导向蜂窝式防爬器吸能特性的试验研究.pdf

:./.导向蜂窝式防爬器吸能特性的试验研究钟 波郑 雄罗昌杰黄 科(.深圳市乾行达科技有限公司 创新研究院广东 深圳 .中车株洲电力机车有限公司湖南 株洲)摘 要:中间防爬器是安装于列车各车厢连接位置界面的被动安全防护装置用于吸收意外碰撞事故中的冲击能量为验证所研制的某型列车中间防爬器是否满足轨道车辆装车的严苛性能要求根据:铁路应用铁路车辆车体的耐碰撞性要求的标准要求对导向蜂窝式防爬器产品样件的结构性能及吸能性能进行系统的试验研究 研究结果表明该导向蜂窝式防爬器产品满足垂向承载性能测试、静压测试、撞击刚性墙、错位 对撞测试等性能要求关键词:列车碰撞防爬器吸能性能冲击试验中图分类号:.文献标识码:文章编号:()(.):.:.:引 言轨道列车因其运量大、准时等特点在长途运输及城市通勤中发挥着重要的作用 但近年来国内外发生了多起因列车追尾碰撞而导致的重大、特大交通事故造成了重大人员伤亡 因此列车安全防护技术的研究尤为重要 为降低事故损伤通常在列车上安装被动安全防护装置被动安全防护技术实现方法利用了各种材料或者装置自身的弹性阻尼缓冲或塑性变形吸能功能通过延长碰撞过程作用时间从而降低碰撞力及加速度峰值 同时将巨大的碰撞能量转化为变形能或热能消耗掉 以此最大程度地减轻人身伤害程度它是最后一道安全防线此技术对降低事故中的伤亡率起到决定性的影响具有不可替代的作用防爬器是常见的列车被动安全防护装置 其安装于列车端部用来防止意外碰撞事故中列车发生的爬车现象 在列车发生追尾事故时通过吸能材料弹性缓冲或塑性变形吸能如今众多学者针对列车头的碰撞功能装置展开了研究陈佳明、姜士鸿等分别研究了蜂窝式防爬器王贵久研究了刨削式防爬器何家兴等研究了导向式防爬吸能器耐撞性能以上吸能装置的尺寸、吸能量、允许重量等通常远大于中间防爬器 且采用的主要研究方法是有限元方法对吸能装置缺少全面的实验验证尤其是鲜有开展错位碰撞试验 基于以上情况笔者采用实验方法对列车中间防爬器的主要性能进行研究 导向蜂窝式防爬器性能指标文中所研究的防爬器为导向蜂窝式防爬器其三维结构如图 所示图 导向蜂窝式防爬器三维结构图 根据客户采购技术条件防爬器的基本性能参数机械研究与应用 年第 期(第 卷总第 期)车辆研究收稿日期:作者简介:钟 波()男湖南常德人工程师研究方向:车辆被动安全防护技术要求和试件零部件的材料属性如表、所列表 防爬器基本性能参数表性能指标数 值吸能行程/平均动态缓冲力/.吸能能力/.质量/表 防爬器零件材料属性零部件包覆蒙皮安装座、导向管、防爬齿板 螺栓材料型号.级抗拉强度/屈服强度/弹性模量/密度/(/)泊松比.根据列车耐撞性标准 中的要求文章所述导向蜂窝式防爬器的工况和验收标准如表 所列表 试验工况汇总与评价标准表工 况评价标准静态力学分析变形可控力值平稳垂向承载性能在 垂向加载力作用下永久变形量不超过 动力学分析单体正撞防爬器以变形可控方式实现能量正常吸收不发生功能性失效动力学分析错位 对撞防爬齿错位 碰撞可以啮合整体结构无倾覆失效缓冲力达到表 的要求吸能量不低于表 要求的 防爬器的垂向承载性能研究.