160 km/h動力集中動車組動力車車體防撞性設(shè)計

金希紅， 閔陽春， 陸 軍

(1 中車株洲電力機車有限公司, 湖南株洲 412001；2 大功率交流傳動電力機車系統(tǒng)集成國家重點實驗室， 湖南株洲 412001)

車體防撞性技術(shù)又稱為列車被動安全技術(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)達國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。我國在車體防撞性上的研究起步相對較晚，但近年來各軌道裝備制造商和高校都在不斷加大對車體防撞性研究的投入，探索符合我國國情的車體防撞性技術(shù)體系。

速度160 km/h動力集中動車組(以下簡稱160 km動車組)是根據(jù)中國鐵路總公司運輸和經(jīng)營發(fā)展要求，由多家中車下屬企業(yè)聯(lián)合設(shè)計開發(fā)的一款能夠滿足中國城際鐵路、普速線路及客運專線使用環(huán)境運營要求的動車組。根據(jù)160 km動車組的運用條件和技術(shù)要求，動力車的車體防撞性能需滿足中國鐵路總公司標(biāo)準(zhǔn)性技術(shù)文件TJ/JW 102—2017《交流傳動機車司機室防撞性暫行技術(shù)規(guī)范》的要求。TJ/JW 102代表了目前國內(nèi)機車領(lǐng)域車體防撞性的最高技術(shù)要求，160 km動車組動力車的研制將極大提升我國機車領(lǐng)域和動力集中動車組動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《交流傳動機車司機室防撞性暫行技術(shù)規(guī)范》是由中國鐵路總公司牽頭，由中南大學(xué)及中車多家子公司共同起草的一個針對交流傳動機車和動力集中動車組動力車的車體防撞性要求的暫行技術(shù)規(guī)范，是國內(nèi)第一個專門針對機車車體及動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)的強度要求、車體碰撞吸能要求、檢驗方法及檢驗規(guī)則等方面對機車車體和動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)的強度要求中，該技術(shù)文件參考北美AAR S580《機車防撞性要求》標(biāo)準(zhǔn)，在司機室結(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，同時對司機室結(jié)構(gòu)的各項強度指標(biāo)要求也比以往國內(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，這也是在國內(nèi)機車領(lǐng)域的車體防撞性要求上首次對標(biāo)EN 15227標(biāo)準(zhǔn)。由此可知，該技術(shù)文件對車體防撞性的要求已經(jīng)達到了國際領(lǐng)先水平。車體的防撞性要滿足TJ/JW 102—2017的技術(shù)要求，對國內(nèi)機車和動力集中動力車的車體設(shè)計是一個很大的挑戰(zhàn)。

將重點就中車株機公司研制的160 km動車組動力車的車體防撞性設(shè)計進行闡述，并通過仿真和試驗手段對車體結(jié)構(gòu)的防撞性能進行驗證。

2 車體防撞性設(shè)計

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

車體的防撞性設(shè)計的核心是對司機及乘客的保護，在車體端部設(shè)計碰撞能量吸收區(qū)域可以極大增強車體的防撞性能。國內(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動車組動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。以動力車28 km/h速度對撞工況為例，通過簡單的動能計算得知碰撞時需要的吸能量約為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動車組動力車在車體前端設(shè)計了一個變形吸能區(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，是由司機室的防撞柱、角柱及側(cè)墻等防撞結(jié)構(gòu)圍成的司機生存空間，在碰撞發(fā)生時抵擋來自司機室前方、側(cè)前方及側(cè)方的沖擊，保護司乘人員的安全。160 km動車組動力車前端結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 160 km動車組動力車前端結(jié)構(gòu)

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

2.1 動力車前端鉤緩裝置及安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計

動力車前端采用15X法蘭安裝鉤緩裝置，同時根據(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)生碰撞時車鉤下壓致使車鉤托梁脫落，車鉤讓出碰撞吸能空間，同時支撐梁被壓潰吸能。

