摘要：為提高有軌電車和輕軌車輛的防碰撞性，研制了防碰撞的車體結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

　　關(guān)鍵詞：有軌電車;輕軌車輛;防碰撞性

　　1 概述

　　2004年夏，為提高輕軌旅客和司乘人員在碰撞事故中的 安 全 性 的 Safetram 項(xiàng) 目 即 將 完 成。Safetram項(xiàng)目于2001年7月1日啟動(dòng)，為期3年，由歐盟資助，是第五個(gè)框架研究計(jì)劃的一部分。

　　在一定程度上由于京都議定書和為減少二氧化碳排放和能源消耗所作的相關(guān)努力，全世界的有軌電車線路和輕軌線路正在經(jīng)歷復(fù)興階段。促使有軌電車和有軌電車列車（稱作市郊列車）項(xiàng)目增加的因素包括比公共汽車運(yùn)量大、耗能低，同時(shí)又比傳統(tǒng)的重型地鐵成本低、乘坐方便。

　　輕軌的節(jié)能優(yōu)勢(shì)包括輕型車體結(jié)構(gòu)和再生制動(dòng)，但反之，又正是這種輕型結(jié)構(gòu)會(huì)引起防碰撞性方面的問題。在未隔離的線路上，有軌電車必須與其他用戶共用道路，經(jīng)常在沒有固定信號(hào)的情況下駕駛。這兩個(gè)因素都會(huì)增加撞車風(fēng)險(xiǎn)。

　　Safetram 項(xiàng)目 專 門 用 于 提 高 被 動(dòng) 安 全 的 成 本 效益---就是通過確保車輛之間的一個(gè)抗碰撞的幸存空間，來減小沖擊力并延長(zhǎng)沖擊持續(xù)時(shí)間，從而避免猛烈的撞擊。主要目標(biāo)是證明在技術(shù)限制范圍內(nèi)，以可接受的成本控制典型的有軌電車和有軌電車列車的碰撞能量和加速度的可行性。

　　該項(xiàng)目是建立在鐵路運(yùn)營(yíng)商執(zhí)行的重軌防碰撞計(jì)劃、rte EuramSafetran項(xiàng)目、汽車工業(yè)的經(jīng)驗(yàn)和歐洲 Crossral項(xiàng)目的基礎(chǔ)上的。工作由13個(gè)合作伙伴分 擔(dān)，他們代表研究機(jī)構(gòu)、制造商和運(yùn)營(yíng)商，由龐巴迪運(yùn)輸部葡萄牙公司領(lǐng)導(dǎo)和協(xié)調(diào)。

　　Safetram 項(xiàng)目從事故的統(tǒng)計(jì)和風(fēng)險(xiǎn)分析開始，并審查了防 碰 撞 車 體 前 端 的 設(shè) 計(jì) 和 制 造。 對(duì) 于 公 路 事故，也研究了汽車結(jié)構(gòu)和內(nèi)部被動(dòng)安全方面的規(guī)定，并審查了公路車輛規(guī)定，這將影響這 2 種類型車輛間碰撞時(shí)有軌電車的性能，并強(qiáng)調(diào)了通用安全概念的適用性。

　　為了獲取不同碰撞情況下的碰撞性能和優(yōu)化的壓碎特性，采用二維多體動(dòng)力學(xué)模型模擬了城市有軌電車和市郊車輛的整體動(dòng)力學(xué)問題。

　　這一建模過程，以及隨后的部件和整個(gè)車體的動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)和結(jié)果的驗(yàn)證，將為制定未來車輛設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)做準(zhǔn)備。為達(dá)到這一目標(biāo)，該項(xiàng)目正在配合歐洲標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)256技術(shù)委員會(huì)第2工作組制定防碰撞性結(jié)構(gòu)要求的歐洲標(biāo)準(zhǔn)。

　　Safetram 項(xiàng)目 的 研 究 結(jié) 果 將 構(gòu) 成 歐 洲 標(biāo) 準(zhǔn) 化 委員會(huì)12663號(hào)歐洲標(biāo)準(zhǔn)中第2部分的IV 型和 V 型有軌電車的基礎(chǔ)。這將大大有助于達(dá)到有軌電車運(yùn)營(yíng)商的被動(dòng)安全要求，而且我們相信，它將有助于最終消除軌道公共運(yùn)輸車輛這一市場(chǎng)的運(yùn)行障礙。

