金希紅， 閔陽春， 陸 軍

(1 中車株洲電力機(jī)車有限公司, 湖南株洲 412001；2 大功率交流傳動(dòng)電力機(jī)車系統(tǒng)集成國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖南株洲 412001)

車體防撞性技術(shù)又稱為列車被動(dòng)安全技術(shù)，最早應(yīng)用于汽車行業(yè),隨后被引入到軌道交通領(lǐng)域。從20世紀(jì)80年代開始，歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家投入了大量人力和物力開展車體防撞性技術(shù)的研究，并在通過20多年的研究和探索后，相繼形成了一套適用于當(dāng)?shù)剀壍澜煌ㄌ厣能圀w防撞性技術(shù)體系。我國(guó)在車體防撞性上的研究起步相對(duì)較晚，但近年來各軌道裝備制造商和高校都在不斷加大對(duì)車體防撞性研究的投入，探索符合我國(guó)國(guó)情的車體防撞性技術(shù)體系。

速度160 km/h動(dòng)力集中動(dòng)車組(以下簡(jiǎn)稱160 km動(dòng)車組)是根據(jù)中國(guó)鐵路總公司運(yùn)輸和經(jīng)營(yíng)發(fā)展要求，由多家中車下屬企業(yè)聯(lián)合設(shè)計(jì)開發(fā)的一款能夠滿足中國(guó)城際鐵路、普速線路及客運(yùn)專線使用環(huán)境運(yùn)營(yíng)要求的動(dòng)車組。根據(jù)160 km動(dòng)車組的運(yùn)用條件和技術(shù)要求，動(dòng)力車的車體防撞性能需滿足中國(guó)鐵路總公司標(biāo)準(zhǔn)性技術(shù)文件TJ/JW 102—2017《交流傳動(dòng)機(jī)車司機(jī)室防撞性暫行技術(shù)規(guī)范》的要求。TJ/JW 102代表了目前國(guó)內(nèi)機(jī)車領(lǐng)域車體防撞性的最高技術(shù)要求，160 km動(dòng)車組動(dòng)力車的研制將極大提升我國(guó)機(jī)車領(lǐng)域和動(dòng)力集中動(dòng)車組動(dòng)力車的車體防撞性技術(shù)水平。

1 車體防撞性要求

TJ/JW 102—2017《交流傳動(dòng)機(jī)車司機(jī)室防撞性暫行技術(shù)規(guī)范》是由中國(guó)鐵路總公司牽頭，由中南大學(xué)及中車多家子公司共同起草的一個(gè)針對(duì)交流傳動(dòng)機(jī)車和動(dòng)力集中動(dòng)車組動(dòng)力車的車體防撞性要求的暫行技術(shù)規(guī)范，是國(guó)內(nèi)第一個(gè)專門針對(duì)機(jī)車車體及動(dòng)力車車體的防撞性技術(shù)要求。

TJ/JW 102—2017技術(shù)文件從車體防撞結(jié)構(gòu)(如司機(jī)室結(jié)構(gòu)、車體后端墻結(jié)構(gòu)及排障器結(jié)構(gòu)等)的強(qiáng)度要求、車體碰撞吸能要求、檢驗(yàn)方法及檢驗(yàn)規(guī)則等方面對(duì)機(jī)車車體和動(dòng)力車車體的防撞性提出了具體的要求。在車體防撞結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度要求中，該技術(shù)文件參考北美AAR S580《機(jī)車防撞性要求》標(biāo)準(zhǔn)，在司機(jī)室結(jié)構(gòu)中引入了防撞墻/防撞柱和角柱等防撞結(jié)構(gòu)要求，同時(shí)對(duì)司機(jī)室結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)強(qiáng)度指標(biāo)要求也比以往國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)提高了很多。在碰撞吸能要求中，該技術(shù)文件基本與歐洲EN 15227標(biāo)準(zhǔn)要求一致，這也是在國(guó)內(nèi)機(jī)車領(lǐng)域的車體防撞性要求上首次對(duì)標(biāo)EN 15227標(biāo)準(zhǔn)。由此可知，該技術(shù)文件對(duì)車體防撞性的要求已經(jīng)達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先水平。車體的防撞性要滿足TJ/JW 102—2017的技術(shù)要求，對(duì)國(guó)內(nèi)機(jī)車和動(dòng)力集中動(dòng)力車的車體設(shè)計(jì)是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。