试验工况利用自制垂向力加载试验平台开展垂向试验如图 所示图 垂向承载力试验场景 为便于观测将对垂向承载贡献较小的蜂窝芯和蒙皮去除 再将试件安装在试验平台用液压装置施加垂向载荷缓慢施加至 在过程中观察记录防爬器受力变化和变形情况加载至 后停止垂向加载观察试件的变形及损伤情况随后卸载记录回弹结果.试验结果蜂窝式防爬器产品在承受垂向 载荷时产品最大垂向变形.试验件未发生开裂、断裂等失效状况安装螺钉无松动 加载过程数据记录如表 所列载荷变化曲线如图 所示表 蜂窝式防爬器样件垂向加载试验过程记录表测量序号力稳定值/垂向位移量/备 注.边加载边测量.卸载完成回弹后测量图 试验件垂向加载测试结果 通过垂向承载试验分析发现当发生碰撞爬车风险时防爬器的导向结构可承受垂向偏载力能确保防爬器不发生整体倾覆且最前端的防爬齿板可向后端车体板移动使蜂窝被压缩变形直至蜂窝变形吸能完毕 防爬器的吸能平稳性研究.试验工况压力机以 /的速度匀速压缩试件使其车辆研究 年第 期(第 卷总第 期)机械研究与应用至载荷曲线平稳通过测试位移、载荷之间的关系观察试验件的变形及损伤情况 准静态压缩试验设备如图 所示图 准静态压缩试验用试验设备.试验结果导向蜂窝式防爬器在常温下准静态压缩时载荷平稳且变形有序试验结果如表 所列变形结果如图 所示行程满足设计要求表 常温下准静态压缩试验结果参 数数 值实验前高度/截面尺寸(长宽)/试验后高度/平均准静态力/.行程/图 准静态压缩试验变形结果 从图 中可以看出设置的诱导折痕形态的蒙皮结构在压缩变形过程中表现出了稳定的变形规律且均为向外扩展变形 此变形可避免挤压内部的蜂窝吸能材料并对压缩过程的力学稳定性起到重要作用 防爬器的单体正撞试验研究.试验工况此试验为中间车防爬器试件撞击刚性墙的碰撞试验 此项目试验工况为:将中间车导向蜂窝式防爬器固定在 的碰撞试验台车上撞击刚性测力墙试验工况参数如表 所列试验场景如图 所示试验样件变形结果如图 所示图 单体碰撞刚性墙试验测试场景表 单体正碰试验工况表参 数数 值冲击质量/冲击速度/(/).冲击动能/.图 单体碰撞刚性墙试验后变形结果 试验之前试件原始总体长度为.在此次试验之后试件总体长度为.总体变形量约为.且产生了均匀的变形褶皱 整体来看此次试验中试件各部分均按设计要求实现整体、机械研究与应用 年第 期(第 卷总第 期)车辆研究有序、可控的变形.试验结果试件的发形量随时间的增加而逐步增大 当时间为.时最大变形量为.通过对高速摄影和力的分析可以发现在.时刻试件与测力板分离 通过试验后对试件的测量可以发现试件的最终压缩量约为.变形过程及结果如图 所示图 试件撞击刚性墙过程序列图 通过对试验过程中各个传感器所测数据的处理可以得到碰撞过程中整个碰撞系统的撞击力位移历程 经滤波所得撞击力位移曲线如图 所示图 撞击刚性墙撞击力位移曲线 图 中曲线与横坐标轴围成区域的面积即为所吸收的能量通过积分计算可以得出该吸能结构装置在此次碰撞试验中通过塑性变形所吸收的能量为.此次试验结果如下()试件直接撞击刚性墙工况下能实现整体有序、可控的变形稳定性较好()试件的碰撞力峰值约为 碰撞力平均值为.吸能结构主要响应指标如表 所列表 单体正撞试验主要吸能性能指标参 数数 值碰撞速度/(/).平均力/.吸能行程/.出于保护测试设备的考虑应避免测试件因被完全压实形成刚性撞击而造成传感器破坏因此冲击能量要小于样件最大可吸收能量 从变形行程可以看出防爬器并没有被彻底压缩因此测试结果展示最终的变形能不代表试验件具备的全部吸能能力 错位对撞试验研究.