机车车辆耐碰撞性能研究现状及标准解读
轨道车辆耐碰撞性研究进展_雷成
第３５卷第１期铁 道 学 报Ｖｏｌ．３５ Ｎｏ．１２ ０ １ ３年１月ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＴＨＥ ＣＨＩＮＡ ＲＡＩＬＷＡＹ ＳＯＣＩＥＴＹ Ｊａｎｕａｒｙ ２０１３文章编号：１００１－８３６０（２０１３）０１－００３１－１０轨道车辆耐碰撞性研究进展雷 成１，２， 肖守讷１， 罗世辉１， 张志新３（１．西南交通大学牵引动力国家重点实验室，四川成都 ６１００３１；２．郑州铁路职业技术学院车辆工程学院，河南郑州 ４５００５２；３．南车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司齿轮传动事业部，江苏常州 ２１３０１１）摘 要：对轨道车辆耐碰撞性研究的国内外最新进展进行综述，并对列车碰撞研究的主要方法及存在的问题、耐撞性车辆设计及评价标准进行论述。
研究表明：我国在轨道车辆耐碰撞安全性技术研究方面与国外存在较大的差距，应在列车碰撞响应与车体结构安全性关系、列车碰撞试验标准和试验设备、列车碰撞后脱轨机理等方面进行深入的研究，并亟待制定符合我国国情的列车碰撞安全性标准。
关键词：轨道车辆；耐碰撞性；发展方向中图分类号：Ｕ２７０．２ 文献标志码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１－８３６０．２０１３．０１．００５Ｓｔａｔｅ－ｏｆ－ｔｈｅ－ａｒｔ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ Ｒａｉｌ Ｖｅｈｉｃｌｅｓ ＣｒａｓｈｗｏｒｔｈｉｎｅｓｓＬＥＩ Ｃｈｅｎｇ１，２， ＸＩＡＯ Ｓｈｏｕ－ｎｅ１， ＬＵＯ Ｓｈｉ－ｈｕｉ １， ＺＨＡＮＧ Ｚｈｉ－ｘｉｎ３（１．Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｔｒａｃｔｉｏｎ Ｐｏｗｅｒ，Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ ６１００３１，Ｃｈｉｎａ；２．Ｖｅｈｉｃｌｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ Ｒａｉｌｗａｙ Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ ＆Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ ４５００５２，Ｃｈｉｎａ；３．Ｇｅａｒ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ，ＣＳＲ Ｑｉｓｈｕｙａｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ｃｈａｎｇｚｈｏｕ ２１３０１１，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｓｔａｔｅ－ｏｆ－ｔｈｅ－ａｒｔ ｒｅｓｅａｒｃｈｅｓ ｏｆ ｒａｉｌ ｖｅｈｉｃｌｅｓ ｃｒａｓｈｗｏｒｔｈｉｎｅｓｓ ａｔ ｈｏｍｅ ａｎｄ ａｂｒｏａｄ ｗｅｒｅ ｒｅｖｉｅｗｅｄ．Ｔｈｅ ｍａｉｎ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ ｔｒａｉｎ ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ ｒｅｓｅａｒｃｈｉｎｇ ａｎｄ ｔｈｅ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｗｅｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｅｖａｌ－ｕａｔｉｏｎ ｓｔａｎｄａｒｄｓ ｆｏｒ ｖｅｈｉｃｌｅｓ ｏｆ ｃｒａｓｈｗｏｒｔｈｉｎｅｓｓ ｗｅｒｅ ｅｘｐｏｕｎｄｅｄ．