高速列车碰撞动力学响应与脱轨机理研究

作     者：王成全 

作者单位：西南交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：敬霖

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 082304[工学-载运工具运用工程] 082303[工学-交通运输规划与管理] 080204[工学-车辆工程] 0802[工学-机械工程] 0823[工学-交通运输工程] 

主      题：列车被动安全 动态响应 碰撞能量管理 脱轨机理 脱轨防护 

摘      要：列车提速和高速化的迫切需求及其高安全性和可靠性保障要求,给列车运行安全提出了更苛刻的条件。尽管铁路客运列车具有系列的主动安全保障措施,但列车服役中的意外碰撞事故仍不能完全避免,并且一旦发生,将造成严重的人员伤亡和巨大的经济损失。列车碰撞安全与碰撞防护问题愈发受到关注和重视。本文采用了有限元模拟研究方法,开展了列车碰撞动态响应与碰撞脱轨行为及防护研究。主要内容与成果包括以下几个方面:(1)建立了8编组列车正面碰撞有限元分析模型,研究了不同速度(36、50、72、108 km/h)下列车碰撞纵向动力学行为,从列车速度、界面力、应力/应变等方面分析了列车碰撞动力学响应,揭示了列车碰撞过程中的能量分配与耗散规律。结果表明,两列车碰撞接触头车头部、转向架连接处以及门框、车窗位置应力较大,且Mises应力沿着碰撞方向呈现出递减趋势;运动列车与静止列车头车司机室及乘客区域变形较为严重,其余车辆乘客生存空间沿纵向变化较小;各车体的能量吸收主要依靠碰撞接触的两列车头车,其中碰撞速度为36、50、72、108 km/h时,两列车碰撞接触头车吸能量分别占对应速度下列车车体总吸能量的75.6%、67.3%、84.9%、82.8%,且底架吸收能量值明显高于车顶、侧墙及端墙部位。(2)建立了考虑轮轨滚动接触的3编组列车碰撞有限元模型,研究了列车分别碰撞刚性墙和障碍物引起的轮轨动态接触响应和脱轨行为,分析了列车速度、碰撞角度和轮轨摩擦系数等关键参量对列车碰撞脱轨行为的影响规律。结果表明,在列车斜碰刚性墙和障碍物工况下,车轮抬升量和横移量能够较好地评判列车碰撞后的脱轨行为;列车碰撞产生的较大横向、纵向和垂向冲击力会依次通过车体、转向架悬挂系统传递至轮对,导致车轮产生横移和垂向抬升,从而引起列车失稳并以爬轨/侧滚组合的形式脱离轨道。(3)基于列车碰撞脱轨行为分析,提出了高速列车碰撞脱轨情形下垂向–横向耦合限位的防脱轨装置设计方案,对比分析了列车在斜碰可移动障碍物和斜碰刚性墙两种工况下安装防脱轨装置前后的动力学响应特性,从防脱轨装置应力状态、轮轨接触力、轮对抬升量、轮对横移量和轮对侧滚角等几方面验证了该装置防脱轨的有效性。结果表明,在列车碰撞后防脱轨装置可以有效地承受轮轨垂向及横向力并减缓轮对侧滚的趋势,可以使轮轨在短时间内重新恢复正常的接触状态。本文开展了列车碰撞动态响应与碰撞脱轨行为研究,探究了列车碰撞能量传递及耗散规律,分析了列车碰撞后的脱轨行为评价依据,揭示了列车碰撞后的脱轨机制,提出了列车碰撞防脱轨装置设计方案,研究结果可为列车被动安全性设计与评估提供理论依据和技术支持,具有重要的学术价值和工程意义。