2.2 司機室結(jié)構(gòu)設(shè)計

160 km動車組動力車的司機室結(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的高強鋼Q460E鋼板，保證結(jié)構(gòu)強度的同時以減輕結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。蒙皮材料采用2 mm的冷軋耐候鋼板05CuPCrNi，具有較好的強度性能及表面平整度。司機室鋼結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 前端鉤緩裝置及安裝結(jié)構(gòu)

司機室骨架的主體結(jié)構(gòu)及特點如下：

(1)設(shè)計1根貫穿司機室前墻及左、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)司機室結(jié)構(gòu)根據(jù)其設(shè)計防撞功能分為2個區(qū)域：司機室內(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)后部為司機室內(nèi)部生存空間。

圖3 司機室鋼結(jié)構(gòu)三維圖

2.2.1司機室前端防撞結(jié)構(gòu)設(shè)計

司機室前端腰梁下方對稱布置了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)有加強筋板，底部設(shè)置縱向的斜撐筋板，以加強防撞柱的縱向承載能力。角柱位于司機室前端兩側(cè)，內(nèi)部同樣設(shè)有加強筋板，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室前端防撞結(jié)構(gòu)，用于抵抗來自司機室前方及側(cè)前方的沖擊力，保障司機的生存空間。

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)生時可以通過擠壓變形吸收碰撞能量。

司機室前端結(jié)構(gòu)見圖4所示。

圖4 司機室前端結(jié)構(gòu)

2.2.2司機室側(cè)部防撞結(jié)構(gòu)設(shè)計

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)有加強梁和立柱。腰梁下方設(shè)有3個支撐立柱，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)，抵抗來自司機室側(cè)方的沖擊力。側(cè)墻前端處于司機室的變形吸能區(qū)域，骨架用3 mm的筋板代替梁柱結(jié)構(gòu)降低結(jié)構(gòu)強度，同時減輕質(zhì)量。司機室側(cè)部結(jié)構(gòu)見圖5所示。

圖5 司機室側(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)有縱向筋板以加強排障器縱向承載能力，同時該區(qū)域?qū)儆谲嚩俗冃挝軈^(qū)域，因此在筋板上布置了多個腰型孔，碰撞發(fā)生時用于誘導(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證結(jié)果

3.1 靜強度仿真計算結(jié)果

通過ANSYS軟件對動力車車體防撞結(jié)構(gòu)進行靜強度有限元仿真計算，分析結(jié)果見表1。

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

3.2 碰撞仿真計算結(jié)果

通過LS-DYNA對動力車車體結(jié)構(gòu)進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動車組在TJ/JW 102—2017要求的4個碰撞工況下，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，同時保護了司機室內(nèi)部的生存空間不受侵犯，車體端部和司機室結(jié)構(gòu)的防撞性能達到了設(shè)計預(yù)期的效果。

4 車體防撞結(jié)構(gòu)靜強度試驗驗證結(jié)果

2017年株機公司對160 km動車組動力車車體進行了靜強度試驗，針對TJ/JW 102—2017技術(shù)文件中以屈服強度為評判標(biāo)準(zhǔn)的工況進行了試驗驗證，試驗結(jié)果表明車體結(jié)構(gòu)強度滿足TJ/JW 102—2017要求。具體試驗結(jié)果見表3。

5 結(jié)束語

重點對160 km動車組動力車車體的防撞性設(shè)計進行了介紹。160 km動車組動力車在車體端部設(shè)計一個變形吸能區(qū)，通過車體端部結(jié)構(gòu)的壓潰變形吸收碰撞能量，彌補鉤緩系統(tǒng)吸能不足的問題。在變形吸能區(qū)后方設(shè)計司機室防撞柱、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，提供了一個司機生存空間。仿真分析結(jié)果和試驗驗證結(jié)果表明，160 km動車組動力車車體的防撞性滿足中國鐵路總公司標(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 車體靜強度試驗結(jié)果

160 km動車組動力車車體的研制是對國內(nèi)機車車體和動力車車體防撞性技術(shù)的一次重大提升，對今后我國車體防撞性技術(shù)的發(fā)展及探索符合我國國情的車體防撞性技術(shù)體系有重大指導(dǎo)意義。