高云峰 王建全 王俊

摘 要：介绍现代有轨电车车端系统的组成及主要参数，以某有轨电车为例，从竖曲线、平面曲线、吸能行程、位置关系几个方面对车端系统各参数进行校验和优化。根据 EN 15227-2008+A1-2010《铁路应用设施-铁路车辆车身防撞性要求》，计算列车以 15km/h 速度与 1 列相同编组的静止列车正面碰撞，以及列车以 25km/h 速度呈 45°角撞击1 个 3t障碍物的 2 种碰撞情景下，列车碰撞过程中车体内能及动能、车辆速度及加速度等参数变化情况，验证车体的耐碰撞性和结构完整性，并对碰撞计算存在的不足进行探讨，提出建议。

关键词：现代有轨电车;车端系统;吸能;碰撞

中图分类号：U260.3

现代有轨电车车端系统位于有轨电车端部，是有轨电车的吸能和连挂系统，它的正确选型关系到整车的综合运行性能和安全性能。只有各参数合理匹配，才能保证各部件功能的正常发挥，而吸能结构的合理碰撞压塌失效顺序是吸收更多的碰撞动能为车内乘客提供生存空间的关键所在。

1 车端系统组成

现代有轨电车车端系统主要由折叠车钩、防爬吸能装置、导流罩和开闭机构4部分组成，如图1所示。其主要功能为：①实现2列机车的正常连挂和发生故障时的救援连挂;②防止相撞车辆之间攀爬，吸收碰撞能量;③实现车辆外形的整体流线化。

1.1 折叠车钩

现代有轨电车车钩与机车车钩不同，采用折叠型车钩，在列车正常运行时，车钩处于折叠状态，当需要救援或连挂时，车钩旋转打开成180°。

现代有轨电车折叠车钩在车体上的安装高度没有统一规定，通常同一城市的有轨电车车钩选用同一高度值，互换性好，方便救援维护。车钩的安装高度一般由司机室模块结构和车钩操作空间决定，车钩高度太高，势必抬高司机室地板面，占用司机室空间;车钩高度太低，对车钩的操作维护不便。车钩高度的设定还应通过线路最大坡度和最小竖曲线验证。

1.2 防爬吸能装置

现代有轨电车防爬吸能装置由防爬梁和吸能元件组成，当列车发生碰撞事故时，阻止车辆之间的攀爬，并吸收冲击能量。防爬梁强度略小于整车的纵向压缩强度，便于受损后更换。防爬梁推荐采用全宽尺寸，设计成顺应列车前端的不规则形状，尽可能多的将非纵向载荷转化为纵向载荷，避免列车横向失稳。

吸能元件通常采用胶泥缓冲器和压溃管组合或仅使用压馈管2种形式，低于7 km/h速度碰撞时，碰撞能量由胶泥缓冲器吸收;高于7 km/h速度碰撞时，碰撞能量由胶泥缓冲器和压馈管共同吸收。压溃管为管壁膨胀吸能方式，触发力恒定，吸能稳定，是事故工况下吸收能量的主要装置。

1.3 导流罩

导流罩在列车最前端，包裹着折叠车钩，采用易于成型的复合材料制成。导流罩的开度满足列车在不同曲线半径上运行时车钩最大转角要求。

1.4 开闭机构

开闭机构是导流罩的运动执行机构，一般为四连杆机构，动力部件为气弹簧。

1.4.1 开闭机构形式

开闭机构主要有2种形式：整体动作式（图2）和分体动作式（图1）。

（1）整体动作式。防爬梁和导流罩随开闭机构一起动作。苏州高新有轨电车1号线车辆采用整体动作式开闭机构。此种开闭机构的优点是可以把车钩和防爬吸能装置布置在同一水平面，降低司机室地板面高度，减小司机室与客室地板高度差。缺点是防爬梁随开闭机构一起动作，运动重量大，机构故障率高。

（2）分体动作式。仅导流罩随开闭机构动作，广州海珠环岛有轨电车、淮安现代有轨电车及青岛现代有轨电车车辆均采用分体动作式开闭机构。此种开闭机构的优点是结构简单，动作可靠，故障率低。缺点是防爬吸能装置与折叠车钩采用垂直面上下布置，抬高了司机室地板面，占用司机室内部空间。

1.4.2 开闭机构功能

开闭机构应满足以下基本功能：

（1）开闭机构运动时，保证导流罩处于正确的打开和闭合状态;

（2）开闭机构动作过程中，运动部件与司机室系统、防爬器、车钩及车体任何部位不发生干涉;