將重點(diǎn)就中車株機(jī)公司研制的160 km動(dòng)車組動(dòng)力車的車體防撞性設(shè)計(jì)進(jìn)行闡述，并通過仿真和試驗(yàn)手段對(duì)車體結(jié)構(gòu)的防撞性能進(jìn)行驗(yàn)證。

2 車體防撞性設(shè)計(jì)

根據(jù)TJ/JW 102—2017《交流傳動(dòng)機(jī)車司機(jī)室防撞性暫行技術(shù)規(guī)范》的防撞性要求，160 km動(dòng)車組動(dòng)力車車體需滿足不同碰撞工況下的吸能要求，同時(shí)車體的防撞結(jié)構(gòu)如司機(jī)室防撞柱、角柱、側(cè)墻等結(jié)構(gòu)強(qiáng)度也需滿足TJ/JW 102—2017中的相應(yīng)載荷要求。

車體的防撞性設(shè)計(jì)的核心是對(duì)司機(jī)及乘客的保護(hù)，在車體端部設(shè)計(jì)碰撞能量吸收區(qū)域可以極大增強(qiáng)車體的防撞性能。國(guó)內(nèi)外的列車車輛的碰撞吸能方案大都是采用具有高吸能量的鉤緩系統(tǒng)再輔以其他端部吸能元件，共同完成列車的碰撞吸能。160 km動(dòng)車組動(dòng)力車前端鉤緩裝置為15X法蘭安裝鉤緩裝置，吸能容量為20 kJ；后端與車輛聯(lián)掛的鉤緩系統(tǒng)為密接式車鉤緩沖裝置，其吸能容量為30 kJ。以動(dòng)力車28 km/h速度對(duì)撞工況為例，通過簡(jiǎn)單的動(dòng)能計(jì)算得知碰撞時(shí)需要的吸能量約為2.5 MJ，僅憑借鉤緩系統(tǒng)完全無法滿足車體碰撞吸能要求。

因此，160 km動(dòng)車組動(dòng)力車在車體前端設(shè)計(jì)了一個(gè)變形吸能區(qū)域，通過車體端部結(jié)構(gòu)的變形吸收能量。車端變形區(qū)域包括鉤緩裝置及其安裝結(jié)構(gòu)、司機(jī)室結(jié)構(gòu)前端、排障器前端結(jié)構(gòu)等。車端變形吸能區(qū)域后面，是由司機(jī)室的防撞柱、角柱及側(cè)墻等防撞結(jié)構(gòu)圍成的司機(jī)生存空間，在碰撞發(fā)生時(shí)抵擋來自司機(jī)室前方、側(cè)前方及側(cè)方的沖擊，保護(hù)司乘人員的安全。160 km動(dòng)車組動(dòng)力車前端結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 160 km動(dòng)車組動(dòng)力車前端結(jié)構(gòu)

160 km動(dòng)車組動(dòng)力車的設(shè)計(jì)軸重為19.8 t，整車有很高的輕量化設(shè)計(jì)要求，因此在加強(qiáng)車體承載能力的同時(shí)還需要控制車體結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。動(dòng)力車車體承載結(jié)構(gòu)的主材料為Q460E高強(qiáng)鋼板，在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下可以減輕車體結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。

2.1 動(dòng)力車前端鉤緩裝置及安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

動(dòng)力車前端采用15X法蘭安裝鉤緩裝置，同時(shí)根據(jù)業(yè)主需要也可以安裝10型電鉤鉤緩裝置，鉤緩裝置通過螺栓安裝在底架牽引梁前端，其安裝結(jié)構(gòu)如圖2所示。鉤緩裝置由于自身吸能量有限，因此在碰撞時(shí)車鉤吸能完成后需退讓留出空間，保證后續(xù)結(jié)構(gòu)吸能。車鉤下方的車鉤托梁通過螺栓安裝在支撐梁上，發(fā)生碰撞時(shí)車鉤下壓致使車鉤托梁脫落，車鉤讓出碰撞吸能空間，同時(shí)支撐梁被壓潰吸能。

