辆组成的列车的碰撞行为。同时，该研究还建立了头车和其他中间车吸收能量的计算公式，并指出这些公式可应用到所有高速碰撞的轨道车辆中。

１９９０年至２００７年，由欧盟资助的ＴＲＡＩＮＣＯＬ、ＳＡＦＥＴＲＡＩＮ、ＳＡＦＥＴＲＡＭ及ＳＡＦＥ　ＩＮＴＥＲＩＯＲＳ等项目从耐碰撞车辆的设计工具、干线铁路列车被动安全的设计方法、有轨电车的被动安全性设计方法和列车内部设备的被动安全性等多个方面进行深入细致的研究，于２００７年形成标准ＥＮ１５２２７－２００７版本。为了确定车辆端部防碰撞性设计的结构参数，项目组分析了欧洲典型列车结构的碰撞特性，绘出列车头车端部和中间车两端的防碰撞结构区域／部件的理论特性曲线，规定这些部位截面的载荷－变形曲线及其容许极限。为验证仿真计算结果，在波兰Ｚｍｉｇｒｏｄ试验中心对司机室模块进行了实物碰撞试验。２００１年７月启动的Ｓａｆｅｔｒａｍ项目，审查了各种车内布局，在其最终报告中提出一套安全改进建议，这些改进通过建立动力学模型和试验台试验来评估。采用Ｈｙｂｒｉｄ　ＩＩＩ型假人进行一系列试验台试验，这些试验分别由法国国营铁路（ＳＮＣＦ）于２００３年８月由法国交通与安全研究所（ＩＮＲＥＴＳ）以及由英国ＭＩＲＡ实验室于２００３年１２月进行。通过使用动力学模型来计算就座旅客和司机在所规定的碰撞情景下的行为和反应，从而确定所出现的损伤［８－９］。

法国参考车辆耐碰撞性结构设计理念，将无动力车辆两端结构设计为弱刚度的吸能区，并采用高性能计算机对某ＴＧＶ高速列车车辆结构进行耐撞性优化。１９９３年，法国阿尔斯通公司把列车耐碰撞性设计思想应用于“欧洲某夜间列车［１０］”项目，提供了高于英国铁道组织标准要求的列车。从１９９４年～１９９６年，ＳＮＣＦ发起一系列关于ＴＧＶ列车的试验，并对单个车辆进行了在线实车撞击试验。通过分析、试验，为动车和尾部拖车设计分别可承受８ＭＪ和６ＭＪ以上碰撞能量的结构，车辆间安装了防爬装置。此外，为验证双层ＴＧＶ列车和ＸＴＥＲ内燃动车组的耐碰撞性能，进行了实车尺寸试验［１１］。

德国汉诺威大学与西门子公司合作对城市轻轨车辆结构的耐碰撞性能进行了研究。庞巴迪公司运输部下属德国机车车辆制造企业制造的防碰撞城市轻轨列车中，装备了与汽车类似的安全气囊装置，并在司机室控制台上添加软垫，以达到碰撞发生时保护驾驶员的目的。为了满足北美国家对乘客、司机进行被动安全性保护的强制性要求，位于美国密苏里州的西门子科研中心对波特兰某列车车辆以３５ｋｍ／ｈ速度撞击刚性墙的情景开展非线性有限元数值仿真。西门子交通技术集团已成功研发了多种铁道车辆的被动安全技术解决方案，并对碰撞能量吸收区与车体结构分别制造后进行集成，探讨了采用集成或易更换的能量吸收结构的模块化设计等不同方案［９，１２－１３］。德国已在城市轻轨车辆、ＩＣＥ第三代列车上全面采用了耐冲击车体结构技术。

２０世纪９０年代，美国ＦＲＡ进行了大量列车碰撞的试验和仿真研究［１４－１８］。早在１９９７年，美国就建立了有关列车碰撞的安全规范。从１９９９年１１月开始，在科罗拉多的美国交通运输技术中心开展多次整车碰撞试验，重点研究单辆车与刚性墙、机车与机车、机车与车辆、车辆与车辆、列车对列车的碰撞以及列车发生碰撞后乘客的二次碰撞特性，提出碰撞能量管理（ＣｒａｓｈＥｎｅｒｇｙ　Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ，简称ＣＥＭ）的设计思想。ＣＥＭ

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