（3）车体连挂运行过程中，2列车的导流开闭机构之间不发生干涉。

2 车端系统主要参数

某现代有轨电车采用5模块浮车结构：Mc（动车）+F（浮车）+Tp（拖车）+F（浮车）+Mc（动车），各模块之间通过铰接装置及贯通道连接，车体主结构采用高强钢Q460E，整车强度满足EN 15227-2008+A1-2010《铁路应用设施-铁路车辆车身防撞性要求》（以下简称EN 15227）标准中P-IV級要求。

2.1 Albert折叠车钩主要参数

（1）车钩纵向压缩屈服载荷≥400 kN 。

（2）车钩纵向拉伸屈服载荷≥320 kN 。

（3）车钩最大水平摆角为±45° 。

（4）车钩最大垂直摆角为±6° 。

（5）缓冲器最大阻抗力为±300 kN。

（6）缓冲器行程为±25 mm。

（7）车钩距轨面高度430 mm。

（8）车钩长1 680 mm。

2.2 防爬吸能装置主要技术参数

（1）防爬梁纵向压缩屈服载荷为400±7.5% kN。

（2）单个压溃管稳态力为200 kN。

（3）单个压溃管吸能行程为300 mm。

（4）单个压溃管容量为60 kJ。

（5）吸能装置中心距离为1580mm。

3 车端系统主要参数校核

3.1 竖曲线校核

依据CJ/T 417-2012《低地板有轨电车车辆通用技术条件》，线路最大坡度采用60‰，考虑转向架一系橡胶锥弹簧和二系沙漏弹簧的垂向刚度，在车辆超载工况（AW3）下全磨耗状态通过R 500 m竖曲线（标准要求不小于1000 m，本车按500 m校核）时，考核车辆与轨面的干涉情况，如图3所示。车钩安装高度初期定为395mm，经 R 500 m竖曲线校核，发现车钩最低点（平直段距轨面132 mm）在凸曲线变坡点处与轨面发生干涉;将车钩安装高度调整为430 mm，并对车端结构梁上倾1.4°设计，干涉消除，满足车辆爬坡要求，车端各部件位置关系如图4所示。

3.2 平面曲线校核

通过动力学软件SIMPACK进行动态模拟，车辆以限速14.5 km/h通过无超高最小平面曲线R 25 m时，脱轨系数最大为1.12，小于GB 5599-1985《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》（以下简称GB 5599）中规定的脱轨系数1.2的限度;重车AW3工况下轮轴横向力最大值为33.7 kN，小于GB 5599规定的计算值59.01kN，轮重减载率最大值为0.42，小于GB 5599规定的限度0.6。此时车钩最大转角为21.93°，对导流罩的开度按照车钩最大转角进行验证，结论为合格。

3.3 吸能行程校核

依据EN 15227标准，采用吸收能量较大的碰撞情景进行吸能行程计算：列车以15 km/h 速度与1列静止的相同编组的列车正面碰撞。设碰撞前两车总质量分别为M1、M2，运行速度分别为v1和v2，撞击后的速度为u，则撞击前总动能Wd为：

（1）

撞击后总动能Wh为：

（2）

由动量守恒定理得，撞击前的动量等于撞击后的动量：

（3）

由式（1）～式（3）可得碰撞过程中所需耗散的能量Wf为：

（4）

式（4）中， M1 = M2 = 51034kg（车辆整备加满座1/2乘客质量），v1 = 15 km/h，v2 = 0 km/h，可得出碰撞情形中需要耗散的能量为221.5 kJ。相同车组，每一车组需吸收一半的能量110.75 kJ。压溃管平均稳态力为200kN，每列车设有2个压溃管，由此可估算出每个压馈管的吸能行程为277 mm，目前压溃管吸能行程为300mm，满足碰撞要求。

3.4 位置关系校核

车端各部件位置关系见图4，导流罩向上旋转打开时，折叠车钩连挂孔距导流罩前端距离为310 mm，保证两车辆连挂时通过最小平面曲线，无干涉;防爬梁内档距钢结构前端350 mm，保证压溃管的最大吸能行程300 mm;前端结构下部上倾1.4°，确保车辆竖曲线通过;防爬吸能装置与车钩采取上下布置关系，中心距离707.5 mm，开闭机构采用分体动作式。

4 耐撞性分析

4.1 碰撞情景设置

有轨电车属于EN 15227标准中的C-IV类车辆，需满足2种碰撞情景：①列车以15 km/h 速度与1列静止的相同编组列车正面碰撞;②列车以25 km/h 速度呈45°角与1个3 t障碍物碰撞。碰撞质量为列车整备质量加上满座50%乘客质量。