2.2 司機(jī)室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

160 km動(dòng)車組動(dòng)力車的司機(jī)室結(jié)構(gòu)由骨架和蒙皮組成，其中骨架由多根梁和立柱組焊而成，材料采用3～6 mm的高強(qiáng)鋼Q460E鋼板，保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的同時(shí)以減輕結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。蒙皮材料采用2 mm的冷軋耐候鋼板05CuPCrNi，具有較好的強(qiáng)度性能及表面平整度。司機(jī)室鋼結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 前端鉤緩裝置及安裝結(jié)構(gòu)

司機(jī)室骨架的主體結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)如下：

(1)設(shè)計(jì)1根貫穿司機(jī)室前墻及左、右側(cè)墻的腰梁與后墻立柱相連，腰梁自身高度156 mm，其上表面距底架地板高度1 030 mm；

(2)左、右側(cè)墻上部的各設(shè)有1根側(cè)弦梁穿過腰梁，連接司機(jī)室前墻與后墻；

(3)兩側(cè)弦梁之間架設(shè)一根眉梁用于支撐頭罩，眉梁與后墻骨架頂部之間設(shè)有2根頂梁；

(4)腰梁下方設(shè)有多根立柱支撐，承載腰梁及司機(jī)室上部結(jié)構(gòu)；

(5)后墻為框架式骨架與蒙皮組焊而成；

(6)司機(jī)室結(jié)構(gòu)根據(jù)其設(shè)計(jì)防撞功能分為2個(gè)區(qū)域：司機(jī)室內(nèi)部生存空間和變形吸能區(qū)域。以前端腰梁、防撞柱和角柱組成的前端防撞結(jié)構(gòu)為分界面，防撞結(jié)構(gòu)前部為變形吸能區(qū)，防撞結(jié)構(gòu)后部為司機(jī)室內(nèi)部生存空間。

圖3 司機(jī)室鋼結(jié)構(gòu)三維圖

2.2.1司機(jī)室前端防撞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

司機(jī)室前端腰梁下方對(duì)稱布置了2根防撞柱和2根角柱。防撞柱位于車體寬度約1/3處，柱體寬度166 mm，間距942 mm。防撞柱內(nèi)部設(shè)有加強(qiáng)筋板，底部設(shè)置縱向的斜撐筋板，以加強(qiáng)防撞柱的縱向承載能力。角柱位于司機(jī)室前端兩側(cè)，內(nèi)部同樣設(shè)有加強(qiáng)筋板，與防撞柱之間通過筋板連接。前部腰梁、防撞柱及角柱組成了司機(jī)室前端防撞結(jié)構(gòu)，用于抵抗來自司機(jī)室前方及側(cè)前方的沖擊力，保障司機(jī)的生存空間。

前墻與側(cè)墻端部連接，位于防撞結(jié)構(gòu)的前方，用于頭罩的安裝與定位。前墻與腰梁之間通過兩根支撐梁連接，支撐梁上設(shè)有多個(gè)變形誘導(dǎo)孔。前墻與腰梁、防撞柱之間的空間為變形吸能區(qū)域，碰撞發(fā)生時(shí)可以通過擠壓變形吸收碰撞能量。

司機(jī)室前端結(jié)構(gòu)見圖4所示。

圖4 司機(jī)室前端結(jié)構(gòu)

2.2.2司機(jī)室側(cè)部防撞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

側(cè)墻上部為側(cè)弦梁與腰梁、后墻立柱組焊的三角框架結(jié)構(gòu)，框架結(jié)構(gòu)內(nèi)部空間用于安裝側(cè)窗，并設(shè)有加強(qiáng)梁和立柱。腰梁下方設(shè)有3個(gè)支撐立柱，立柱底部設(shè)置縱向斜撐筋板，立柱之間通過筋板加固。三角框架結(jié)構(gòu)與支撐立柱共同構(gòu)成了側(cè)墻防撞結(jié)構(gòu)，抵抗來自司機(jī)室側(cè)方的沖擊力。側(cè)墻前端處于司機(jī)室的變形吸能區(qū)域，骨架用3 mm的筋板代替梁柱結(jié)構(gòu)降低結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，同時(shí)減輕質(zhì)量。司機(jī)室側(cè)部結(jié)構(gòu)見圖5所示。