Ｔｈｅ ｓｔｕｄｉｅｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅｒｅ ｅｘｉｓｔｓ ａ ｂｉｇ ｇａｐｂｅｔｗｅｅｎ Ｃｈｉｎａ ａｎｄ ａｂｒｏａｄ ｉｎ ｒａｉｌ ｖｅｈｉｃｌｅ ｃｒａｓｈｗｏｒｔｈｉｎｅｓｓ ｓａｆｅｔｙ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｒｅｓｅａｒｃｈ，ｉｎ ｏｕｒ ｃｏｕｎｔｒｙ ｆｕｒｔｈｅｒ ｉｎ－ｄｅｐｔｈ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｗｏｒｋ ｓｈｏｕｌｄ ｂｅ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ ｉｎ ｒｅｓｐｅｃｔ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｒａｉｎ ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ ｒｅｓｐｏｎｓｅ，ａｎｄｃａｒ ｂｏｄｙ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｓａｆｅｔｙ，ｔｒａｉｎ ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ ｔｅｓｔ ｓｔａｎｄａｒｄｓ ａｎｄ ｔｅｓｔ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ａｎｄ ｔｒａｉｎ ｄｅｒａｉｌｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ａｆｔｅｒｔｒａｉｎ ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ，ａｎｄ ｔｈｅ ｔｒａｉｎ ｃｒａｓｈｗｏｒｔｈｉｎｅｓｓ ｓｔａｎｄａｒｄｓ ｎｅｅｄ ｔｏ ｂｅ ｆｏｒｍｕｌａｔｅｄ ｉｎ ｌｉｎｅ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ａｃｔｕａｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｏｆ ｏｕｒ ｃｏｕｎｔｒｙ．Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｒａｉｌ ｖｅｈｉｃｌｅｓ；ｃｒａｓｈｗｏｒｔｈｉｎｅｓｓ；ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ 随着轨道交通广泛采用诊断、监测、通信、失效保护制动、现代化的列车控制系统等主动安全防护系统，发生重大交通事故的可能性越来越小。
列车撞击简介
撞击介绍1、国外列车耐碰撞性研究状况欧洲铁路近20年来一直在不断地研究列车被动安全防护技术，包括结构设计准则、能量吸收部件的开发、车辆结构碰撞结果的力学分析、能量吸收部件的材料试验、吸能结构的部件吸能试验以及整车碰撞试验等等。
欧洲铁路在耐碰撞列车的前端结构中，不仅将车钩缓冲器、防爬器和能量吸收管集成一体，还使列车前端底架参与吸收碰撞能量，并在侧墙和端墙中设臵铝制蜂窝板，使之也能吸收碰撞能量。
另外，通过在斜撑和下侧梁开切口来控制底架塑性变形的初始屈服应力和折曲方向。
英国于20世纪80年代后期开始起步，对铁路列车碰撞进行了研究：1985年发表了第一篇论文，介绍了关于事故严重性的最初研究，提出了进一步减缓碰撞和能量吸收的概念；在后续的研究中提出了车体的耐碰撞性结构设计和以可控制的方式吸收碰撞能量，并进行了实物碰撞实验，其中包括在试验台上进行的对车体端部静态冲击试验和两辆全尺寸列车的正面碰撞试验。
20世界90年代，英国铁路管理委员会成立专门从事列车碰撞问题的研究机构。
对铁道车辆结构耐碰撞性和吸能元件进行较深入的理论分析、计算机仿真和试验研究。
1992年到1995年间采用LS-DYNA3D软件对各种钢质、铝制结构的大变形、非线性压溃形式进行了研究，其研究范围从简单圆管、各种组合结构到完整的车辆端部结构，同时英国还进行了列车碰撞时车辆爬车的试验研究。
法国铁路研究部门采用“Pam-crash”软件进行了列车碰撞模拟，按照车辆结构耐碰撞性要求，将拖车两端部设计为可变形的压溃吸能区，并在超级计算机上对TGV DuPlex车体结构进行了优化。
