杨国建 刘志祥 张志强

摘要：轨道车辆碰撞试验中的碰撞力是考核车辆耐撞性的重要参考依据，一般使用测力墙测力。由于轨道车辆结构复杂、撞击接触面大，测力墙制造成本高，能否使用加速度计算碰撞力需试验验证。通过试验对比研究显示，加速度计算得到的碰撞力，其平均力与测力墙得到的碰撞力误差较小，但峰值力仍然有一定的差距。

关键词：碰撞力;加速度;轨道车辆;碰撞试验

中图分类号：TB文献标识码：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2022.07.088

0引言

随着经济的快速发展，轨道车辆在国内外已成为重要的交通工具。轨道车辆因体积大、载人多、速度快，发生碰撞时带来的伤亡往往是巨大的，因此各国对于轨道车辆的安全非常重视。国内中车青岛四方机车车辆股份有限公司率先开展了高速动车组整车冲击试验，对轨道车辆的安全性提升提供了重要的试验支撑。

轨道车辆碰撞试验中，碰撞力是评价车辆耐撞性的重要指标之一。在碰撞试验中，碰撞力的主要测试途径有测力传感器测试和加速度计算两种，毋庸置疑测力传感器测得的正面接触的力是最为准确的，面对轨道车辆非常复杂的测试工况，使用车体加速度计算碰撞力的测试方法精度如何，本研究将进行相应的对比研究，探究该测试方法的有效性。

1碰撞力测试方法

1.1测力传感器直接测试方法

轨道车辆碰撞试验撞击接触面大，撞击力高，在对车辆前端吸能装置进行仿真计算时，峰值力超过10MN，稳定变形平台力则在3000kN附近，而且载荷主要集中在接触面附近，传感器量程需要非常大。因此，要搭建一整面大量程传感器的测力墙，成本非常高。

中南大学许平等人提出了一种基于“并联分流”原理的轨道车辆大吨位测力墙设计方法，该方法通过在传感器前安装匀力板，能够利用较小的力传感器获取到大撞击面的撞击力。但是，由于在传感器上安装的匀力板较厚重，降低了传感器的自振频率，在测量力值波动较大的信号时，容易发生传感器自振，导致测量失真。

中车青岛四方机车车辆股份有限公司的测力墙采用压电式力传感器，如图1所示。测力传感器采用标准模块设计，单个传感器量程可以为700kN、1000kN、2500kN、5000kN、10000kN等多种规格，满足不同接触部位的多种量程需求。试验件直接撞击测力墙上的传感器，测得撞击力精度高。但由于测力传感器成本较高，目前只能满足部件试验，整车试验无法满足测力要求。

1.2加速度传感器间接测试方法

加速度计算撞击力的方法是通过在车体刚度较大且不变形的部位布置加速度传感器，利用其测得的数据和车的重量，根据牛顿第三定律F=ma计算得出。由于该方法不和撞击接触面积相关，测量简单方便，因此该方法常用于整车碰撞力的推算。

由于轨道车辆结构复杂、撞击力大、撞击变形时间长，因此在使用该公式计算时，需验证测试精度。

2试验方案设计

为验证加速度计算方法在轨道车辆中测试撞击力的准确性，设计此试验进行比对测试。

2.1试验设备

参与本次试验比对的设备主要有加速度传感器、测力传感器。加速度传感器为量程为±1000g;测力传感器为量程为10-1000kN。上述所用设备均在校准有效期内。

2.2测试方案

本次测试采用冲击台车作为撞击车，台车前端安装试验件，同时在台车纵梁的前、中、后各布置一个纵向加速度传感器，通道号分别为C-A-10、C-A-10、C-A-20，刚性墙上安装测力传感器，如图3、4所示。

使用牵引装置，使冲击台车以预定的速度撞向测力传感器，同步采集车体加速度数据和测力传感器的数据，按照EN 15227：2020《Railway applications -Crashworthiness requirements for rail vehicles》标准对数据进行滤波处理，分析使用测力传感器采集的撞击力和使用车载加速度计算的撞击力数据。

3测试结果及分析

本次冲击试验过程持续时间为0.42s，由于原始加速度波动较大，需对原始数据进行滤波，根据EN 15227：2020标准要求，试验数据滤波频率为1000Hz低通滤波，滤波后按照公式F=ma計算冲击力，分别如图5（a）、（b）、（c）所示，对三个通道取平均值，如图5（d）所示，力传感测试数据如图5（e）所示。

分别取各通道的力的最大值，并计算0-0.42s区间内的平均值，对比如表1所示。

经过1000Hz的低通滤波后，加速度测试数据依然波动较大，峰值力均在1000kN以上，这与撞击物的理论力值（设计峰值力在600kN左右，平均力在350kN左右）差距较大，反映出测试信号存在失真，而力传感器数据则较为平稳，最大力值在587kN左右，与理论力值相差较小。但平均力均反应一致，在350kN左右。

继续对信号进行60Hz低通滤波，加速度力值与测力传感器力值曲线如图6（a）-（e）所示。

分别取各通道的力的最大值，并计算0-0.42s区间内的平均值，对比如表2所示。

经过60Hz的低通滤波后，加速度数据波动大幅降低，峰值力除撞击台车前部测点外，均已降至与力传感器相似的水平，平均力值依然反应一致，均在350kN左右，差别不大。

将60Hz滤波加速度计算出的平均力与直接力传感器测出力对比，如图7所示。

加速度计算数据与力传感器测得数据相比可以看出，加速度计算得出力值曲线在局部波动幅度相对较大，但与直接测得的力值整体走势一致。

4结论

通过对轨道车辆进行两种测力方法的对比测试研究，按照标准1000Hz滤波条件下，加速度计算得出的峰值力与理论值相比偏差较大，平均力基本相同，而力传感器测得力值无论峰力还是平均力均与理论值偏差较小;按照60Hz滤波条件下，加速度计算得出的峰值力基本与力传感器测得的峰值力相同，但其波动依然较力传感器大，如峰值力出现在波动较大处时，则峰值力测试误差较大。

因此，在轨道车辆碰撞测力时，优先选用测力传感器测试，如无法实现，则可使用平均加速度计算得出，且宜采用60Hz进行滤波，其平均力相对较为准确，但峰值力可能存在偏差。

参考文献

[1]袁晓林.面向轨道车辆碰撞特性的数据挖掘研究[D].成都：西南交通大学，2019.

[2]刘志祥.基于电机牵引方式的轨道车辆碰撞试验台研制[J].中国基础科学，2018，（06）.

[3]谢素超.铁道车辆结构耐撞性影响因素及优化研究[D].长沙：中南大学，2012.

[4]许平.轨道车辆大吨位组合式承载结构测力墙设计方法[J].铁道科学与工程学报，2017，（11）.

作者简介：杨国建，男，工程师，主要从事轨道车辆碰撞试验工作。

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