4.2 耐撞性评价指标

EN 15227车体的耐撞性评价指标要求如下。

（1）减少爬车风险：碰撞过程中应保持每个转向架至少有1个轮对与轨道有效接触，可转化为每个转向架至少有1个轮对的垂直位移不大于轮缘高度的75%来判断。

（2）生存空间和结构完整性要求：乘客生存空间的减少量在任何5 m长度内不得超过50 mm，或者在这些区域塑性变形应限定为10%。

（3）减速要求：生存空间内的平均纵向减速度对于第1种碰撞情景不超过5 g，第2种碰撞情景下不超过7.5 g。

4.3 碰撞吸能仿真分析

4.3.1 碰撞情景1

由图5 碰撞变形应力云图可知，在15 km/h 的碰撞速度等级下，车头区域发生了轻微变形，变形区域主要发生在司机室门立柱上，结构变形有序可控。

由图6两列车碰撞能量-时间曲线图可知，车辆碰撞前总动能为446 kJ，碰撞后剩余动能为220 kJ，占初始动能的49.3%;碰撞过程中车辆吸收能量为218 kJ，占初始动能的48.9%，其中压溃管吸收能量197 kJ，小于压溃管吸能器总量240 kJ（两列车2×120 kJ），其他能量消耗为（218-197）kJ = 21kJ，計算过程中产生的沙漏能为8.0 kJ，沙漏能占总能量比例为1.8%。

碰撞过程中，同一转向架，运动列车轮对最大抬升量为41.4mm，次最大抬升量为8.8 mm;静止列车轮对最大抬升量为35.5 mm，次最大抬升量为7.6 mm;满足每个转向架至少有1个轮对的垂直位移小于轮缘高度的75%（即21 mm）的要求。

通过仿真计算，碰撞车体间距5 m的2个节点碰撞后相对最大位移为8.7 mm，列车平均减速度为0.65 g，满足乘客生存空间的减少量在任何5 m长度内不得超过50mm以及在生存空间内的平均纵向减速度不超过5 g的要求。

基于以上分析，本案例碰撞情景1的碰撞能量主要由吸能装置压溃管吸收，因此，压溃管参数的选取满足碰撞要求。

4.3.2 碰撞情景2

由图7列车碰撞变形应力云图可知，在25 km/h 的碰撞速度等级下，碰撞后车体前端防撞梁右侧角部发生了较大变形，司机室门立柱有轻微塑性变形。

由图8两列车碰撞能量-时间曲线图可知，车辆碰撞前总动能为 1.24 MJ，碰撞后剩余动能为1.166 MJ，占初始动能的94.03%，碰撞过程中车辆吸收能量为67.5kJ，占初始动能的5.44%，沙漏能为 6.5 kJ，占总能量比例为0.53%。

通过仿真计算，碰撞过程中碰撞车体间距 5 m 的2个节点碰撞后相对最大位移为21.1 mm，碰撞过程中车体平均减速度为0.95 g，满足限定生存空间的减少量在任何5m长度上不超过 50 mm 以及在生存空间内的平均纵向减速度不超过7.5 g的的要求。

基于以上分析，碰撞情景2的碰撞能量主要由车辆前端结构变形吸收，部分结构发生塑性变形，但主结构完整，可以保证乘客的安全生存空间。

5 结论及建议

通过对有现代轨电车车端系统主要参数校核及碰撞能量分析，表明该有轨电车车端系统参数的设置满足EN 15227车体的耐撞性要求。但以上分析计算在很大程度上依赖于车辆保持直线运行，与相撞车辆完全接触，通常这与实际情况存在差异。因此，还应考虑由非两端相撞引起的翻滚和局部压溃。当车辆横向失稳，车辆侧面或车顶着地时，车辆还应具有足够的翻滚强度，保存有效的乘客生存空间。在结构允许的情况下，可设计结构吸能梁。通过梁柱的塑性变形，吸收碰撞能量。有数据表明碰撞发生时结构吸能是最可靠、高效的吸能方式。

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收稿日期 2019-05-15

责任编辑 宗仁莉

Configuration and crashworthiness analysis of

modern tram end system

Gao Yunfeng， Wang Jianquan， Wang Jun

Abstract： This paper introduces the composition and main parameters of the modern tram end system. Taking a tram as an example， it verifies and optimizes the parameters of the end system from the aspects of vertical curve， plane curve， energy absorption stroke and position relationship. According to EN 15227-2008 + A1-2010 Railway Applications - Crashworthiness Requirements for Railway Vehicle Body， the front impact of a train at speed of 15 km/h and a static train of the same configuration， as well as the impact of a train at speed of 25 km/h and 45° angle on a 3t obstacle are calculated， and the changes of parameters such as energy in the vehicle body， kinetic energy， vehicle speed and acceleration during the collision are tested. This paper discusses the crashworthiness and structural integrity of the car body， the insufficiency of collision calculation， and puts forward some suggestions.

Keywords： modern tram， vehicle end system， energy absorption， crashworthiness