其中法国阿尔斯通公司在1993年把耐碰撞设计理念引入“欧洲夜间列车”项目以后，提供了比英国铁路组织标准要求更严的车辆。
法国在TGV 双层高速列车上为动车和尾部拖车设计了依次可承受8MJ和6MJ以上的碰撞能量的可碰撞结构，车辆之间设计安装了防爬装臵。
法国国营铁路(SNCF)对被动安全碰撞进行了大量的研究，阐明了被动安全碰撞的基本原理，详细阐述了碰撞的物理现象。
铁道机车车辆调研报告
铁道机车车辆调研报告铁道机车车辆调研报告一、调研目的本次调研旨在了解铁道机车车辆的发展现状及未来发展趋势，为相关企业和机构提供参考与决策依据。
二、调研方法1. 网络调研：通过查阅相关专业论文、新闻报道、企业官网等获取信息；2. 实地考察：参观铁路机车段，与相关专业人员交流；3. 问卷调查：向相关从业人员和用户发放调查问卷，了解他们对铁道机车车辆的需求和意见。
三、调研内容1. 发展现状：调研了国内外铁道机车车辆的发展现状，了解其技术水平、产品特点和市场占有率。
2. 技术创新：研究了新能源、智能化、自动驾驶等技术在铁道机车车辆领域的创新应用，并分析了相关优势和挑战。
3. 环保节能：调研了铁道机车车辆在环保节能方面的发展，包括减排技术、能源效率提升等措施。
4. 安全性能：研究了铁道机车车辆的安全性能，包括防撞设计、故障诊断系统等方面的创新与应用。
5. 用户需求：通过问卷调查了解用户对于铁道机车车辆的需求和期望，并分析了用户的主要考虑因素。
四、调研结果1. 铁道机车车辆的技术水平在不断提高，国产机车也取得了长足的进步，但与国外先进水平还存在差距。
2. 新能源技术在铁道机车车辆中的应用逐渐增多，但受制于电力供应等因素，发展速度有所放缓。
3. 智能化和自动驾驶技术在铁道机车车辆中的应用还处于初级阶段，市场需求还不是很高。
4. 环保节能措施在铁道机车车辆中得到广泛应用，但仍存在一些技术难题，需要更多的研发和投入。
5. 用户对于铁道机车车辆的需求主要集中在安全性能、舒适性和运营成本等方面，对技术创新和产品质量有较高的要求。
五、建议与展望1. 加强技术创新和研发，提高铁道机车车辆的自主创新能力，缩小与国外先进水平的差距。
2. 加大新能源技术的研发力度，推动其在铁道机车车辆中的应用，并解决电力供应等问题。
3. 加快智能化和自动驾驶技术的研究与应用，满足市场需求，提高运输效率和安全性能。
4. 继续加强环保节能技术的研究和应用，推动铁道机车车辆的可持续发展。
标准B型地铁车辆的耐碰撞性能研究
关 键 词 ： 轨 车 辆 ； 限元 模 拟 ； 撞 ； 撞要 求 城 有 碰 碰
Ｓｔ ｄｙ ｏ ｈ ｔ ｎｄ ｒ Ｂ－ｔ ｐ ｅ ｒ ｅ ｃ ｅ’ ｏ ｌｓｏ ｒ ｏ ｍ ａ ｅ ｕ ｆｔ ｅ ｓ ａ ａ ｄ ｙ ｅ ｍ ｔ ｏ ｖ ｈｉｌ Ｓ ｃ ｌ ｉ ｎ ｐｅ ｆ ｒ ｎｃ ｉ
拟研 究． 分析 车体 在 碰 撞 过 程 中 的 塑性 变形 程 度 以及 撞 击 力 ， 度 和 加 速 度 等 参数 的 变 化 。得 出该 车 在 １ｋ ／的速 度 下 速 ５ ｍｈ
的 动 能 可 由 车钩 完全 吸 收 ． 车体 与 防爬 器 不 参 与 能 量 的 吸 收 过 程 ， ２ ｍ ｈ 速 度 下 只 有 车 体 前 端 发 生 塑 性 变形 ， 室 在 ５ｋ ／的 客
要求 ，本 文对 此车在 整备 状态 下 （ ｗ０ 即Ａ 工况 下 ）分别 在
１ ｍｈ ５ｋ ／的速度 条件下撞击刚性墙的工况进行模 拟研 ５ｋ ／和２ ｍ ｈ
究。
１ 车钩 装 置 等 效 模 型 的 建 立 ． １
保 护系统等 。 目前 ，对 城轨车辆被动安 全性的评估 已成 为一
１ ５
技术研 发
！ 曼
垒
Ｖｏ ． ９ ．， ０１ １１ Ｎｏ４ ２ ２
！
根据仿真计算 ， 车钩的这种简化模拟的方法可 以很真实地
表现车钩的吸能情况 以及力学行为， 因此这种模拟车钩的方法
段 为车钩吸收碰撞能量的过程 ， 童五 霉王 ＇Ｐ王 Ｉ■－ ‘ Ｉ－ 撞击力恒定不变 。头车继续 向 前运动 ， 防爬器开始接触到刚性墙 。在 防爬器接触刚性墙 的一 瞬间撞击力 比较大 ， 但是很快的就 降到５０ｋ 左右 ， 比图４ ０ Ｎ 对 和 图５ 可知 ， 瞬时增 大的撞击力对防爬器做功很小 。 由计算结果 可进一步得出 ， １ｋ ／速度条件下头车 的动 在 ５ ｍｈ
