孙泽
中车长春轨道客车股份有限公司 长春 130062
摘要：应用耐碰撞系统设计思想，提出了采用新型吸能结构和填充材料的排障器设计方案，并通过仿真分析和试验对设计方案进行了验证。基于仿真分析和试验结果表明，该新型排障器设计方案满足设计要求，具有良好的吸能和缓冲碰撞的安全性能。
关键词：地铁车辆 吸能排障器 铝蜂窝结构 仿真分析
头车排障器是轨道列车排除线路上可能存在的障碍物以避免发生脱轨等运行事故的安全防护装置。排障器位于司机室前端下方，尽可能设置在较前方的位置，在满足限界要求的前提下，距离轨面越低为佳。排障器的静载强度按车辆速度等级的不同，具体承载要求也不同。高速地铁车辆的排障器在设计时除了考虑结构外形和高度等基本条件及排障结构的静强度要求以外，还需要满足吸能性能要求，从而达到过载时缓和冲击的安全防护要求。
1 高速地铁车辆头车吸能排障器的结构设计
高速地铁车辆头车吸能排障器由排障装置，铝蜂窝吸能结构，横梁，加强筋板等组成。排障器呈”V”型结构，张开的角度大于160度，以清扫轨道上的障碍物。
在排障器内部设置铝蜂窝吸能结构，用于吸收过载工况下产生的碰撞能量，保证在运营中发生过载工况时，排障器可以保持在安装结构上，没有脱落的危险。铝蜂窝结构是一种新型夹层结构，具有在常温下比强度大，比刚度大的特点。
当与障碍物碰撞产生的冲击力低于排障器能承载的静态载荷时，排障器直接将障碍物撞开，铝蜂窝吸能结构不进行触发和参与碰撞吸能，不发生塑性变形。当碰撞产生的冲击力超出排障器能承受的载荷时，排障器吸能结构被触发，螺栓被剪断，铝蜂窝吸能结构在两侧纵向导向机构的引导下发生塑性变形进而压溃而吸收能量，从而达到消耗冲击动能以减缓冲击的目的。
2 高速地铁车辆头车吸能排障器的仿真分析
按照标准中的要求和车辆设计速度参数，高速地铁车辆头车吸能排障器应满足两种静态载荷工况。应满足的承载要求为，在排障器中心位置，应承受静载 249 kN以及在排障器偏离中心750mm位置，应承受静载 207.5 kN。
同时，高速地铁车辆头车吸能排障器还需满足碰撞性能的要求。当冲击力大于排障器静态载荷要求时，排障器装置需吸收一定的碰撞能量，达到缓冲和安全保护的作用。标准要求吸能排障器装置可吸收的能量，满足在最大静态载荷作用下，发生120mm的压溃变形。
对排障器的设计结构建立有限元分析模型，采用ANSYS 软件进行有限元分析。排障器结构采用壳单元建立模型，安装螺栓的连接采用梁单元建立模型。仿真分析结果表明，应力低于材料的屈服强度，排障器及其安装螺栓满足静态载荷工况的要求。
对铝蜂窝吸能结构运用Ls-Dyna 进行动态碰撞仿真分析。并制作1：1等比样件，对铝蜂窝吸能样件进行准静态试验。通过准静态试验，测试铝蜂窝在常温下的准静态压缩载荷性能及变形形态。将铝蜂窝试件安装在试验机上，上下装上压板，压力机以 10mm/min 的速度匀速加压压缩蜂窝试件。试验前，样件高度为191mm，试验后样件高度剩余57.4mm。试验结果表明，所设计的铝蜂窝吸能结构载荷平稳，变形有序，准静态压缩率可达70%，。运用Ls-Dyna 软件，对吸能结构进行动态碰撞仿真，分析结果表明铝蜂窝吸能结构可吸收30.3KJ的能量。在正常运行时，铝蜂窝结构的阻断障碍物的力值稳定在226KN左右，碰撞吸能的触发力约为270KN,压溃吸能方式满足设计要求。
3总结
本文从被动安全碰撞吸能与缓冲性能出发，提出了高速地铁车辆头车吸能排障器装置的设计方案，并通过仿真分析得出以下结果。高速地铁车辆头车吸能排障器装置对于缓和碰撞时产生的冲击具有良好的效果。仿真分析表明高速地铁车辆头车吸能排障器装置中心位置能承受249KN以上静态载荷，偏离中心750mm的两侧位置可承受207.5KN以上载荷，同时可以吸收30kJ 以上的能量，压溃行程可达135mm以上，满足标准要求。
此外，本文提出的高速地铁车辆头车吸能排障器装置设计的方案和仿真分析结果，对于一般地铁车辆的头车排障器设计具有一定的参考意义。
【参考文献】?
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