试验装置为进一步研究导向蜂窝式防爬器动态吸能性能图 错位对撞试验现场布置对其进行错位 的实车对撞试验 试验现场布置如图 所示 试件运动端相对于固定端在垂直方向上高出 并且保持两者的水平中心线平行测试试验件在碰撞过程中的吸能能力观查试件的变形情况准确测量变形量、撞击力等评估防爬器的防撞击性能 具体的试验参数如表 所列表 错位 对撞测试碰撞试验工况表参 数数 值冲击质量/冲击速度/(/).冲击动能/.试验结果分析此次试验采用了两台高速摄影设备分别从侧面及上面对试件撞击过程进行拍摄对撞冲击变形后结果如图 所示图 错位对撞试验完成后试件各自变形结果 选取左视图的变形序列图对试件的变形过程进行分析说明如图 所示 由图 及其对应的数据可知试件的变形量随时间变化而逐步增大 当.时达到最大变形量 通过对高速摄影和力的分析可以发现在.时刻试件与测力板分离 通过对试验后对试件的测量可以发现试件的最终压缩变形量之和约为.由此可知在试件与测力板分离后试件结构有少量的回弹车辆研究 年第 期(第 卷总第 期)机械研究与应用图 错位对撞试验变形序列图从变形情况来看固定端试件产生了均匀的变形褶皱且已经被完全压缩运动端试件产生了均匀的变形褶皱但未被完全压缩 试验之前试件原始总体长度均为.试验之后试件总长度之和为.总变形量之和约为.整体来看此次试验中试件各部分均按设计要求实现整体有序、可控的变形同时注意到试件未被完全压实试件可以承受更大的冲击动能 得出防爬器冲击载荷位移曲线如图 所示图 错位对撞撞击力位移曲线 图 中曲线与横坐标轴围成区域的面积即为所吸收的能量 通过积分计算可以得出该吸能结构装置在此次碰撞试验中通过塑性变形所吸收的能量为.整个碰撞过程中试件的碰撞力平均值为.均达到设计参数的 满足标准要求此次试验结果如下()试件在保持一定高度差对撞的情况下均能实现整体有序、可控的变形试件的稳定性较好 ()试件的碰撞力峰值约为 碰撞力平均值为.吸能结构主要响应指标如表 所列表 错位 对撞试验主要吸能性能指标参 数数 值碰撞速度/(/).平均力/.吸能行程/.结 论文章通过对一种导向蜂窝式防爬器进行垂向、静压和台车单体正撞、错位对撞试验验证得出以下结论()由试验的碰撞响应情况可以发现:试件在直接撞击刚性墙以及保持 高度差对撞的情况下均能实现整体、有序、可控的变形这表明试件的稳定性较好 蒙皮预变形可有效引导整体结构压溃过程并实现有序变形()由试件直接撞击刚性墙的试验结果可以发现:试件的撞击力峰值约为 碰撞力平均值约.该结构可以稳定承受大于 的冲击动能(未完全压缩)()由试件错位对撞的试验结果可以发现:试件的撞击力峰值约为 碰撞力平均值约.()系 统 试 验 结 果 表 明:中 间 防 爬 器 符 合 的要求可应用于列车车厢中间界面可耗散意外碰撞的冲击能量并保护乘员人身及财产安全参考文献:.():.:.陈佳明朱 涛肖守讷等.结构参数对铝蜂窝防爬器吸能特性影响.机车电传动():.姜士鸿.列车蜂窝式防爬器耐撞性仿真分析.中国工程机械学报():.王贵久.刨削式防爬器仿真分析及实验验证.机械设计与研究():.何家兴秦睿贤陈秉智.导向式防爬吸能结构耐撞性能研究及优化.铁道科学与工程学报():.机械研究与应用 年第 期(第 卷总第 期)车辆研究