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。
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]。
机车车辆材料应用现状和发展趋势宋家斌谭志勇张世威高治訸
机车车辆材料应用现状和发展趋势宋家斌谭志勇张世威高治訸发布时间：2023-06-14T05:48:52.224Z 来源：《工程建设标准化》2023年7期作者：宋家斌谭志勇张世威高治訸[导读] 机车车辆的轻量化涉及到新型轻质材料、工艺及结构的不断创新和突破，就材料而言，目前仅铝合金材料在高速列车上应用较广，而镁合金、钛合金、碳纤维和复合材料尚未在高速列车中得以广泛使用，受限于材料自身成本以及部分关键技术暂未突破，我国高铁的轻量化应持续的以轻质金属，如铝、镁合金为主，在保证车辆安全稳定的同时，利用高性能的镁、铝合金取代越来越多的钢制部件；同时对轻质金属强化工艺的突破以及列车结构的整合将使得列车进一步减重。
中车大连机车车辆有限公司辽宁省 116000摘要：机车车辆的轻量化涉及到新型轻质材料、工艺及结构的不断创新和突破，就材料而言，目前仅铝合金材料在高速列车上应用较广，而镁合金、钛合金、碳纤维和复合材料尚未在高速列车中得以广泛使用，受限于材料自身成本以及部分关键技术暂未突破，我国高铁的轻量化应持续的以轻质金属，如铝、镁合金为主，在保证车辆安全稳定的同时，利用高性能的镁、铝合金取代越来越多的钢制部件；同时对轻质金属强化工艺的突破以及列车结构的整合将使得列车进一步减重。
关键词：机车车辆；材料1 机车车辆车体应用材料发展现状1.1 国外机车车辆车体材料的应用和发展状况日本于1964年正式运营了世界第一条高速铁路—东海道新干线。
该线路使用0系电力动车组，采用普通碳素钢作为主要车体材料，最高时速达210 km/h，但由于车体腐蚀严重，该车组已于1976年提前退役。
随后研发的100系最高时速达230 km/h，其所用车体材料沿用0系所采用的碳素钢，仅在车顶部分采用波形不锈钢，以提高其稳定性，但却仍因车身老化现象严重而退役。
1992年300系电力动车组“希望号”车体采用材料为6N01-T5铝合金挤压型材，其运行速度为270 km/h。
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国内外机车车辆耐碰撞研究现状
中国铁道科学研究院机车车辆研究所利用PAMCRASH进行列车碰撞仿真研究。刘金朝、王成国等对 薄壁金属圆管的轴向压溃以及列车铝合金材料进行了 耐撞性数值模拟，还对我国25B型铁路客车和部分城 市轨道列车开展过碰撞大变形数值仿真以及乘员二次 碰撞研究；与天津滨海快速交通发展有限公司合作， 对天津城市轨道车辆的头车多级吸能装置及其布置进 行仿真研究，取得了一定的研究成果
机车车辆碰撞标准现状
美国的法规及相关标准由三部分组成：由政府主导颁 布的强制性法规，货车企业的行业标准和客车企业的 行业标准。其中，强制性法规由联邦铁路局（FRA） 制定，货车行业标准由北美铁道协会（AAR）制定， 客车行业标准由美国公共交通协会（APTA）制定。 FRA法规:对高速铁路的需求和一些通勤列车系统的建 立，促使美国国会授权FRA颁布法规。1996年，FRA 设立铁路安全咨询委员会（RSAC），汇集政府和企 业的代表们一起研究制定新的法规。1999年，FRA 新 法规颁布，写入了美国联邦规章典集（CFR）中，涉 及碰撞安全保护条款的CFR法规有：
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
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
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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
(b) 包括垂直方向和横向上的 3 英寸偏移 。
替代设计设备与传统车头碰撞，第一次 车辆连接时发生 2 英寸垂直/2 英寸横向
偏移
基于设计审核
为乘员预留占用空间 在操纵室预留生存空间 (a) 无永久形变，(b) 有限永久形变，(c)
研究国现内状外机车车辆耐碰撞研究现状
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
研究国现内状外机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
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两车正面线路撞击试验
撞击后变形
研究国现内状外机车车辆耐碰撞研究现状
日本
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。