机车车体非正面碰撞吸能装置仿真研究
ＨＡＮ ｅ ｇ—ｓ ｅ ｇ， ＩＸｉ Ｚｎ ｈ ｎ Ｌ —ｄ ｎ ｏｇ
（ ｈ ｎｚｏ ａｗ ｙＶ ｃｔ ｎｌ Ｔ ｃｎｃ ｏｌ ｅ Ｚ ｅｇｈ ｕＨ ｎ ｎ ５０ ２ Ｃ ｉａ Ｚ ｅｇｈｕＲ ｉ ａ ｏａｏ ａ ＆ ｅｈ ｉ Ｃ ｌ ｇ ， ｈｎｚｏ ｅ ａ ０ ５ ， ｈ ） ｌ ｉ ｌ ａ ｅ ４ ｎ
ｔｒ ｓｕ ｄ ｒｔ ｏ ．Ｏｎ ｏ ｏ ｔ ｅ ｃ ｒ ｏ ｙ ｅ ｕ ｐ ｉｇ ｗｉ ｈ ｎ ｒ —ａ ｓ ｒ ｉｇ ｃ ｍｐ ｎ ｎ ｏ ｏ ｅ ｆ ｈｎ— ｕ ｅ ｉ ｎ ｅ ｓｏ ｄ ｅ ｌ ｃ ｍｏｉ ａ —ｂ ｄ ｑ ｉｐ ｎ ｔ ｔ ｅ ｅ ｅ ｇ ｖ ｈ ｙ ｂ ｏｂ ｎ ｏ ｏ ｅ ｔｃ ｍｐ ｓ ｄ ｏ ｉ ｔ
壁 的金 属 构 件 。这 些 金属 构件 在受 到撞 击 时 ， 生 塑 性 变形 发
１ 引言 Байду номын сангаас
随 着 我 国铁 路 运 输 事 业 的 发 展 ， 车 运 行 速 度 逐 步 提 列
（ 塑性弯 曲、 塑性扭曲、 塑性屈曲等） 消耗能量 ， 并产生一定的 压溃行程 ， 而吸 收列 车 的动能 ， 从 降低列 车的减速 度。由于 薄壁金 属构件 的碰撞 吸能 与碰撞 角度 、 料性能 、 材 横截 面以 及壁厚等 因素密切相关 ， 特别是碰撞时的角度对碰撞 吸能有
装置具有 良好 的吸能作用。
关 键 词 ： 性 ； 能 装 置 ； 算机 仿 真 ； 壁结 构 耐撞 吸 计 薄
中图 分 类 号 ： ２ ０２ Ｕ ６ ． 文 献标 识 码 ： Ａ
Ｓ ｍｕ ａ ｉ ｎ ｏ ｅ ｇ — ｂ ｏ ｂ ｎ ｍｐ ｎ ｎ ｃ ｍｏ ｉｅ ｉ ｌ ｔ ｆＥｎ ｒ ｙ—ａ ｓ ｒ ｉ ｇ Ｃｏ ｏ ｏ ｅ ｔｉ Ｌｏ ｏ ｔｖ ｎ
跨坐式单轨车辆的耐碰撞性设计
体结 构部 分 （ 主要为 车辆前 后端 墙 和车 体 附加 的能 量
吸收装置 ） 尽可 能 的变形缓 冲， 应 以合 理地 吸 收 能量 ， 使
得传递 到 司乘 人 员 身 体上 的减 速 度 在人 体 能承 受 的极 限之 内 。为 了满足 以上要 求 ， 出跨 坐 式单 轨 车辆 的设 得
对 建 立 好 的 几 何 模 型 ， Ｈｙ ｅｍｅｈ 在 ｐ ｒ ｓ 中对 车 体 进
行有 限元 模型 的 建 立 ， 坐式 单 轨 车辆 （ 跨 由于要 考 虑 到 车轮 与轨 道 的摩 擦 ， 以模 型 中又 添 加 了 转 向 架 和 车 所 轮 ） 限元 模 型 ， ４节点 四边形 板壳 单元 为主 ， 以三 有 以 辅
塑性变形 吸 收 动 能 ， 不 是 以弹 性 变 形 来 储 存 这 些 能 而
量； ② 在 碰 撞 过 程 中 ， 量 吸 收 装 置 应 具 有 稳 定 的 变 能
形模式 ， 即吸能元 件在碰 撞事 件 中能 以相对 固定 的模 式
吸 收碰撞 能量 ；
③ 为 了 吸 收 更 多 的 冲 击 动 能 和 延 缓 碰 撞 作 用 时 问， 吸能 装 置应 有足 够 长 的变 形行 程 ， 而且 变形 后 不 造 成次生 破坏 （ 如侵 穿或碎 片飞 裂） ； ④ 能量 吸 收元 件 通 常 是 一 次 性 使 用 的 ， 具 有 结 应
计思路 为 ：
能量 ， 控制碰 撞 力 和 碰撞 减 速 度 的变 化 ， 来 并最 大 限 度
① 碰撞 动 能尽 可 能 不 可 逆 地 转 换 为 变 形 能 ， 以 即
地控 制撞 击力 的峰值 。
列车碰撞研究综述
列车碰撞研究综述124212044 交通运输工程（运输方向）田智1、绪论我国地域广阔，人口众多，铁路运输以其运载量大、运行速度较高、运输成本较低的特点承担着国家的主要客、货运输任务。
我国现有铁路7万多公里，在过去的八年中主要铁路干线连续实现了五次大提速二干线旅客列一车时速己达到 160km/h，随着国民经济的持续高速发展，铁路运输也必将快速发展。
随着列车速度的不断提高，在提高列车舒适性、便捷性的同时，列车的安全防御系统也发展到了一个前所未有的高度，发生列车碰撞事故的概率也越来越小。
