陸冠含 魏成杰 夏常青 李 剛 段鵬飛 劉偉亮

(1.中車長春軌道客車股份有限公司工程技術(shù)中心，130062，長春；2.中車長春軌道客車股份有限公司國家軌道客車工程研究中心，130062，長春//第一作者，工程師)

隨著城市軌道交通的迅速發(fā)展，市場對軌道車輛的需求量大幅增加，同時也對車輛的設(shè)計和生產(chǎn)技術(shù)提出了更高的要求。尤其是基于ASME RT-2—2014《重型軌道交通車輛結(jié)構(gòu)設(shè)計的安全標準》(以下簡為“ASME標準”)的地鐵車輛，車體寬度大、承載能力強、安全防護等級高，對車體碰撞吸能指數(shù)和靜強度指數(shù)的要求非常嚴格，這給我國的軌道車輛制造業(yè)設(shè)定了更高的標準。為使車體底架結(jié)構(gòu)達到碰撞吸能指數(shù)和靜強度指數(shù)的高標準平衡，文獻[1-2]中的軌道車輛底架采用了結(jié)構(gòu)吸能設(shè)計，底架邊梁采用了雙層結(jié)構(gòu)設(shè)計，底架中梁結(jié)構(gòu)采用了仿生魚骨設(shè)計。

1 地鐵車輛底架結(jié)構(gòu)簡述

基于ASME標準的地鐵不銹鋼車體結(jié)構(gòu)主要分為側(cè)墻結(jié)構(gòu)、端墻結(jié)構(gòu)(前端結(jié)構(gòu))、車頂結(jié)構(gòu)和底架結(jié)構(gòu)，其中，底架結(jié)構(gòu)是車體結(jié)構(gòu)設(shè)計中最重要且難度最大的部位。參考文獻[3-6]，底架結(jié)構(gòu)主要分為端底架組成(防爬器組成、吸能模塊、車鉤座組成、枕梁組成)、邊梁組成、中梁組成、主橫梁組成等，如圖1所示。為滿足基于ASME標準地鐵車輛的要求，應重點關(guān)注車體底架整體結(jié)構(gòu)及端部吸能結(jié)構(gòu)的研發(fā)設(shè)計。

圖1 車體底架結(jié)構(gòu)模型圖

2 基于ASME標準的地鐵車輛底架結(jié)構(gòu)的設(shè)計思路

2.1 底架焊接標準

底架主體采用弧焊方式連接，點焊及弧焊接頭設(shè)計需符合相關(guān)焊接標準：

1) 碳鋼板弧焊：板厚大于3 mm時執(zhí)行AWS D1.1/D1.1M:2015，板厚小于3 mm時執(zhí)行AWS D15.1/D15.1M:2012。

2) 不銹鋼板弧焊：板厚大于2 mm時執(zhí)行AWS D1.6/D1.6M:2017，板厚小于2 mm時執(zhí)行AWS D15.1/D15.1M:2012。

3) 點焊：應符合AWS C1.1M/C1.1:2012標準的要求，多層板點焊以外側(cè)薄板為強度標準，多層板及迂回點焊符合JIS E 4049—1990標準。點焊焊點壓痕執(zhí)行JIS Z 3140：2017要求的“不超過單側(cè)板厚的10%和0.15的較大值”，迂回點焊及非外露面的點焊焊點壓痕應不超過單側(cè)板厚的25%。

2.2 底架材料性能

薄板執(zhí)行GB/T 6807—2001《鋼鐵工件涂裝前磷化處理技術(shù)條件》的要求，厚度為5 mm及以下的不銹鋼零件使用冷軋不銹鋼板生產(chǎn)。

底架碳鋼零件材料為ASTM A588，不銹鋼零件材料為ASTM AISI 301LN-1/4H、301LN-1/8H以及301LN-1/16H，符合ASTM A666—2015標準。具體底架材料的機械性能及應用率見表1。

