机车车辆耐碰撞性能研究现状及标准解读

肖守讷2012年11月机车车辆耐碰撞性能研究及标准解读SELF-ASSESSMENTREPORTFORTHEASSESSMENTOFUNDERGRADUATETEACHING目录国内外机车车辆耐碰撞研究现状机车车辆碰撞标准现状机车车辆碰撞研究方法我国机车车辆碰撞研究存在的问题和不足我国机车车辆碰撞研究发展方向SELF-ASSESSMENTREPORTFORTHEASSESSMENTOFUNDERGRADUATETEACHING美国伊利诺斯州的机车碰撞意大利北部地区两列火车相撞SELF-ASSESSMENTREPORTFORTHEASSESSMENTOFUNDERGRADUATETEACHING美国南卡罗来纳州小镇格拉尼特维尔洛杉矶火车碰撞事故现场SELF-ASSESSMENTREPORTFORTHEASSESSMENTOFUNDERGRADUATETEACHING印度火车碰撞事故现场胶济火车碰撞事故现场SELF-ASSESSMENTREPORTFORTHEASSESSMENTOFUNDERGRADUATETEACHING时间:2009年6月29日地占：湖南郴州站事故：客运列车侧面冲突伤亡：3人死亡，60余人受伤SELF-ASSESSMENTREPORTFORTHEASSESSMENTOFUNDERGRADUATETEACHING7.23温甬碰撞事故上海地铁10号线碰撞事故SELF-ASSESSMENTREPORTFORTHEASSESSMENTOFUNDERGRADUATETEACHINGSELF-ASSESSMENTREPORTFORTHEASSESSMENTOFUNDERGRADUATETEACHING20世纪80年代初期就有与减缓碰撞严重性和改善能量吸收的概念相关的文献报道。后来，英国学者的研究提出了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等概念，还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两列全尺寸列车的正面头对头碰撞试验等。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。通过理论和实验研究，英国研究人员总结出了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应采用多级能量吸收系统国内外机车车辆耐碰撞研究现状SELF-ASSESSMENTREPORTFORTHEASSESSMENTOFUNDERGRADUATETEACHING近20年来，欧洲铁路系统一直不断地进行着列车被动安全防护技术的研究，西欧英、德、法、奥地利、比利时等国通过对列车碰撞事故的广泛调查和统计，并对频繁出现的典型列车事故类型进行还原研究。1990年至2007年，由欧盟资助的TRAINCOL、SAFETRAIN、SAFETRAM及SAFEINTERIORS等项目从耐撞的设计工具、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了深入细致的研究国内外机车车辆耐碰撞研究现状SELF-ASSESSMENTREPORTFORTHEASSESSMENTOFUNDERGRADUATETEACHING国内外机车车辆耐碰撞研究现状SELF-ASSESSMENTREPORTFORTHEASSESSMENTOFUNDERGRADUATETEACHING法国的铁路研究机构使用非线性有限元软件Pam-crash对车辆碰撞进行模拟，参考车辆耐碰撞性结构设计理念，将非动力车两端结构设计为弱刚度的可大变形的吸能区，并采用高性能计算机对某TGV列车车辆结构进行了耐撞性优化。1993年，法国的阿尔斯通铁路集团把列车耐碰撞性设计思想应用于“欧洲某夜间列车”项目，提供了高于英国铁道组织标准要求的列车，法国国有铁路对被动安全性曾进行过大量研究工作，探究了被动碰撞安全性设计的基本原理，详细研究了列车发生碰撞时的物理现象。国内外机车车辆耐碰撞研究现状SELF-ASSESSMENTREPORTFORTHEASSESSMENTOFUNDERGRADUATETEACHING研究现状波兰日米格鲁德试验中心实物碰撞试验法国阿尔斯通拥有丰富的超高速列车耐碰撞结构设计和碰撞试验方面的经验。2003年11月，法国阿尔斯通在波兰的日米格鲁德试验中心进行了实物碰撞试验,并在英国的汽车制造业研究协会(MIRA)实验室进行了滑行试验。法国阿尔斯通AGV高速铁路的头车吸能装置国内外机车车辆耐碰撞研究现状SELF-ASSESSMENTREPORTFORTHEASSESSMENTOFUNDERGRADUATETEACHING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，并且加速度必须保持在允许的范围内，英国铁路公司（BritishRail）曾开发出耐撞性司机室结构国内外机车车辆耐碰撞研究现状SELF-ASSESSMENTREPORTFORTHEASSESSMENTOFUNDERGRADUATETEACHINGPage15研究现状德国针对耐撞击车体结构技术进行了深入的研究，并进行了吸能结构的试验。其中，较典型的是德国西门子公司与汉诺威大学合开展城市轻轨车辆的结构耐撞性研究。目前德国已经在城市轻轨车辆、ICE第三代列车上采用了耐冲击车技结构技术。2006年11月14日,进行了BrunelRailmotive撞击试验。BrunelRailmotive撞击试验德国西门子高速列车头车吸能装置二级吸能一级吸能国内外机车车辆耐碰撞研究现状SELF-ASSESSMENTREPORTFORTHEASSESSMENTOFUNDERGRADUATETEACHINGPage16研究现状试验能力：美国铁路联盟在位于科罗拉多州建有一条1.2公里长的专用冲击试验线，可以进行全尺寸车辆、机车的撞击试验，曾经对两辆客车以41.8km/h速度撞击特制冲击墙的工况进行了实车试验。