然而，铁路系统是极其复杂的，需要多方面的协调合作才能保证其正常运转，技术缺陷、设备故障、网络故障、操作失误以及自然环境的突然变化等等不可抗因素都可以导致列车碰撞事故的发生，因此列车的碰撞事故又是不可完全杜绝的。
旅客列车载客量大，一旦发生碰撞事故，不但会给人民群众带来生命和财产的巨大损失，而且会打击人们对铁路安全性的信心从而为铁路建设蒙上阴影。
近年来不断发生的铁路碰撞事故给人们留下了惨痛的教训，仅2010年1月2012年3月的两年多时间里，世界范围内就发生数十起列车碰撞事故，无论是印度、中国等发展中国家，还是日木、德国、阿根廷等发达国家都未能幸免，其中不乏重特大碰撞事故[1]。
因此，在积极主动地采取合理手段尽最大可能避免列车碰撞事故的同时，研究在碰撞事故发生时列车自身结构特性及司乘人员的安全性，开发一种在碰撞事故发生时车体结构耐碰撞且可以给司乘人员提供保护的铁路车体结构也显得尤为重要。
2、国内外研究现状2.1、国外研究现状国际上，为了减少汽车碰撞事故造成的生命和财产损失，被动安全技术最早应用于汽车行业，20世纪60年代才被引入到轨道交通领域。
不过，对机车车辆碰撞的真正深入研究始于20世纪80年代中后期[2]，从此，英、法、德、美等发达国家相继对列车碰撞进行了大规模、长时间的研究。
英国在 19 世纪 80 年代就开展了列车车体耐撞性研究。
剪切螺栓设计及在电力机车结构耐撞性上的运用
第53卷第5期2022年5月中南大学学报(自然科学版)Journal of Central South University (Science and Technology)V ol.53No.5May 2022剪切螺栓设计及在电力机车结构耐撞性上的运用杨毅1，朱涛1，张江田2，黄明惠2，肖守讷1，丁浩谞1(1.西南交通大学牵引动力国家重点实验室，四川成都，610031；2.中车大同电力机车有限公司，山西大同，037038)摘要：为提高电力机车被动安全性，提出回退式车钩剪切螺栓设计方法，并对机车端部结构进行耐撞性设计，提高既有机车的耐撞性。
首先，对剪切螺栓开展准静态与动态冲击试验，研究剪切螺栓失效的最大剪切力及失效形式；然后，基于试验数据对剪切螺栓用45号钢J-C 本构模型参数进行优化，结合数值仿真讨论最大剪切力的参数依赖性；最后，基于数值仿真，验证回退式车钩的功能可行性，同时，基于多级能量吸收的原则，改进既有机车端部结构并对耐撞性指标进行分析。
研究结果表明：剪切螺栓可有效应用于回退式车钩，以保证机车碰撞中车钩回退到恰当的位置；基于试验数据优化后的45号钢J-C 本构模型能够准确模拟剪切螺栓剪切力及失效形式，剪切力最大相对误差为4.31%；剪切螺栓的最大剪切力与螺栓自身直径无关，与剪切螺栓凹槽横截面面积成正比；随着螺栓凹槽宽度增大，螺栓的最大剪切力减小，螺栓剪切段的塑性逐渐增强；剪切螺栓的回退式车钩在整车仿真中能够实现回退功能，使吸能装置有效发挥吸能作用；改进后的机车相较于既有机车的纵向最大平均加速度减少了2.49g ，峰值界面力减少了472kN ，碰撞前后司机室纵向生存空间增加了12.54%。
关键词：剪切螺栓；回退式车钩；本构模型；耐撞性中图分类号：O313.4；U270.2文献标志码：A开放科学(资源服务)标识码(OSID)文章编号：1672-7207（2022）05-1877-12Shear bolt design and its application in crashworthiness ofelectric loco-motive structureYANG Yi 1,ZHU Tao 1,ZHANG Jiangtian 2,HUANG Minghui 2,XIAO Shoune 1,DING Haoxu 1(1.State Key Laboratory of Traction Power,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China;2.CRRC Datong Co.Ltd.,Datong 037038,China)Abstract:In order to improve the passive safety of electric locomotive,the design method of