　　2 風(fēng)險(xiǎn)分析

　　目前，有軌電車運(yùn)行安全性多數(shù)靠動(dòng)力學(xué)因素，如高性能制動(dòng)。為了達(dá)到輕型車輛的要求，城市有軌電車的車體外殼通常能承受200kN～400kN 的沖擊載荷而不發(fā)生結(jié)構(gòu)變形，市郊車車體外殼能承受600kN的沖擊載荷而不發(fā)生結(jié)構(gòu)變形，而干線鐵道車輛至少能承受1500kN 的沖擊載荷而不發(fā)生結(jié)構(gòu)變形。

　　然而，有軌電車事故一直頻頻發(fā)生，使司乘人員、旅客、行人、汽車司機(jī)和其他公路用戶受到傷害。在過去10年中，僅歐洲 6 家 運(yùn) 營(yíng) 商 就 報(bào) 告 了 19000 起 事故，造成3050人傷亡。

　　采用2個(gè)不同的原始資料來評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)，將給定事故類型的頻 率 與 其 后 果 嚴(yán) 重 性 的乘 積 定 義 為 受 傷 風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于城市有軌電車，采用現(xiàn)有路網(wǎng)的事故數(shù)據(jù)庫(kù)。由于有軌電車列車項(xiàng)目沒有可比較的數(shù)據(jù)庫(kù)，采用了德國(guó)聯(lián)邦鐵路 DB）和法國(guó)國(guó)營(yíng)鐵路（NCF）對(duì)地區(qū)列車運(yùn)營(yíng)事故的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

　　對(duì)項(xiàng)目合作者所在國(guó)及比利時(shí)的有軌電車事故進(jìn)行評(píng)估后，很快顯示出對(duì)旅客和司乘人員而言，最大的危險(xiǎn)來自猛烈的緊急制動(dòng)，而不是與另一輛車的實(shí)際相撞。分析確定， 輛低地板有軌電車和 1 輛卡車 相撞，造成車上 人 員 每 乘 客 公 里 數(shù) 的 受 傷 風(fēng) 險(xiǎn) 為 10-9，而緊急制動(dòng)造成的受傷風(fēng)險(xiǎn)為10-7。

　　為了減輕有軌電車司乘人員和旅客所受傷害的嚴(yán)重程度，該項(xiàng)目合作者們認(rèn)為，提高車輛的被動(dòng)安全性非常重要。防 碰 撞 車 輛 的 設(shè) 計(jì) 要 求 它 以 一 種 受 控 制的、漸進(jìn)的方式壓碎，確保司機(jī)和旅客區(qū)的幸存空間的損失最小化。通過控制碰撞能量和重新設(shè)計(jì)有軌電車內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可以提高司乘人員和旅客的安全。通過確保漸進(jìn)的壓碎變形，可以控制減速度并將其限制在一個(gè)可以接受的水平。

　　項(xiàng)目的下一階段，為 2 種主要車型各設(shè)定了 4 種碰撞情景：

　　C1：城市有軌電車緊急制動(dòng)（.73m/s ）;

　　C2： 輛相同的城市有軌電車以20km/h速度相撞;

　　C3：城市有軌電車以25km/h速度與1輛與軌道呈45o角停放的輕型箱式貨車相撞;

　　C4：城市有軌電車以10km/h速度與1輛市郊車相撞;

　　P1：市郊車以25km/h速度與1輛裝有側(cè)緩沖器的80t鐵路車輛相撞;

　　P2：市郊車以22km/h速度與1列重129t的防碰撞列車相撞;

　　P3： 輛相同的市郊車以36km/h速度相撞;

　　P4：市郊車以40km/h速度與平交道口上的1輛重16.5t的剛性卡車相撞。

　　P2碰撞情景中，防碰撞列車是指前端具有現(xiàn)代化的力-位移特性的列車。

　　為了獲取不同情景下的碰撞性能和目標(biāo)優(yōu)化的壓碎特性，采用了二維多體動(dòng)力學(xué)模型來模擬車輛的整體動(dòng)力學(xué)性能。

　　3 設(shè)計(jì)和試驗(yàn)

　　在最初研究的基礎(chǔ)上，afetran項(xiàng)目組為城市和市郊有軌電車創(chuàng)立了2個(gè)新的設(shè)計(jì)理念。為了測(cè)試不同的材料，決定用鋁制造城市有軌電車車體（圖1），用鋼制造市郊車車體（圖2）。

　　圖1 防碰撞城市有軌電車鋁制司機(jī)室模塊設(shè)計(jì)

　　圖2 市郊車選用的鋼制司機(jī)室設(shè)計(jì)