表1 底架材料的機械性能及應用率

3 底架結(jié)構(gòu)分解設(shè)計方案

3.1 底架吸能結(jié)構(gòu)設(shè)計

軌道車輛被動防護技術(shù)也稱第二安全措施，它通過對系統(tǒng)自身抗撞擊性能的研究來減小碰撞的影響，使碰撞損失降至最低，從而達到保護人民生命和財產(chǎn)安全的目的，使事故損失最小化，具有重大現(xiàn)實意義和工程實用價值。為實現(xiàn)被動安全防護所采用的裝置為被動安全防護裝置，它包括吸模塊、防爬器等。被動安全防護技術(shù)最核心的目標是保護司乘人員的生命安全。在軌道交通被動防護技術(shù)領(lǐng)域，國際上已經(jīng)形成了很多標準體系，目前主要的標準、法規(guī)體系有國際通用標準體系、歐洲標準體系及美國ASME標準體系等。針對美國城市軌道車輛，吸能標準執(zhí)行ASME標準，即車體端部設(shè)置一個可控變形區(qū)，在發(fā)生碰撞時以可預測及穩(wěn)定可控的方式變形，吸收碰撞所產(chǎn)生的能量。其變形的距離取決于元件的設(shè)計及所吸收能量的大小。同時，要求車體在發(fā)生碰撞時，應能保持結(jié)構(gòu)的完整性，以保證對乘客的傷害最小化。

過去我國生產(chǎn)的城市軌道交通車輛沒有吸能要求，與安全相關(guān)的只有防爬器及對車體靜強度等要求。隨著用戶對城市軌道交通運營的安全性要求越來越高，出現(xiàn)了對車輛碰撞吸能的要求，并逐步從車鉤、防爬器等單元吸能發(fā)展成車體結(jié)構(gòu)吸能以及多種元素組合吸能。

車體結(jié)構(gòu)吸能分為兩級，一級結(jié)構(gòu)為低速碰撞吸能(對吸能元件設(shè)計了兩組工況，碰撞速度分別為24 km/h和40 km/h)，其要求具有可維護性。在一級碰撞發(fā)生過程中，除指定的吸能元件外，車體結(jié)構(gòu)任何位置不得產(chǎn)生永久變形，且在維護過程中不得使用切割、焊接等作業(yè)，必須通過手工完成維修工作。二級結(jié)構(gòu)吸能允許車體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生塑性變形，但要滿足ASME標準要求。

底架吸能結(jié)構(gòu)為基于ASME標準的車體結(jié)構(gòu)設(shè)計的重中之重，根據(jù)標準需求和數(shù)值模擬中的吸能數(shù)值監(jiān)測，不斷修正吸能樣塊，得到防爬器結(jié)構(gòu)后連接復合壓潰箱結(jié)構(gòu)的方案。該方案中，防爬器通過加寬加厚保證其強度，壓潰箱逐步吸能可有效避免峰值，從而完成吸能任務。圖2為吸能樣塊模型圖。針對此方案分別對吸能樣塊進行了數(shù)值模擬及試驗驗證，如圖3所示。試驗的主要目的是驗證計算分析的正確性及底架的制作工藝，試驗對象包括吸能結(jié)構(gòu)及其組成單元。由圖3可見，數(shù)值模擬及試驗驗證結(jié)果相符，吸能部位能量吸收效果顯著，試驗與數(shù)值模擬分析結(jié)果偏差均在10%以內(nèi)。

圖2 吸能樣塊模型圖

圖3 吸能樣塊數(shù)值模擬及試驗對比圖

3.2 底架邊梁結(jié)構(gòu)設(shè)計

車體吸能要求與車體靜強度要求相輔相成。底架是重要的力的承載部件。在底架設(shè)計中，底架邊梁須具有較強的強度和剛度。在邊梁設(shè)計中，采用了雙層邊梁設(shè)計(見圖4)，即外層邊梁采用帽型結(jié)構(gòu)，內(nèi)層邊梁采用U型結(jié)構(gòu)，通過加固邊梁來加強底架承載力。雙層邊梁設(shè)計會在兩層邊梁中間形成空腔，從而有效提高強度、控制撓度。