retractablecoupler收稿日期：2021−09−29；修回日期：2021−11−28基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(52172409)；四川省杰出青年基金资助项目(2022JDJQ0025)(Project(52172409)supported by the National Natural Science Foundation of China;Project(2022JDJQ0025)supported by the Outstanding Youth Fund of Sichuan Province)通信作者：朱涛，博士，副研究员，从事机车车辆设计与理论研究；E-mail ：******************DOI:10.11817/j.issn.1672-7207.2022.05.032引用格式：杨毅,朱涛,张江田,等.剪切螺栓设计及在电力机车结构耐撞性上的运用[J].中南大学学报(自然科学版),2022,53(5):1877−1888.Citation:YANG Yi,ZHU Tao,ZHANG Jiangtian,et al.Shear bolt design and its application in crashworthiness of electric loco-motive structure[J].Journal of Central South University(Science and Technology),2022,53(5):1877−1888.第53卷中南大学学报(自然科学版)shear bolt was proposed,and the crashworthiness of locomotive end structure was designed to improve the crashworthiness of the existing locomotive.Firstly,the quasi-static and dynamic impact tests of shear bolts were carried out,and the maximum shear force and failure mode of shear bolts were studied.Then,based on the experimental data,the parameters of the J-C constitutive model of45steel for shear bolt were optimized,and the parameter dependence of the maximum shear force was discussed combined with numerical simulation.Finally, based on the numerical simulation,the functional feasibility of the fallback coupler was verified.At the same time, based on the principle of multi-level energy absorption,the end structure of the existing locomotive was improved, and the crashworthiness index was analyzed.The results show that the shear bolt can be effectively applied in the retraction coupler to ensure that the coupler retracts to the appropriate position in locomotive collision.Based onthe test data,the optimized J-C constitutive model of45steel can accurately simulate the shear force and failure mode of shear bolt,and the maximum error