　　為了簡(jiǎn)化防碰撞原理的應(yīng)用，大量的重點(diǎn)放在模塊化上。例如，司機(jī)室設(shè)計(jì)成帶清晰的機(jī)械接口的整體模塊，變形單元設(shè)計(jì)成分離的模塊。用于在碰撞中吸收能量的可更換部件的可靠性將提高，并降低有軌電車和輕軌車輛的維修和壽命周期成本。

　　城市有軌電車設(shè)計(jì)規(guī)定了2個(gè)能量吸收階段。可以再用的第一階段采用液壓緩沖器，吸收能量 35kJ。不可再用的第二階段采用一個(gè)可壓碎的鋁制擠壓件，最多可以吸收能量100kJ。最大總位移約500mm。

　　市郊車碰撞情況的能量吸收分4個(gè)階段。第一階段緩沖器也是吸收能量35kJ。其他階段都是不可再用的。側(cè)緩沖器吸收能量 160kJ，中央的鋁蜂窩結(jié)構(gòu)進(jìn)一步吸收能量64kJ。這2個(gè)單元均設(shè)計(jì)成可更換模塊。最后階段通過車體結(jié)構(gòu)前端的一個(gè)壓碎區(qū)吸收能量，最大可吸收能量 600kJ。這種情況下的最大位移為700mm。

　　當(dāng)然，在任何給定的碰撞中，實(shí)際吸收的能量將取決于特定的碰撞情景，因?yàn)楦鱾€(gè)能量吸收單元所的作用是不同的。

　　模塊設(shè)計(jì)方法除了能縮短特殊型式車體的設(shè)計(jì)過程并提高制造生產(chǎn)率外，還在認(rèn)證方面具有重要優(yōu)勢(shì)。可以在部件試驗(yàn)階段評(píng)估模塊的碰撞性能。

　　4 實(shí)際驗(yàn)證

　　為了驗(yàn)證多體動(dòng)力學(xué)和有限元計(jì)算，2003 年11月在波蘭的日米格魯?shù)略囼?yàn)中心進(jìn)行了實(shí)物碰撞試驗(yàn)（圖3、圖 4、圖 5），并在英國(guó)的汽車制造業(yè)研究協(xié)會(huì)（MIRA）實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了滑行試驗(yàn)。目的是通過有代表性的實(shí)際試驗(yàn)來驗(yàn)證計(jì)算，為此選擇了碰撞情景 C2和P1。情景C2被簡(jiǎn)化成端部安裝了試驗(yàn)司機(jī)室的單個(gè)車輛以14km/h速度撞擊一面剛性墻壁。

　　圖3 城市有軌電車司機(jī)室模塊的實(shí)物碰撞試驗(yàn)

　　圖4 市郊車司機(jī)室模塊的碰撞試驗(yàn)

　　城市有軌電車試驗(yàn)的結(jié)果與計(jì)算階段預(yù)計(jì)的性能一致。市郊車的變形有輕微的差別，這要通過對(duì)試驗(yàn)條件的進(jìn)一步理解來解釋。

　　圖5 可變形的側(cè)面和中央能量吸收單元安裝在市郊車上，作為液壓緩沖器之后的第二道防線

　　5 車內(nèi)布局

　　為了提高車輛司乘人員和旅客的生存可能性，限制旅客和車內(nèi)設(shè)備感覺到的加速度水平是很重要的。在這種情況下，站立旅客是最易受到傷害的。

　　目前有軌電車的車內(nèi)布局表明，客室的設(shè)計(jì)存在許多缺陷，在 事故中會(huì)對(duì)旅客構(gòu)成嚴(yán)重的安全威脅。Safetram 項(xiàng)目審查了各種車內(nèi)布局，并將在其最終報(bào)告中提出一套安全改進(jìn)建議，這些改進(jìn)將通過建立動(dòng)力學(xué)模型和滑行試驗(yàn)來評(píng)估。

　　防止二次碰撞中的損傷要求考慮車內(nèi)布局，以及人對(duì)沖擊力和加速度的反應(yīng)。站立旅客的生物力學(xué)是全新的、富有挑戰(zhàn)性的研究領(lǐng)域。

　　Safetram 項(xiàng)目最后階段的工作是采用混合人體II型模型進(jìn)行一系列滑行試驗(yàn)。這些試驗(yàn)分別由法國(guó)國(guó)營(yíng)鐵路于2003年8月在INRETS 進(jìn)行，以及由英國(guó) MIRA實(shí)驗(yàn)室于2003年12月進(jìn)行。通過使用動(dòng)力學(xué)模型來計(jì)算就座旅客和司機(jī)的行為和反應(yīng)，從而確定規(guī)定碰撞情景下出現(xiàn)的損傷。