圖4 雙層邊梁結(jié)構(gòu)模型圖

3.3 底架中梁結(jié)構(gòu)設(shè)計

在底架設(shè)計中，邊梁承載了大部分的縱向載荷。邊梁設(shè)計之初，將碰撞傳導至底架的中間縱向載荷力以斜梁的形式傳導至邊梁。但在數(shù)值模擬計算的過程中發(fā)現(xiàn)，多輛編組碰撞吸能工況無法達到ASME標準規(guī)定的1.2 MJ的吸能值，因此在底架結(jié)構(gòu)中增加了中梁結(jié)構(gòu)，并采用仿生魚骨造型(見圖5)來加強“魚骨骨節(jié)”強度，同時與橫梁配合連接邊梁，起到對底架的支撐、加固以及傳導的作用，以有效分流底架邊梁在碰撞吸能工況中的能量及動態(tài)載荷。

圖5 中梁魚骨結(jié)構(gòu)示意圖

中梁的內(nèi)部設(shè)計(見圖6)以兩個開口方向相反的W型梁及上下蓋板組成，該設(shè)計有效提高了中梁的強度、剛度及抗壓能力。其設(shè)計思路類似于邊梁的空腔結(jié)構(gòu)，且由于內(nèi)部的密封腔，使得底架結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異的動載傳導能力和結(jié)構(gòu)性能指數(shù)。

圖6 中梁內(nèi)部結(jié)構(gòu)截面模型圖

4 底架結(jié)構(gòu)整體方案

底架作為車體結(jié)構(gòu)中最重要的部位，影響了整車的性能參數(shù)。因此，為保證ASME標準的執(zhí)行，底架方案不斷更新變化，更改部位涉及防爬器、吸能結(jié)構(gòu)、車鉤座、枕梁、中梁和邊梁等結(jié)構(gòu)。為保證底架鋼結(jié)構(gòu)的靜強度、吸能、減重和彈塑性等多項指標達成，以及確保結(jié)構(gòu)的使用壽命大于30年。據(jù)統(tǒng)計，2016年初至2017年6月，底架結(jié)構(gòu)不同程度的補強及其優(yōu)化多達40余次。

對底架靜強度及吸能的計算共計56個工況，并在中南大學進行了6次驗證性試驗。借助ANSYS及HYPERWORKS數(shù)值模擬軟件進行仿真計算。計算結(jié)果表明，吸能工況中，底架總吸能值平均大于1.2 MJ；靜強度工況中，底架可承受1 424 kN的作用力。底架結(jié)構(gòu)應力分布如圖7所示。針對數(shù)值模擬結(jié)果進行相關(guān)彈塑性試驗，在底架試驗模塊中選取10個關(guān)鍵點監(jiān)測其拉伸力與剪切力，拉伸力與剪切力試驗各分兩組，每組左側(cè)為理論允許受力值，右側(cè)為實測受力值。表2為底架結(jié)構(gòu)的拉伸力與剪切力實測值。由表2可見，該結(jié)構(gòu)的拉伸力與剪切力均滿足理論要求，驗證了設(shè)計的合理性。

圖7 底架應力分布圖

表2 底架結(jié)構(gòu)的拉伸力與剪切力實測值 單位：N

5 結(jié)語

基于ASME標準的地鐵車輛技術(shù)的實現(xiàn)具有跨時代的意義，目前僅有法國阿爾斯通公司、日本川崎公司、加拿大龐巴迪公司獲得了紐約地鐵資質(zhì)。中車長春軌道客車股份有限公司突破了外國公司對我國形成的技術(shù)壁壘，將成為第4個具有紐約地鐵資質(zhì)的公司?；贏SME標準的地鐵車輛技術(shù)對我國企業(yè)開拓國外市場起到了巨大的推進作用，此項技術(shù)具有廣闊應用前景。