is4.31%.The maximum shear force of the shear bolt has nothing to do with the diameter of the bolt itself,and is directly proportional to the cross-sectional area of the shear bolt groove. With the increase of bolt groove width,the maximum shear force of bolt decreases,and the plasticity of bolt shear section increases gradually.The retraction coupler with shear bolt can realize the retraction function in the whole vehicle simulation,so that the energy absorption device can effectively play the role of energy absorption. Compared with the existing locomotive,the longitudinal maximum average acceleration of the improved locomotive is reduced by2.49g,the peak interface force is reduced by472kN,and the longitudinal living space ofthe cab before and after collision is increased by12.54%.Key words:shear bolt;retractable coupler;constitutive model;crashworthiness近年来，随着我国现役电力机车规模逐渐扩大，电力机车的被动安全性改进的重要性逐渐凸显[1]。
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肖守讷 2012 年11 月
目录
国内外机车车辆耐碰撞研究现状 机车车辆碰撞标准现状 机车车辆碰撞研究方法 我国机车车辆碰撞研究存在的问题和不足 我国机车车辆碰撞研究发展方向
美国伊利诺斯州的机车碰撞
意大利北部地区两列火车相撞
美国南卡罗来纳州小镇格拉尼特维尔
洛杉矶火车碰撞事故现场
国内外机车车辆耐碰撞研究现状
国内外机车车辆耐碰撞研究现状
国研内究外现机状车车辆耐碰撞研究现状
?意大利
2006年意大利安萨尔多公司进行了吸能 元件撞击试验和司机室结构的正面碰撞试验
76.5 Km/h
吸能元件撞击试验
Page 20
两车正面线路撞击试验
撞击后变形
国研内究外现机状车车辆耐碰撞研究现状
印度火车碰撞事故现场
胶济火车碰撞事故现场
时间: 2009年6月29日 地占：湖南郴州站 事故：客运列车侧面冲突 伤亡：3人死亡，60余人受伤
上海地铁10号线碰撞事故 7.23温甬碰撞事故
国内外机车车辆耐碰撞研究现 状
20世纪80年代初期就有与减缓碰撞严重性和改善能量 吸收的概念相关的文献报道。后来，英国学者的研究 提出了耐碰撞性车体结构设计和以可控大变形方式吸 收碰撞能量等概念，还进行了实物碰撞测试，在自制 试验台上对车体端部进行准静态冲击试验和两列全尺 寸列车的正面头对头碰撞试验等。英国铁路管理委员 会于20世纪90年代成立从事列车碰撞问题的专门研究 机构。通过理论和实验研究，英国研究人员总结出了 耐撞性车辆结构的设计方法和原理，提出在车体的防 撞性设计应采用多级能量吸收系统
TTC的冲击试验线图
实车碰撞试验
假人及安全带实车碰撞试验
标准研究：1999年，美国交通联邦铁路委员会(FRA)和美国公共
交通协会发布“TierI铁路客车设备耐撞性” 新标准，涵盖包括设备强 度、能量控制及成员座椅的动态冲击试验等诸多内容。
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国内外机车车辆耐碰撞研究现 状
