摘要：為提高有軌電車和輕軌車輛的防碰撞性,研制了防碰撞的車體結(jié)構(gòu),并進行了試驗驗證。
關鍵詞:有軌電車;輕軌車輛;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 目 即 將 完 成。Safetram項目于2001年7月1日啟動,為期3年,由歐盟資助,是第五個框架研究計劃的一部分。
在一定程度上由于京都議定書和為減少二氧化碳排放和能源消耗所作的相關努力,全世界的有軌電車線路和輕軌線路正在經(jīng)歷復興階段。促使有軌電車和有軌電車列車(稱作市郊列車)項目增加的因素包括比公共汽車運量大、耗能低,同時又比傳統(tǒng)的重型地鐵成本低、乘坐方便。
輕軌的節(jié)能優(yōu)勢包括輕型車體結(jié)構(gòu)和再生制動,但反之,又正是這種輕型結(jié)構(gòu)會引起防碰撞性方面的問題。在未隔離的線路上,有軌電車必須與其他用戶共用道路,經(jīng)常在沒有固定信號的情況下駕駛。這兩個因素都會增加撞車風險。
Safetram 項目 專 門 用 于 提 高 被 動 安 全 的 成 本 效益---就是通過確保車輛之間的一個抗碰撞的幸存空間,來減小沖擊力并延長沖擊持續(xù)時間,從而避免猛烈的撞擊。主要目標是證明在技術限制范圍內(nèi),以可接受的成本控制典型的有軌電車和有軌電車列車的碰撞能量和加速度的可行性。
該項目是建立在鐵路運營商執(zhí)行的重軌防碰撞計劃、rte EuramSafetran項目、汽車工業(yè)的經(jīng)驗和歐洲 Crossral項目的基礎上的。工作由13個合作伙伴分 擔,他們代表研究機構(gòu)、制造商和運營商,由龐巴迪運輸部葡萄牙公司領導和協(xié)調(diào)。
Safetram 項目從事故的統(tǒng)計和風險分析開始,并審查了防 碰 撞 車 體 前 端 的 設 計 和 制 造。 對 于 公 路 事故,也研究了汽車結(jié)構(gòu)和內(nèi)部被動安全方面的規(guī)定,并審查了公路車輛規(guī)定,這將影響這 2 種類型車輛間碰撞時有軌電車的性能,并強調(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,采用二維多體動力學模型模擬了城市有軌電車和市郊車輛的整體動力學問題。
這一建模過程,以及隨后的部件和整個車體的動力學試驗和結(jié)果的驗證,將為制定未來車輛設計的標準做準備。為達到這一目標,該項目正在配合歐洲標準化委員會256技術委員會第2工作組制定防碰撞性結(jié)構(gòu)要求的歐洲標準。
Safetram 項目 的 研 究 結(jié) 果 將 構(gòu) 成 歐 洲 標 準 化 委員會12663號歐洲標準中第2部分的IV 型和 V 型有軌電車的基礎。這將大大有助于達到有軌電車運營商的被動安全要求,而且我們相信,它將有助于最終消除軌道公共運輸車輛這一市場的運行障礙。
2 風險分析
目前,有軌電車運行安全性多數(shù)靠動力學因素,如高性能制動。為了達到輕型車輛的要求,城市有軌電車的車體外殼通常能承受200kN～400kN 的沖擊載荷而不發(fā)生結(jié)構(gòu)變形,市郊車車體外殼能承受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,有軌電車事故一直頻頻發(fā)生,使司乘人員、旅客、行人、汽車司機和其他公路用戶受到傷害。在過去10年中,僅歐洲 6 家 運 營 商 就 報 告 了 19000 起 事故,造成3050人傷亡。
采用2個不同的原始資料來評估風險,將給定事故類型的頻 率 與 其 后 果 嚴 重 性 的乘 積 定 義 為 受 傷 風險。對于城市有軌電車,采用現(xiàn)有路網(wǎng)的事故數(shù)據(jù)庫。由于有軌電車列車項目沒有可比較的數(shù)據(jù)庫,采用了德國聯(lián)邦鐵路 DB)和法國國營鐵路(NCF)對地區(qū)列車運營事故的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。
對項目合作者所在國及比利時的有軌電車事故進行評估后,很快顯示出對旅客和司乘人員而言,最大的危險來自猛烈的緊急制動,而不是與另一輛車的實際相撞。分析確定, 輛低地板有軌電車和 1 輛卡車 相撞,造成車上 人 員 每 乘 客 公 里 數(shù) 的 受 傷 風 險 為 10-9，而緊急制動造成的受傷風險為10-7。
為了減輕有軌電車司乘人員和旅客所受傷害的嚴重程度,該項目合作者們認為,提高車輛的被動安全性非常重要。防 碰 撞 車 輛 的 設 計 要 求 它 以 一 種 受 控 制的、漸進的方式壓碎,確保司機和旅客區(qū)的幸存空間的損失最小化。通過控制碰撞能量和重新設計有軌電車內(nèi)部結(jié)構(gòu),可以提高司乘人員和旅客的安全。通過確保漸進的壓碎變形,可以控制減速度并將其限制在一個可以接受的水平。
