有軌電車(chē)和輕軌車(chē)輛的防碰撞性

摘要：為提高有軌電車(chē)和輕軌車(chē)輛的防碰撞性,研制了防碰撞的車(chē)體結(jié)構(gòu),并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞:有軌電車(chē);輕軌車(chē)輛;防碰撞性

1 概述

2004年夏,為提高輕軌旅客和司乘人員在碰撞事故中的 安 全 性 的 Safetram 項(xiàng) 目 即 將 完 成。Safetram項(xiàng)目于2001年7月1日啟動(dòng),為期3年,由歐盟資助,是第五個(gè)框架研究計(jì)劃的一部分。

在一定程度上由于京都議定書(shū)和為減少二氧化碳排放和能源消耗所作的相關(guān)努力,全世界的有軌電車(chē)線路和輕軌線路正在經(jīng)歷復(fù)興階段。促使有軌電車(chē)和有軌電車(chē)列車(chē)(稱(chēng)作市郊列車(chē))項(xiàng)目增加的因素包括比公共汽車(chē)運(yùn)量大、耗能低,同時(shí)又比傳統(tǒng)的重型地鐵成本低、乘坐方便。

輕軌的節(jié)能優(yōu)勢(shì)包括輕型車(chē)體結(jié)構(gòu)和再生制動(dòng),但反之,又正是這種輕型結(jié)構(gòu)會(huì)引起防碰撞性方面的問(wèn)題。在未隔離的線路上,有軌電車(chē)必須與其他用戶共用道路,經(jīng)常在沒(méi)有固定信號(hào)的情況下駕駛。這兩個(gè)因素都會(huì)增加撞車(chē)風(fēng)險(xiǎn)。

Safetram 項(xiàng)目 專(zhuān) 門(mén) 用 于 提 高 被 動(dòng) 安 全 的 成 本 效益---就是通過(guò)確保車(chē)輛之間的一個(gè)抗碰撞的幸存空間,來(lái)減小沖擊力并延長(zhǎng)沖擊持續(xù)時(shí)間,從而避免猛烈的撞擊。主要目標(biāo)是證明在技術(shù)限制范圍內(nèi),以可接受的成本控制典型的有軌電車(chē)和有軌電車(chē)列車(chē)的碰撞能量和加速度的可行性。

該項(xiàng)目是建立在鐵路運(yùn)營(yíng)商執(zhí)行的重軌防碰撞計(jì)劃、rte EuramSafetran項(xiàng)目、汽車(chē)工業(yè)的經(jīng)驗(yàn)和歐洲 Crossral項(xiàng)目的基礎(chǔ)上的。工作由13個(gè)合作伙伴分 擔(dān),他們代表研究機(jī)構(gòu)、制造商和運(yùn)營(yíng)商,由龐巴迪運(yùn)輸部葡萄牙公司領(lǐng)導(dǎo)和協(xié)調(diào)。

Safetram 項(xiàng)目從事故的統(tǒng)計(jì)和風(fēng)險(xiǎn)分析開(kāi)始,并審查了防 碰 撞 車(chē) 體 前 端 的 設(shè) 計(jì) 和 制 造。 對(duì) 于 公 路 事故,也研究了汽車(chē)結(jié)構(gòu)和內(nèi)部被動(dòng)安全方面的規(guī)定,并審查了公路車(chē)輛規(guī)定,這將影響這 2 種類(lèi)型車(chē)輛間碰撞時(shí)有軌電車(chē)的性能,并強(qiáng)調(diào)了通用安全概念的適用性。

為了獲取不同碰撞情況下的碰撞性能和優(yōu)化的壓碎特性,采用二維多體動(dòng)力學(xué)模型模擬了城市有軌電車(chē)和市郊車(chē)輛的整體動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。

這一建模過(guò)程,以及隨后的部件和整個(gè)車(chē)體的動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)和結(jié)果的驗(yàn)證,將為制定未來(lái)車(chē)輛設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)做準(zhǔn)備。為達(dá)到這一目標(biāo),該項(xiàng)目正在配合歐洲標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)256技術(shù)委員會(huì)第2工作組制定防碰撞性結(jié)構(gòu)要求的歐洲標(biāo)準(zhǔn)。

Safetram 項(xiàng)目 的 研 究 結(jié) 果 將 構(gòu) 成 歐 洲 標(biāo) 準(zhǔn) 化 委員會(huì)12663號(hào)歐洲標(biāo)準(zhǔn)中第2部分的IV 型和 V 型有軌電車(chē)的基礎(chǔ)。這將大大有助于達(dá)到有軌電車(chē)運(yùn)營(yíng)商的被動(dòng)安全要求,而且我們相信,它將有助于最終消除軌道公共運(yùn)輸車(chē)輛這一市場(chǎng)的運(yùn)行障礙。

