有轨电车和轻轨车辆的防碰撞性

摘要：为提高有轨电车和轻轨车辆的防碰撞性,研制了防碰撞的车体结构,并进行了试验验证。

关键词:有轨电车;轻轨车辆;防碰撞性

1 概述

2004年夏,为提高轻轨旅客和司乘人员在碰撞事故中的 安 全 性 的 Safetram 项 目 即 将 完 成。Safetram项目于2001年7月1日启动,为期3年,由欧盟资助,是第五个框架研究计划的一部分。

在一定程度上由于京都议定书和为减少二氧化碳排放和能源消耗所作的相关努力,全世界的有轨电车线路和轻轨线路正在经历复兴阶段。促使有轨电车和有轨电车列车(称作市郊列车)项目增加的因素包括比公共汽车运量大、耗能低,同时又比传统的重型地铁成本低、乘坐方便。

轻轨的节能优势包括轻型车体结构和再生制动,但反之,又正是这种轻型结构会引起防碰撞性方面的问题。在未隔离的线路上,有轨电车必须与其他用户共用道路,经常在没有固定信号的情况下驾驶。这两个因素都会增加撞车风险。

Safetram 项目 专 门 用 于 提 高 被 动 安 全 的 成 本 效益---就是通过确保车辆之间的一个抗碰撞的幸存空间,来减小冲击力并延长冲击持续时间,从而避免猛烈的撞击。主要目标是证明在技术限制范围内,以可接受的成本控制典型的有轨电车和有轨电车列车的碰撞能量和加速度的可行性。

该项目是建立在铁路运营商执行的重轨防碰撞计划、rte EuramSafetran项目、汽车工业的经验和欧洲 Crossral项目的基础上的。工作由13个合作伙伴分 担,他们代表研究机构、制造商和运营商,由庞巴迪运输部葡萄牙公司领导和协调。

Safetram 项目从事故的统计和风险分析开始,并审查了防 碰 撞 车 体 前 端 的 设 计 和 制 造。 对 于 公 路 事故,也研究了汽车结构和内部被动安全方面的规定,并审查了公路车辆规定,这将影响这 2 种类型车辆间碰撞时有轨电车的性能,并强调了通用安全概念的适用性。

为了获取不同碰撞情况下的碰撞性能和优化的压碎特性,采用二维多体动力学模型模拟了城市有轨电车和市郊车辆的整体动力学问题。

这一建模过程,以及随后的部件和整个车体的动力学试验和结果的验证,将为制定未来车辆设计的标准做准备。为达到这一目标,该项目正在配合欧洲标准化委员会256技术委员会第2工作组制定防碰撞性结构要求的欧洲标准。

Safetram 项目 的 研 究 结 果 将 构 成 欧 洲 标 准 化 委员会12663号欧洲标准中第2部分的IV 型和 V 型有轨电车的基础。这将大大有助于达到有轨电车运营商的被动安全要求,而且我们相信,它将有助于最终消除轨道公共运输车辆这一市场的运行障碍。

2 风险分析

目前,有轨电车运行安全性多数靠动力学因素,如高性能制动。为了达到轻型车辆的要求,城市有轨电车的车体外壳通常能承受200kN～400kN 的冲击载荷而不发生结构变形,市郊车车体外壳能承受600kN的冲击载荷而不发生结构变形,而干线铁道车辆至少能承受1500kN 的冲击载荷而不发生结构变形。

然而,有轨电车事故一直频频发生,使司乘人员、旅客、行人、汽车司机和其他公路用户受到伤害。在过去10年中,仅欧洲 6 家 运 营 商 就 报 告 了 19000 起 事故,造成3050人伤亡。

采用2个不同的原始资料来评估风险,将给定事故类型的频 率 与 其 后 果 严 重 性 的乘 积 定 义 为 受 伤 风险。对于城市有轨电车,采用现有路网的事故数据库。由于有轨电车列车项目没有可比较的数据库,采用了德国联邦铁路 DB)和法国国营铁路(NCF)对地区列车运营事故的统计数据。

对项目合作者所在国及比利时的有轨电车事故进行评估后,很快显示出对旅客和司乘人员而言,最大的危险来自猛烈的紧急制动,而不是与另一辆车的实际相撞。分析确定, 辆低地板有轨电车和 1 辆卡车 相撞,造成车上 人 员 每 乘 客 公 里 数 的 受 伤 风 险 为 10-9，而紧急制动造成的受伤风险为10-7。

为了减轻有轨电车司乘人员和旅客所受伤害的严重程度,该项目合作者们认为,提高车辆的被动安全性非常重要。防 碰 撞 车 辆 的 设 计 要 求 它 以 一 种 受 控 制的、渐进的方式压碎,确保司机和旅客区的幸存空间的损失最小化。通过控制碰撞能量和重新设计有轨电车内部结构,可以提高司乘人员和旅客的安全。通过确保渐进的压碎变形,可以控制减速度并将其限制在一个可以接受的水平。