圖5 司機(jī)室側(cè)部結(jié)構(gòu)

2.3 排障器結(jié)構(gòu)

排障器通過螺栓安裝在動(dòng)力車前端底架下部，其骨架結(jié)構(gòu)如圖6所示。在排障器前端排障板與安裝梁之間設(shè)有縱向筋板以加強(qiáng)排障器縱向承載能力，同時(shí)該區(qū)域?qū)儆谲嚩俗冃挝軈^(qū)域，因此在筋板上布置了多個(gè)腰型孔，碰撞發(fā)生時(shí)用于誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)變形吸能。

圖6 排障器骨架結(jié)構(gòu)(不含蒙皮結(jié)構(gòu))

3 車體防撞性能仿真驗(yàn)證結(jié)果

3.1 靜強(qiáng)度仿真計(jì)算結(jié)果

通過ANSYS軟件對(duì)動(dòng)力車車體防撞結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜強(qiáng)度有限元仿真計(jì)算，分析結(jié)果見表1。

靜強(qiáng)度仿真結(jié)果表明，160 km動(dòng)車組動(dòng)力車車體結(jié)構(gòu)及防撞結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度均滿足中國(guó)鐵路總公司標(biāo)準(zhǔn)性技術(shù)文件TJ/JW 102—2017要求。

3.2 碰撞仿真計(jì)算結(jié)果

通過LS-DYNA對(duì)動(dòng)力車車體結(jié)構(gòu)進(jìn)行車體碰撞工況仿真，分析結(jié)果見表2所示。

碰撞仿真分析的結(jié)果表明， 160 km動(dòng)車組在TJ/JW 102—2017要求的4個(gè)碰撞工況下，生存空間基本保存完整，平均加速度沒有超過技術(shù)要求(5g),最大輪對(duì)抬升量小于輪緣名義高度的75%(21 mm)，車體的防碰撞性滿足TJ/JW 102—2017要求。

在碰撞仿真過程中，車頭端部變形吸能區(qū)通過壓潰變形吸收了大量能量，同時(shí)保護(hù)了司機(jī)室內(nèi)部的生存空間不受侵犯，車體端部和司機(jī)室結(jié)構(gòu)的防撞性能達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)期的效果。

4 車體防撞結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果

2017年株機(jī)公司對(duì)160 km動(dòng)車組動(dòng)力車車體進(jìn)行了靜強(qiáng)度試驗(yàn)，針對(duì)TJ/JW 102—2017技術(shù)文件中以屈服強(qiáng)度為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)的工況進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果表明車體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足TJ/JW 102—2017要求。具體試驗(yàn)結(jié)果見表3。

5 結(jié)束語

重點(diǎn)對(duì)160 km動(dòng)車組動(dòng)力車車體的防撞性設(shè)計(jì)進(jìn)行了介紹。160 km動(dòng)車組動(dòng)力車在車體端部設(shè)計(jì)一個(gè)變形吸能區(qū)，通過車體端部結(jié)構(gòu)的壓潰變形吸收碰撞能量，彌補(bǔ)鉤緩系統(tǒng)吸能不足的問題。在變形吸能區(qū)后方設(shè)計(jì)司機(jī)室防撞柱、角柱及側(cè)墻等防撞結(jié)構(gòu)以抵抗來自不同方向的沖擊，提供了一個(gè)司機(jī)生存空間。仿真分析結(jié)果和試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明，160 km動(dòng)車組動(dòng)力車車體的防撞性滿足中國(guó)鐵路總公司標(biāo)準(zhǔn)性技術(shù)文件TJ/JW 102—2017的要求。

表1 車體防撞結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度仿真結(jié)果

表2 車體碰撞仿真分析結(jié)果

表3 車體靜強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

160 km動(dòng)車組動(dòng)力車車體的研制是對(duì)國(guó)內(nèi)機(jī)車車體和動(dòng)力車車體防撞性技術(shù)的一次重大提升，對(duì)今后我國(guó)車體防撞性技術(shù)的發(fā)展及探索符合我國(guó)國(guó)情的車體防撞性技術(shù)體系有重大指導(dǎo)意義。