軌道車輛碰撞力測試方法研究

楊國建 劉志祥 張志強

摘要：軌道車輛碰撞試驗中的碰撞力是考核車輛耐撞性的重要參考依據(jù)，一般使用測力墻測力。由于軌道車輛結(jié)構(gòu)復(fù)雜、撞擊接觸面大，測力墻制造成本高，能否使用加速度計算碰撞力需試驗驗證。通過試驗對比研究顯示，加速度計算得到的碰撞力，其平均力與測力墻得到的碰撞力誤差較小，但峰值力仍然有一定的差距。

關(guān)鍵詞：碰撞力;加速度;軌道車輛;碰撞試驗

中圖分類號：TB文獻標識碼：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2022.07.088

0引言

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，軌道車輛在國內(nèi)外已成為重要的交通工具。軌道車輛因體積大、載人多、速度快，發(fā)生碰撞時帶來的傷亡往往是巨大的，因此各國對于軌道車輛的安全非常重視。國內(nèi)中車青島四方機車車輛股份有限公司率先開展了高速動車組整車沖擊試驗，對軌道車輛的安全性提升提供了重要的試驗支撐。

軌道車輛碰撞試驗中，碰撞力是評價車輛耐撞性的重要指標之一。在碰撞試驗中，碰撞力的主要測試途徑有測力傳感器測試和加速度計算兩種，毋庸置疑測力傳感器測得的正面接觸的力是最為準確的，面對軌道車輛非常復(fù)雜的測試工況，使用車體加速度計算碰撞力的測試方法精度如何，本研究將進行相應(yīng)的對比研究，探究該測試方法的有效性。

1碰撞力測試方法

1.1測力傳感器直接測試方法

軌道車輛碰撞試驗撞擊接觸面大，撞擊力高，在對車輛前端吸能裝置進行仿真計算時，峰值力超過10MN，穩(wěn)定變形平臺力則在3000kN附近，而且載荷主要集中在接觸面附近，傳感器量程需要非常大。因此，要搭建一整面大量程傳感器的測力墻，成本非常高。

中南大學許平等人提出了一種基于“并聯(lián)分流”原理的軌道車輛大噸位測力墻設(shè)計方法，該方法通過在傳感器前安裝勻力板，能夠利用較小的力傳感器獲取到大撞擊面的撞擊力。但是，由于在傳感器上安裝的勻力板較厚重，降低了傳感器的自振頻率，在測量力值波動較大的信號時，容易發(fā)生傳感器自振，導致測量失真。

中車青島四方機車車輛股份有限公司的測力墻采用壓電式力傳感器，如圖1所示。測力傳感器采用標準模塊設(shè)計，單個傳感器量程可以為700kN、1000kN、2500kN、5000kN、10000kN等多種規(guī)格，滿足不同接觸部位的多種量程需求。試驗件直接撞擊測力墻上的傳感器，測得撞擊力精度高。但由于測力傳感器成本較高，目前只能滿足部件試驗，整車試驗無法滿足測力要求。

1.2加速度傳感器間接測試方法

加速度計算撞擊力的方法是通過在車體剛度較大且不變形的部位布置加速度傳感器，利用其測得的數(shù)據(jù)和車的重量，根據(jù)牛頓第三定律F=ma計算得出。由于該方法不和撞擊接觸面積相關(guān)，測量簡單方便，因此該方法常用于整車碰撞力的推算。

由于軌道車輛結(jié)構(gòu)復(fù)雜、撞擊力大、撞擊變形時間長，因此在使用該公式計算時，需驗證測試精度。

2試驗方案設(shè)計

為驗證加速度計算方法在軌道車輛中測試撞擊力的準確性，設(shè)計此試驗進行比對測試。

2.1試驗設(shè)備

參與本次試驗比對的設(shè)備主要有加速度傳感器、測力傳感器。加速度傳感器為量程為±1000g;測力傳感器為量程為10-1000kN。上述所用設(shè)備均在校準有效期內(nèi)。

2.2測試方案

本次測試采用沖擊臺車作為撞擊車，臺車前端安裝試驗件，同時在臺車縱梁的前、中、后各布置一個縱向加速度傳感器，通道號分別為C-A-10、C-A-10、C-A-20，剛性墻上安裝測力傳感器，如圖3、4所示。

使用牽引裝置，使沖擊臺車以預(yù)定的速度撞向測力傳感器，同步采集車體加速度數(shù)據(jù)和測力傳感器的數(shù)據(jù)，按照EN 15227：2020《Railway applications -Crashworthiness requirements for rail vehicles》標準對數(shù)據(jù)進行濾波處理，分析使用測力傳感器采集的撞擊力和使用車載加速度計算的撞擊力數(shù)據(jù)。

3測試結(jié)果及分析

本次沖擊試驗過程持續(xù)時間為0.42s，由于原始加速度波動較大，需對原始數(shù)據(jù)進行濾波，根據(jù)EN 15227：2020標準要求，試驗數(shù)據(jù)濾波頻率為1000Hz低通濾波，濾波后按照公式F=ma計算沖擊力，分別如圖5（a）、（b）、（c）所示，對三個通道取平均值，如圖5（d）所示，力傳感測試數(shù)據(jù)如圖5（e）所示。

分別取各通道的力的最大值，并計算0-0.42s區(qū)間內(nèi)的平均值，對比如表1所示。

經(jīng)過1000Hz的低通濾波后，加速度測試數(shù)據(jù)依然波動較大，峰值力均在1000kN以上，這與撞擊物的理論力值（設(shè)計峰值力在600kN左右，平均力在350kN左右）差距較大，反映出測試信號存在失真，而力傳感器數(shù)據(jù)則較為平穩(wěn)，最大力值在587kN左右，與理論力值相差較小。但平均力均反應(yīng)一致，在350kN左右。

繼續(xù)對信號進行60Hz低通濾波，加速度力值與測力傳感器力值曲線如圖6（a）-（e）所示。

分別取各通道的力的最大值，并計算0-0.42s區(qū)間內(nèi)的平均值，對比如表2所示。

經(jīng)過60Hz的低通濾波后，加速度數(shù)據(jù)波動大幅降低，峰值力除撞擊臺車前部測點外，均已降至與力傳感器相似的水平，平均力值依然反應(yīng)一致，均在350kN左右，差別不大。

將60Hz濾波加速度計算出的平均力與直接力傳感器測出力對比，如圖7所示。

加速度計算數(shù)據(jù)與力傳感器測得數(shù)據(jù)相比可以看出，加速度計算得出力值曲線在局部波動幅度相對較大，但與直接測得的力值整體走勢一致。

4結(jié)論

通過對軌道車輛進行兩種測力方法的對比測試研究，按照標準1000Hz濾波條件下，加速度計算得出的峰值力與理論值相比偏差較大，平均力基本相同，而力傳感器測得力值無論峰力還是平均力均與理論值偏差較小;按照60Hz濾波條件下，加速度計算得出的峰值力基本與力傳感器測得的峰值力相同，但其波動依然較力傳感器大，如峰值力出現(xiàn)在波動較大處時，則峰值力測試誤差較大。

因此，在軌道車輛碰撞測力時，優(yōu)先選用測力傳感器測試，如無法實現(xiàn)，則可使用平均加速度計算得出，且宜采用60Hz進行濾波，其平均力相對較為準確，但峰值力可能存在偏差。

參考文獻

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作者簡介：楊國建，男，工程師，主要從事軌道車輛碰撞試驗工作。

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