項目的下一階段,為 2 種主要車型各設定了 4 種碰撞情景:
C1:城市有軌電車緊急制動(.73m/s );
C2: 輛相同的城市有軌電車以20km/h速度相撞;
C3:城市有軌電車以25km/h速度與1輛與軌道呈45º角停放的輕型箱式貨車相撞;
C4:城市有軌電車以10km/h速度與1輛市郊車相撞;
P1:市郊車以25km/h速度與1輛裝有側(cè)緩沖器的80t鐵路車輛相撞;
P2:市郊車以22km/h速度與1列重129t的防碰撞列車相撞;
P3: 輛相同的市郊車以36km/h速度相撞;
P4:市郊車以40km/h速度與平交道口上的1輛重16.5t的剛性卡車相撞。
P2碰撞情景中,防碰撞列車是指前端具有現(xiàn)代化的力-位移特性的列車。
為了獲取不同情景下的碰撞性能和目標優(yōu)化的壓碎特性,采用了二維多體動力學模型來模擬車輛的整體動力學性能。
3 設計和試驗
在最初研究的基礎上,afetran項目組為城市和市郊有軌電車創(chuàng)立了2個新的設計理念。為了測試不同的材料,決定用鋁制造城市有軌電車車體(圖1),用鋼制造市郊車車體(圖2)。
圖1 防碰撞城市有軌電車鋁制司機室模塊設計
圖2 市郊車選用的鋼制司機室設計
為了簡化防碰撞原理的應用,大量的重點放在模塊化上。例如,司機室設計成帶清晰的機械接口的整體模塊,變形單元設計成分離的模塊。用于在碰撞中吸收能量的可更換部件的可靠性將提高,并降低有軌電車和輕軌車輛的維修和壽命周期成本。
城市有軌電車設計規(guī)定了2個能量吸收階段?？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。
市郊車碰撞情況的能量吸收分4個階段。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)進一步吸收能量64kJ。這2個單元均設計成可更換模塊。最后階段通過車體結(jié)構(gòu)前端的一個壓碎區(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。
當然,在任何給定的碰撞中,實際吸收的能量將取決于特定的碰撞情景,因為各個能量吸收單元所的作用是不同的。
模塊設計方法除了能縮短特殊型式車體的設計過程并提高制造生產(chǎn)率外,還在認證方面具有重要優(yōu)勢。可以在部件試驗階段評估模塊的碰撞性能。
4 實際驗證
為了驗證 多 體 動 力 學 和 有 限 元 計 算,003 年 11月在波蘭的日米格魯?shù)略囼炛行倪M行了實物碰撞試驗(圖3、圖 4、圖 5),并 在 英 國 的 汽 車 制 造 業(yè) 研 究 協(xié) 會(MIRA)實驗室進行了滑行試驗。目的是通過有代表性的實際試 驗 來 驗 證 計 算,為 此 選 擇 了 碰 撞 情 景 C2和 P1。情景 C2被簡化成端部安裝了試驗司機室的單個車輛以14km/h速度撞擊一面剛性墻壁。
圖3 城市有軌電車司機室模塊的實物碰撞試驗
圖4 市郊車司機室模塊的碰撞試驗
城市有軌電車試驗的結(jié)果與計算階段預計的性能一致。市郊車的變形有輕微的差別,這要通過對試驗條件的進一步理解來解釋。
圖5 可變形的側(cè)面和中央能量吸收單元安裝在市郊車上,作為液壓緩沖器之后的第二道防線
5 車內(nèi)布局
為了提高車輛司乘人員和旅客的生存可能性,限制旅客和車內(nèi)設備感覺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。
目前有軌電車的車內(nèi)布局表明,客室的設計存在許多缺陷,在 事 故 中 會 對 旅 客 構(gòu) 成 嚴 重 的 安 全 威 脅。Safetram 項目審查了各種車內(nèi)布局,并將在其最終報告中提出一套安全改進建議,這些改進將通過建立動力學模型和滑行試驗來評估。
防止二次碰撞中的損傷要求考慮車內(nèi)布局,以及人對沖擊力和加速度的反應。站立旅客的生物力學是全新的、富有挑戰(zhàn)性的研究領域。
Safetram 項目 最 后 階 段 的 工 作 是 采 用 混 合 人 體II型模型進行一系列滑行試驗。這些試驗分 別 由 法國國營鐵路于2003年8月在INRETS 進行,以及由英國 MIRA 實 驗 室 于 2003 年 12 月 進 行。通 過 使 用 動力學模型來計算就座旅客和司機的行為和反應,從而確定規(guī)定碰撞情景下出現(xiàn)的損傷。
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