2 風(fēng)險(xiǎn)分析

目前,有軌電車(chē)運(yùn)行安全性多數(shù)靠動(dòng)力學(xué)因素,如高性能制動(dòng)。為了達(dá)到輕型車(chē)輛的要求,城市有軌電車(chē)的車(chē)體外殼通常能承受200kN～400kN 的沖擊載荷而不發(fā)生結(jié)構(gòu)變形,市郊車(chē)車(chē)體外殼能承受600kN的沖擊載荷而不發(fā)生結(jié)構(gòu)變形,而干線鐵道車(chē)輛至少能承受1500kN 的沖擊載荷而不發(fā)生結(jié)構(gòu)變形。

然而,有軌電車(chē)事故一直頻頻發(fā)生,使司乘人員、旅客、行人、汽車(chē)司機(jī)和其他公路用戶受到傷害。在過(guò)去10年中,僅歐洲 6 家 運(yùn) 營(yíng) 商 就 報(bào) 告 了 19000 起 事故,造成3050人傷亡。

采用2個(gè)不同的原始資料來(lái)評(píng)估風(fēng)險(xiǎn),將給定事故類(lèi)型的頻 率 與 其 后 果 嚴(yán) 重 性 的乘 積 定 義 為 受 傷 風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于城市有軌電車(chē),采用現(xiàn)有路網(wǎng)的事故數(shù)據(jù)庫(kù)。由于有軌電車(chē)列車(chē)項(xiàng)目沒(méi)有可比較的數(shù)據(jù)庫(kù),采用了德國(guó)聯(lián)邦鐵路 DB)和法國(guó)國(guó)營(yíng)鐵路(NCF)對(duì)地區(qū)列車(chē)運(yùn)營(yíng)事故的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

對(duì)項(xiàng)目合作者所在國(guó)及比利時(shí)的有軌電車(chē)事故進(jìn)行評(píng)估后,很快顯示出對(duì)旅客和司乘人員而言,最大的危險(xiǎn)來(lái)自猛烈的緊急制動(dòng),而不是與另一輛車(chē)的實(shí)際相撞。分析確定, 輛低地板有軌電車(chē)和 1 輛卡車(chē) 相撞,造成車(chē)上 人 員 每 乘 客 公 里 數(shù) 的 受 傷 風(fēng) 險(xiǎn) 為 10-9，而緊急制動(dòng)造成的受傷風(fēng)險(xiǎn)為10-7。

為了減輕有軌電車(chē)司乘人員和旅客所受傷害的嚴(yán)重程度,該項(xiàng)目合作者們認(rèn)為,提高車(chē)輛的被動(dòng)安全性非常重要。防 碰 撞 車(chē) 輛 的 設(shè) 計(jì) 要 求 它 以 一 種 受 控 制的、漸進(jìn)的方式壓碎,確保司機(jī)和旅客區(qū)的幸存空間的損失最小化。通過(guò)控制碰撞能量和重新設(shè)計(jì)有軌電車(chē)內(nèi)部結(jié)構(gòu),可以提高司乘人員和旅客的安全。通過(guò)確保漸進(jìn)的壓碎變形,可以控制減速度并將其限制在一個(gè)可以接受的水平。

項(xiàng)目的下一階段,為 2 種主要車(chē)型各設(shè)定了 4 種碰撞情景:

C1:城市有軌電車(chē)緊急制動(dòng)(.73m/s );

C2: 輛相同的城市有軌電車(chē)以20km/h速度相撞;

C3:城市有軌電車(chē)以25km/h速度與1輛與軌道呈45º角停放的輕型箱式貨車(chē)相撞;

C4:城市有軌電車(chē)以10km/h速度與1輛市郊車(chē)相撞;

P1:市郊車(chē)以25km/h速度與1輛裝有側(cè)緩沖器的80t鐵路車(chē)輛相撞;

P2:市郊車(chē)以22km/h速度與1列重129t的防碰撞列車(chē)相撞;

P3: 輛相同的市郊車(chē)以36km/h速度相撞;

P4:市郊車(chē)以40km/h速度與平交道口上的1輛重16.5t的剛性卡車(chē)相撞。

P2碰撞情景中,防碰撞列車(chē)是指前端具有現(xiàn)代化的力-位移特性的列車(chē)。

為了獲取不同情景下的碰撞性能和目標(biāo)優(yōu)化的壓碎特性,采用了二維多體動(dòng)力學(xué)模型來(lái)模擬車(chē)輛的整體動(dòng)力學(xué)性能。

3 設(shè)計(jì)和試驗(yàn)

在最初研究的基礎(chǔ)上,afetran項(xiàng)目組為城市和市郊有軌電車(chē)創(chuàng)立了2個(gè)新的設(shè)計(jì)理念。為了測(cè)試不同的材料,決定用鋁制造城市有軌電車(chē)車(chē)體(圖1),用鋼制造市郊車(chē)車(chē)體(圖2)。

圖1 防碰撞城市有軌電車(chē)鋁制司機(jī)室模塊設(shè)計(jì)

圖2 市郊車(chē)選用的鋼制司機(jī)室設(shè)計(jì)

