根据世界铁路联盟统计，在所有列车重大事故中车辆碰撞约占30%左右，引起的人员伤亡约占50%左右。因此，高速列车耐撞性研究被世界各国列为关键课题。
围绕“如何提高列车耐撞性以保护乘员”这一目标，高速列车研究中心科研团队从吸能结构和防偏防爬两个方面入手，发明了列车碰撞能量协同耗散与轨迹自保持技术，让中国高铁更安全。
为列车安全运营装上“保险杠”
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2017年6月26日，我国自主研发、具有完全自主知识产权的新一代标准高速动车组“复兴号”在京沪高铁上首发运行，备受世人瞩目。“我们承担了‘复兴号’的空气动力学性能和结构耐撞性优化试验研究。”高速列车研究中心主任梁习锋介绍道。
提高列车的耐撞性就要通过配置合适的吸能结构，在列车撞击发生过程中尽可能多地吸收撞击过程所产生的能量，而且在吸能的同时又不能产生过高的撞击反力。传统列车车头是按照“车钩压溃管-专用吸能结构-承载吸能结构”这样的顺序设计的，在发生碰撞时，这些部件顺次变形，而由于车头安装空间有限，变形行程较短，又极大限制了列车的吸能能力。
为了最大限度提升列车耐撞性，高速列车研究中心列车撞击动力学团队在列车整车吸能和车辆专用吸能结构上进行了科研攻关和技术创新。
如何增加列车整车吸收能量的能力？有一次课题组开会时，项目负责人高广军教授提出：“以往的吸能结构放在车头，车头空间位置有限，我们能不能做个收缩式的装置，当列车发生碰撞时，让吸能部件弹出来，当列车正常运行时，吸能部件收缩在里边？这样吸能效果是不是更好一点？”
由此，研究团队设想，一是对原有的吸能结构部件进行改造，使其在撞击时可以发生渐进屈曲，通过稳定、重复的变形方式吸收更多能量；二是额外增加吸能元件，新增加的元件在列车正常运行时不承载，在撞击时产生变形以吸收能量。
“根据这一想法，我们画设计图、找特殊材料、做吸能构件、仿真计算、模拟实验到实车碰撞实验，一步步优化设计，最终在2015年有了技术雏形。我们采用激光、雷达冗余技术实现了车辆前方无盲区、超长距离障碍物精准识别，开发了吸能结构系统激活、驱动、锁闭的智能控制方法，采用了质量轻、吸能量大的镁铝合金新型轻量化复合材料，突破了现有车辆对吸能结构安装空间的限制。”高广军介绍。
通过大量研究试验，研究团队提出可以允许吸能结构超出车钩这一创新型设计，发明了列车主被动伸缩式碰撞吸能装置——由此打破了国际惯常采用的“列车车钩→专用吸能结构→承载吸能结构”顺次吸能理念。团队设计的吸能装置如同一个安装了“天眼”的“弹簧”，具备自动收缩能力，在碰撞时及时伸出、非碰撞态收回，使吸能结构的变形行程大幅延伸，大大提升了列车碰撞的安全性能。
车辆专用吸能结构特性决定了车辆的耐撞性。因此，在改善车辆专用吸能结构方面，团队发明了低初始峰值力、局部渐进塑变吸能技术和可重复式液压吸能装置，实现了车辆吸能结构的变形有序可控，同时解决了有限空间内高能量耗散难题和车辆低速碰撞时需要救援的难题。
列车专用吸能装置，就像汽车的保险杠一样，它能吸收撞击产生的能量，从而保证中间载人部分的安全。
图1列车吸能装置安装位置
为防止列车“出轨脱线”系上“安全带”
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列车被动安全防护不仅要解决列车吸能问题，还要设法使碰撞的列车尽可能不发生爬车、脱线脱轨等二次事故。如何让发生撞击的列车不交织在一起相互挤压，产生更大的碰撞能量？
“把列车固定下来，增加列车和轨道的附着力。这一设计灵感来源于汽车座椅上的安全带。”高广军介绍，“当列车正常行驶时，该装置对列车不产生影响；当列车发生脱轨后，装置则像‘安全带’一样将列车和列车、列车和轨道牢牢扣住。”根据这一想法，研究团队提出了解决列车碰撞轨迹自保持的技术路线图，应用于轨道列车防偏爬、防脱轨设计，发明了列车自动对心防偏防爬装置和基于列车轨道的多点约束防脱轨装置。
所谓列车自动对心防偏防爬技术装置，“像我们人的上下牙一样，可以自动咬合”，当列车发生碰撞时，这个安装在吸能结构上的凹凸防爬齿能快速转化为凸凹防爬器，凸防爬齿能够在一定垂向、横向偏差内与凹防爬齿有效啮合，像“磁铁”一样把两列车锁定，在撞击点偏置时能自动对心，这样就能有效抑制车辆间爬车、吸能结构失稳、车辆折弯、列车“之”字形脱轨等事故，减少乘员伤亡和财产损失。
图2 列车防偏防爬装置示意图
在列车脱轨现象中，另一个关键核心部件是“转向架”——这是轨道车辆的走行部，犹如人的双腿。转向架置于车体和轨道之间，牵引和引导车辆沿着轨道行驶，具有承载、导向、减振、牵引和制动功能。转向架上的四个“车轮”（专业术语称之为“轮对”）是唯一与轨道接触的部件，因此列车轮对在受到外力作用脱轨后会导致整个列车失稳。
如何解决列车在发生碰撞事故的失稳、出轨问题？团队发明的列车多点约束防脱轨装置则像转向架的“备用脚”——它增加了转向架和轨道的接触点，使得列车转向架和轨道的接触面由原来的4点约束的弱稳定结构转变为6点约束强稳定结构，增强了列车的稳定性。该装置安装在列车转向架上，当列车正常运行时不与轨道接触，但当列车发生意外时，装置会像“老虎钳”一样牢牢扣住轨道，从而降低列车脱轨风险。经过验证，该技术能有效抑制碰撞爬车、脱轨现象，目前已经应用于我国中车青岛四方机车车辆股份有限公司生产的高速列车自适应转向架。
图3 列车防脱轨装置
此外，针对列车整车碰撞试验成本高、实验难度大，列车撞击过程复杂等问题，研究团队还提出了基于加速度一致的列车碰撞三维动力学缩比相似准则，实现了全尺寸列车与缩比列车模型的碰撞响应参数换算，完成了列车级碰撞力流路径和能量耗散规律的验证。研建了国际第一套实际运营轨道车辆撞击/瞬时测力试验系统等平台群，解决车辆/人体/轨道耦合碰撞试验、设计和评估技术难题，基于此平台完成了“复兴号”等高速列车、国产城轨地铁列车及出口海外列车的耐撞性设计研究、试验及评估。
列车碰撞能量协同耗散与轨迹自保持技术这项成果在2016年申请了美国和俄罗斯的国际专利，2017年获得了国家发明专利授权，并开始推广应用。该技术实现了城轨列车碰撞安全速度达36km/h，比国际通用标准高44%，吸能量提高1倍；长编组列车（16车编组）碰撞安全速度达到36km/h，吸能能力提高1倍。