美国联邦铁路局（ FRA）进行了大量列车碰撞研究， 早在1997年美国就建立了有关列车碰撞的安全规范， 从1999年11月开始，在科罗拉多的美国交通运输技术 中心开展了多次整车碰撞试验，重点研究了单节车辆 与刚性墙、机车与机车、机车与车辆、车辆与车辆、 列车对列车的碰撞，以及列车发生碰撞后乘客的二次 碰撞特性，他们对比分析了无安全带和有安全带时乘 客与车内设备二次碰撞损伤情况，研究表明有腰部和 肩部安全带束缚的情况下，乘客的安全系数会明显提 高，所以他们建议在列车座椅上加装安全带。
?日本
川崎重工研制的纽约R142型地铁列车，车头底架端部吸 能1.02MJ。在美国国家运输技术中心(TTCI)进行了单车（37 吨）撞击试验，试验车沿坡度为千分之8.6的线路滑行而下撞 击刚性墙，走行距离约为500米。
吸能元件撞击试验
Page 21
吸能元件撞击试验
部分端部车体撞击试验
国内外机车车辆耐碰撞研究现状
国研内究外现机状车车辆耐碰撞研究现状
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
法国阿尔斯通拥 有丰富的超高速列车 耐碰撞结构设计和碰 撞试验方面的经验。
2003年11月， 法国阿尔斯通在波兰 的日米格鲁德试验中 心进行了实物碰撞试 验,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。
波兰日米格鲁德试验中心 实物碰撞试验 法国阿尔斯通AGV高速铁路的头车吸能装置
国内外机车车辆耐碰撞研究现状
国内外机车车辆耐碰撞研究现 状
法国的铁路研究机构使用非线性有限元软件 Pam-crash 对车辆碰撞进行模拟，参考车辆耐碰撞性结构设计理 念，将非动力车两端结构设计为弱刚度的可大变形的 吸能区，并采用高性能计算机对某 TGV列车车辆结构 进行了耐撞性优化。 1993年，法国的阿尔斯通铁路集 团把列车耐碰撞性设计思想应用于“欧洲某夜间列车” 项目，提供了高于英国铁道组织标准要求的列车，法 国国有铁路对被动安全性曾进行过大量研究工作，探 究了被动碰撞安全性设计的基本原理，详细研究了列 车发生碰撞时的物理现象。
国内外机车车辆耐碰撞研究现 状
近20年来，欧洲铁路系统一直不断地进行着列车被动 安全防护技术的研究，西欧英、德、法、奥地利、比 利时等国通过对列车碰撞事故的广泛调查和统计，并 对频繁出现的典型列车事故类型进行还原研究 。 1990年至2007年，由欧盟资助的 TRAINCOL、 SAFETRAIN 、SAFETRAM 及SAFE INTERIORS 等项 目从耐撞的设计工具、干线铁路列车被动安全的设计 方法、有轨电车的被动安全性设计方法和列车内部设 备的被动安全性等多个方面进行了深入细致的研究
国内外机车车辆耐碰撞研究现 状
英国的研究表明，符合耐撞性设计理念的铁路客车应 在碰撞过程中保证司机室及乘客区的安全，并且加速 度必须保持在允许的范围内，英国铁路公司（ British Rail）曾开发出耐撞性司机室结构
国研内究外现机状车车辆耐碰撞研究现状
德国针对耐撞击车体结构技术进行了深入的研究， 并进行了吸能结构的试验。其中，较典型的是德国西 门子公司与汉诺威大学合开展城市轻轨车辆的结构耐 撞性研究。目前德国已经在城市轻轨车辆、 ICE第三代 列车上采用了耐冲击车技结构技术。 2006年11月14日, 进行了Brunel Railmotive 撞击试验。
近5年关于高速列车撞击学术论文 50多篇，会议论文 10篇，科技成果近 8项，硕士论文达到 46多篇，博士论 文达到15篇左右，专利成果达到 30项 一般采用计算、仿真等手段对吸能结构件、头车、车 钩、车体等进行大变形碰撞仿真研究、结构设计及优 化和二次碰撞伤害研究。其中专利在吸能、防爬、系 统控制、结构设计等方面提出了见解。
二级吸能
Brunel Railmotive 撞击试验
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一级吸能
德国西门子高速列车头车吸能装置
国研内究外现机状车车辆耐碰撞研究现状
试验能力：美国铁路联盟在位于科罗拉多州建有一条 1.2公里长的专用冲击试验线，可以进行全尺寸车辆、机车 的撞击试验，曾经对两辆客车以41.8km/h速度撞击特制冲击 墙的工况进行了实车试验。