為了簡(jiǎn)化防碰撞原理的應(yīng)用,大量的重點(diǎn)放在模塊化上。例如,司機(jī)室設(shè)計(jì)成帶清晰的機(jī)械接口的整體模塊,變形單元設(shè)計(jì)成分離的模塊。用于在碰撞中吸收能量的可更換部件的可靠性將提高,并降低有軌電車(chē)和輕軌車(chē)輛的維修和壽命周期成本。

城市有軌電車(chē)設(shè)計(jì)規(guī)定了2個(gè)能量吸收階段?？梢栽儆玫牡谝浑A段采用液壓緩沖器,吸收能量 35kJ。不可再用的第二階段采用一個(gè)可壓碎的鋁制擠壓件,最多可以吸收能量100kJ。最大總位移約500mm。

市郊車(chē)碰撞情況的能量吸收分4個(gè)階段。第一階段緩沖器也是吸收能量35kJ。其他階段都是不可再用的。側(cè)緩沖器吸收能量 160kJ,中央的鋁蜂窩結(jié)構(gòu)進(jìn)一步吸收能量64kJ。這2個(gè)單元均設(shè)計(jì)成可更換模塊。最后階段通過(guò)車(chē)體結(jié)構(gòu)前端的一個(gè)壓碎區(qū)吸收能量,最大可吸收能量 600kJ。這種情況下的最大位移為700mm。

當(dāng)然,在任何給定的碰撞中,實(shí)際吸收的能量將取決于特定的碰撞情景,因?yàn)楦鱾€(gè)能量吸收單元所的作用是不同的。

模塊設(shè)計(jì)方法除了能縮短特殊型式車(chē)體的設(shè)計(jì)過(guò)程并提高制造生產(chǎn)率外,還在認(rèn)證方面具有重要優(yōu)勢(shì)?？梢栽诓考囼?yàn)階段評(píng)估模塊的碰撞性能。

4 實(shí)際驗(yàn)證

為了驗(yàn)證 多 體 動(dòng) 力 學(xué) 和 有 限 元 計(jì) 算,003 年 11月在波蘭的日米格魯?shù)略囼?yàn)中心進(jìn)行了實(shí)物碰撞試驗(yàn)(圖3、圖 4、圖 5),并 在 英 國(guó) 的 汽 車(chē) 制 造 業(yè) 研 究 協(xié) 會(huì)(MIRA)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了滑行試驗(yàn)。目的是通過(guò)有代表性的實(shí)際試 驗(yàn) 來(lái) 驗(yàn) 證 計(jì) 算,為 此 選 擇 了 碰 撞 情 景 C2和 P1。情景 C2被簡(jiǎn)化成端部安裝了試驗(yàn)司機(jī)室的單個(gè)車(chē)輛以14km/h速度撞擊一面剛性墻壁。

圖3 城市有軌電車(chē)司機(jī)室模塊的實(shí)物碰撞試驗(yàn)

圖4 市郊車(chē)司機(jī)室模塊的碰撞試驗(yàn)

城市有軌電車(chē)試驗(yàn)的結(jié)果與計(jì)算階段預(yù)計(jì)的性能一致。市郊車(chē)的變形有輕微的差別,這要通過(guò)對(duì)試驗(yàn)條件的進(jìn)一步理解來(lái)解釋。

圖5 可變形的側(cè)面和中央能量吸收單元安裝在市郊車(chē)上,作為液壓緩沖器之后的第二道防線

5 車(chē)內(nèi)布局

為了提高車(chē)輛司乘人員和旅客的生存可能性,限制旅客和車(chē)內(nèi)設(shè)備感覺(jué)到的加速度水平是很重要的。在這種情況下,站立旅客是最易受到傷害的。

目前有軌電車(chē)的車(chē)內(nèi)布局表明,客室的設(shè)計(jì)存在許多缺陷,在 事 故 中 會(huì) 對(duì) 旅 客 構(gòu) 成 嚴(yán) 重 的 安 全 威 脅。Safetram 項(xiàng)目審查了各種車(chē)內(nèi)布局,并將在其最終報(bào)告中提出一套安全改進(jìn)建議,這些改進(jìn)將通過(guò)建立動(dòng)力學(xué)模型和滑行試驗(yàn)來(lái)評(píng)估。

防止二次碰撞中的損傷要求考慮車(chē)內(nèi)布局,以及人對(duì)沖擊力和加速度的反應(yīng)。站立旅客的生物力學(xué)是全新的、富有挑戰(zhàn)性的研究領(lǐng)域。

Safetram 項(xiàng)目 最 后 階 段 的 工 作 是 采 用 混 合 人 體II型模型進(jìn)行一系列滑行試驗(yàn)。這些試驗(yàn)分 別 由 法國(guó)國(guó)營(yíng)鐵路于2003年8月在INRETS 進(jìn)行,以及由英國(guó) MIRA 實(shí) 驗(yàn) 室 于 2003 年 12 月 進(jìn) 行。通 過(guò) 使 用 動(dòng)力學(xué)模型來(lái)計(jì)算就座旅客和司機(jī)的行為和反應(yīng),從而確定規(guī)定碰撞情景下出現(xiàn)的損傷。