项目的下一阶段,为 2 种主要车型各设定了 4 种碰撞情景:

C1:城市有轨电车紧急制动(.73m/s );

C2: 辆相同的城市有轨电车以20km/h速度相撞;

C3:城市有轨电车以25km/h速度与1辆与轨道呈45º角停放的轻型箱式货车相撞;

C4:城市有轨电车以10km/h速度与1辆市郊车相撞;

P1:市郊车以25km/h速度与1辆装有侧缓冲器的80t铁路车辆相撞;

P2:市郊车以22km/h速度与1列重129t的防碰撞列车相撞;

P3: 辆相同的市郊车以36km/h速度相撞;

P4:市郊车以40km/h速度与平交道口上的1辆重16.5t的刚性卡车相撞。

P2碰撞情景中,防碰撞列车是指前端具有现代化的力-位移特性的列车。

为了获取不同情景下的碰撞性能和目标优化的压碎特性,采用了二维多体动力学模型来模拟车辆的整体动力学性能。

3 设计和试验

在最初研究的基础上,afetran项目组为城市和市郊有轨电车创立了2个新的设计理念。为了测试不同的材料,决定用铝制造城市有轨电车车体(图1),用钢制造市郊车车体(图2)。

图1 防碰撞城市有轨电车铝制司机室模块设计

图2 市郊车选用的钢制司机室设计

为了简化防碰撞原理的应用,大量的重点放在模块化上。例如,司机室设计成带清晰的机械接口的整体模块,变形单元设计成分离的模块。用于在碰撞中吸收能量的可更换部件的可靠性将提高,并降低有轨电车和轻轨车辆的维修和寿命周期成本。

城市有轨电车设计规定了2个能量吸收阶段。可以再用的第一阶段采用液压缓冲器,吸收能量 35kJ。不可再用的第二阶段采用一个可压碎的铝制挤压件,最多可以吸收能量100kJ。最大总位移约500mm。

市郊车碰撞情况的能量吸收分4个阶段。第一阶段缓冲器也是吸收能量35kJ。其他阶段都是不可再用的。侧缓冲器吸收能量 160kJ,中央的铝蜂窝结构进一步吸收能量64kJ。这2个单元均设计成可更换模块。最后阶段通过车体结构前端的一个压碎区吸收能量,最大可吸收能量 600kJ。这种情况下的最大位移为700mm。

当然,在任何给定的碰撞中,实际吸收的能量将取决于特定的碰撞情景,因为各个能量吸收单元所的作用是不同的。

模块设计方法除了能缩短特殊型式车体的设计过程并提高制造生产率外,还在认证方面具有重要优势。可以在部件试验阶段评估模块的碰撞性能。

4 实际验证

为了验证 多 体 动 力 学 和 有 限 元 计 算,003 年 11月在波兰的日米格鲁德试验中心进行了实物碰撞试验(图3、图 4、图 5),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。目的是通过有代表性的实际试 验 来 验 证 计 算,为 此 选 择 了 碰 撞 情 景 C2和 P1。情景 C2被简化成端部安装了试验司机室的单个车辆以14km/h速度撞击一面刚性墙壁。

图3 城市有轨电车司机室模块的实物碰撞试验

图4 市郊车司机室模块的碰撞试验

城市有轨电车试验的结果与计算阶段预计的性能一致。市郊车的变形有轻微的差别,这要通过对试验条件的进一步理解来解释。

图5 可变形的侧面和中央能量吸收单元安装在市郊车上,作为液压缓冲器之后的第二道防线

5 车内布局

为了提高车辆司乘人员和旅客的生存可能性,限制旅客和车内设备感觉到的加速度水平是很重要的。在这种情况下,站立旅客是最易受到伤害的。

目前有轨电车的车内布局表明,客室的设计存在许多缺陷,在 事 故 中 会 对 旅 客 构 成 严 重 的 安 全 威 胁。Safetram 项目审查了各种车内布局,并将在其最终报告中提出一套安全改进建议,这些改进将通过建立动力学模型和滑行试验来评估。

防止二次碰撞中的损伤要求考虑车内布局,以及人对冲击力和加速度的反应。站立旅客的生物力学是全新的、富有挑战性的研究领域。

Safetram 项目 最 后 阶 段 的 工 作 是 采 用 混 合 人 体II型模型进行一系列滑行试验。这些试验分 别 由 法国国营铁路于2003年8月在INRETS 进行,以及由英国 MIRA 实 验 室 于 2003 年 12 月 进 行。通 过 使 用 动力学模型来计算就座旅客和司机的行为和反应,从而确定规定碰撞情景下出现的损伤。