TTC的冲击试验线图实车碰撞试验假人及安全带实车碰撞试验标准研究：1999年，美国交通联邦铁路委员会(FRA)和美国公共交通协会发布“TierI铁路客车设备耐撞性”新标准，涵盖包括设备强度、能量控制及成员座椅的动态冲击试验等诸多内容。国内外机车车辆耐碰撞研究现状SELF-ASSESSMENTREPORTFORTHEASSESSMENTOFUNDERGRADUATETEACHING美国联邦铁路局（FRA）进行了大量列车碰撞研究，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了多次整车碰撞试验，重点研究了单节车辆与刚性墙、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，他们对比分析了无安全带和有安全带时乘客与车内设备二次碰撞损伤情况，研究表明有腰部和肩部安全带束缚的情况下，乘客的安全系数会明显提高，所以他们建议在列车座椅上加装安全带。国内外机车车辆耐碰撞研究现状SELF-ASSESSMENTREPORTFORTHEASSESSMENTOFUNDERGRADUATETEACHING国内外机车车辆耐碰撞研究现状SELF-ASSESSMENTREPORTFORTHEASSESSMENTOFUNDERGRADUATETEACHING国内外机车车辆耐碰撞研究现状SELF-ASSESSMENTREPORTFORTHEASSESSMENTOFUNDERGRADUATETEACHINGPage20意大利研究现状2006年意大利安萨尔多公司进行了吸能元件撞击试验和司机室结构的正面碰撞试验两车正面线路撞击试验吸能元件撞击试验撞击后变形76.5Km/h国内外机车车辆耐碰撞研究现状SELF-ASSESSMENTREPORTFORTHEASSESSMENTOFUNDERGRADUATETEACHINGPage21川崎重工研制的纽约R142型地铁列车，车头底架端部吸能1.02MJ。在美国国家运输技术中心(TTCI)进行了单车（37吨）撞击试验，试验车沿坡度为千分之8.6的线路滑行而下撞击刚性墙，走行距离约为500米。吸能元件撞击试验吸能元件撞击试验部分端部车体撞击试验日本研究现状国内外机车车辆耐碰撞研究现状SELF-ASSESSMENTREPORTFORTHEASSESSMENTOFUNDERGRADUATETEACHING国内外机车车辆耐碰撞研究现状近5年关于高速列车撞击学术论文50多篇，会议论文10篇，科技成果近8项，硕士论文达到46多篇，博士论文达到15篇左右，专利成果达到30项一般采用计算、仿真等手段对吸能结构件、头车、车钩、车体等进行大变形碰撞仿真研究、结构设计及优化和二次碰撞伤害研究。其中专利在吸能、防爬、系统控制、结构设计等方面提出了见解。SELF-ASSESSMENTREPORTFORTHEASSESSMENTOFUNDERGRADUATETEACHING国内外机车车辆耐碰撞研究现状由于实车实验费财费力，而且可重复性差，加上计算机仿真技术的不断发展。国内研究人员大多致力于对车辆碰撞大变形的模拟仿真工作，欠缺对机车车辆碰撞的实验研究。中南大学高速列车研究中心是我国较早开展列车耐撞性结构研究的单位之一。SELF-ASSESSMENTREPORTFORTHEASSESSMENTOFUNDERGRADUATETEACHINGPage24研究现状Page24中南大学高速列车研究中心在1998年建立动模型碰撞试验台，在该试验台上，四方股份进行了天津地铁、北京四号线等城轨车辆碰撞吸能测试。试验线长170m、轨距0.9m,刚性墙5X4.55X5.8m最大载重2250Kg，最高试验速度120km/h，撞击加速度量程500g，撞击力量程60T×24。吸能元件撞击试验SELF-ASSESSMENTREPORTFORTHEASSESSMENTOFUNDERGRADUATETEACHING国内外机车车辆耐碰撞研究现状西南交通大学，一直致力于列车被动安全技术的研究，先后完成了上海10号、13号线，深圳4号线，南京3号线，无锡地铁1号线，宁波地铁1号线，出口孟买地铁列车，突尼斯内燃动车组，符合欧标的高速动车组，出口沙特电力动车组等各型列车的耐撞性结构设计与分析。另外，在肖守讷研究员的带领下，西南交通大学机车车辆研究所还对上海地铁10号线追尾事故及7.23甬温线特大交通事故等进行了事故还原。SELF-ASSESSMENTREPORTFORTHEASSESSMENTOFUNDERGRADUATETEACHING国内外机车车辆耐碰撞研究现状SELF-ASSESSMENTREPORTFORTHEASSESSMENTOFUNDERGRADUATETEACHING国内外机车车辆耐碰撞研究现状上海地铁10号线事故模拟SELF-ASSESSMENTREPORTFORTHEASSESSMENTOFUNDERGRADUATETEACHING国内外机车车辆耐碰撞研究现状SELF-ASSESSMENTREPORTFORTHEASSESSMENTOFUNDERGRADUATETEACHING同济大学李健、沈刚等在ADAMS中对某国外铁路车辆防碰撞装置进行了动力学计算，研究耐撞性车辆设计方法和吸能装置的力学特性。赵洪伦等对城市轨道列车及高速列车开展过耐碰撞仿真分析研究，通过结合有限元和多体动力学，寻求一种既准确又快速的仿真方法。通过对基本吸能元件的仿真及试验分析，将其研究成果应用北京八通线等制造的城市轨道车辆的耐碰撞结构上，另外他们还对列车吸能防爬结构等进行了优化设计研究。王文斌等还对轨道列车乘员的二次碰撞伤害进行了研究，研究车内布置及座椅设计参数对乘员伤害的影响国内外机车车辆耐碰撞研究现状SELF-ASSESSMENTREPORTFORTHEASSESSMENTOFUNDERGRADUATETEACHING大连交通大学的兆文忠、陈秉智、车全伟等应用PAM-CRASH软件对CRH3型动车组进行仿真研究，研究CRH3动车组的大变形模式以及车辆的吸能情况，撞击力、车辆速度。加速度等的时间历