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。
国内外机车车辆耐碰撞研究现状
大连交通大学的兆文忠、陈秉智、车全伟等应用 PAM-CRASH软件对CRH3型动车组进行仿真研究，研 究CRH3动车组的大变形模式以及车辆的吸能情况， 撞击力、车辆速度。加速度等的时间历程，并在模型 中加入假人模型研究乘客的二次碰撞情况；运用PAMCRASH与ISIGHT等软件对上海地铁6-8号线车辆吸能 结构进行了抗撞性优化；段书华、陈秉智;王悦东通过 列车大变形碰撞仿真，对以碳钢车车体结构优化；与 长春轨道客车股份有限公司合作对某出口沙特的城轨 列车进行了耐撞性仿真，并验证其设计的合理性
试验线长170 m、轨距0.9m,刚性墙5X4.55X5.8m 最大载重2250 Kg，最高试验速度120km/h， 撞击加速度量程500 g，撞击力量程60T×24。
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吸能元件撞击试验
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西南交通大学，一直致力于列车被动安全技术的研 究，先后完成了上海10号、13号线，深圳4号线，南 京3号线，无锡地铁1号线，宁波地铁1号线，出口孟 买地铁列车，突尼斯内燃动车组，符合欧标的高速 动车组，出口沙特电力动车组等各型列车的耐撞性 结构设计与分析。另外，在肖守讷研究员的带领下 ，西南交通大学机车车辆研究所还对上海地铁10号 线追尾事故及7.23甬温线特大交通事故等进行了事故 还原 。
国内外机车车辆耐碰撞研究现状
中国科技大学参加的“十一五”国际科技支撑计划中国 高速列车关键技术研究及装备验收项目，对高速列车 的碰撞进行了仿真研究。
技术机分车析车——辆标碰准撞研标究准现状
碰撞标准对比分析 ➢ 英国GM/RT2001 ➢美国RSAC报告草案Tier I ➢ CFR ➢ 欧盟EN15227
国内外机车车辆耐碰撞研究现状
中国铁道科学研究院机车车辆研究所利用PAMCRASH进行列车碰撞仿真研究。刘金朝、王成国等对 薄壁金属圆管的轴向压溃以及列车铝合金材料进行了 耐撞性数值模拟，还对我国25B型铁路客车和部分城 市轨道列车开展过碰撞大变形数值仿真以及乘员二次 碰撞研究；与天津滨海快速交通发展有限公司合作， 对天津城市轨道车辆的头车多级吸能装置及其布置进 行仿真研究，取得了一定的研究成果
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
研究国现内状外机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。
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。
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机车车辆碰撞标准现状
英国的GM/RT2100：Structural Requirements for Railway Vehicle对耐碰撞车辆设计要求为：两列同类 型的车辆发生碰撞时，车辆端部纵向变形量不允许大 于1m，车辆前端吸收能量不小于1.0MJ；对于动车组 和固定编组的列车，碰撞最大冲击力不超过3000kN， 对于其它编组列车，碰撞最大冲击力不超过4000kN； 防爬器能承受100kN的垂直载荷。GM/RT2100由1994 年第一个版本已发展为2010年的第四个版本。碰撞标 准对比分析
ห้องสมุดไป่ตู้
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
上海地铁10号线事故模拟
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
同济大学李健、沈刚等在ADAMS中对某国外铁路车辆 防碰撞装置进行了动力学计算，研究耐撞性车辆设计 方法和吸能装置的力学特性。 赵洪伦等对城市轨道列车及高速列车开展过耐碰撞仿 真分析研究，通过结合有限元和多体动力学，寻求一 种既准确又快速的仿真方法。通过对基本吸能元件的 仿真及试验分析，将其研究成果应用北京八通线等制 造的城市轨道车辆的耐碰撞结构上，另外他们还对列 车吸能防爬结构等进行了优化设计研究。 王文斌等还对轨道列车乘员的二次碰撞伤害进行了研 究，研究车内布置及座椅设计参数对乘员伤害的影响
国内外机车车辆耐碰撞研究现状
由于实车实验费财费力，而且可重复性差，加上计算机 仿真技术的不断发展。国内研究人员大多致力于对车辆 碰撞大变形的模拟仿真工作，欠缺对机车车辆碰撞的实 验研究。 中南大学高速列车研究中心是我国较早开展列车耐撞性 结构研究的单位之一。
研究现状
中南大学高速列车研究中心在1998年建立动模型碰撞试验台，在 该试验台上，四方股份进行了天津地铁、北京四号线等城轨车辆 碰撞吸能测试。