基于ASME RT-2—2014《重型軌道交通車輛結構設計的安全標準》的地鐵車輛底架結構設計

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展，市場對軌道車輛的需求量大幅增加，同時也對車輛的設計和生產技術提出了更高的要求。尤其是基于ASME RT-2—2014《重型軌道交通車輛結構設計的安全標準》(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和靜強度指數的要求非常嚴格，這給我國的軌道車輛制造業設定了更高的標準。為使車體底架結構達到碰撞吸能指數和靜強度指數的高標準平衡，文獻[1-2]中的軌道車輛底架采用了結構吸能設計，底架邊梁采用了雙層結構設計，底架中梁結構采用了仿生魚骨設計。

1 地鐵車輛底架結構簡述

基于ASME標準的地鐵不銹鋼車體結構主要分為側墻結構、端墻結構(前端結構)、車頂結構和底架結構，其中，底架結構是車體結構設計中最重要且難度最大的部位。參考文獻[3-6]，底架結構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，應重點關注車體底架整體結構及端部吸能結構的研發設計。

圖1 車體底架結構模型圖

2 基于ASME標準的地鐵車輛底架結構的設計思路

2.1 底架焊接標準

底架主體采用弧焊方式連接，點焊及弧焊接頭設計需符合相關焊接標準：

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

2) 不銹鋼板弧焊：板厚大于2 mm時執行AWS D1.6/D1.6M:2017，板厚小于2 mm時執行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。點焊焊點壓痕執行JIS Z 3140：2017要求的“不超過單側板厚的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板厚的25%。

2.2 底架材料性能

薄板執行GB/T 6807—2001《鋼鐵工件涂裝前磷化處理技術條件》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。

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 底架結構分解設計方案

3.1 底架吸能結構設計

軌道車輛被動防護技術也稱第二安全措施，它通過對系統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安全的目的，使事故損失最小化，具有重大現實意義和工程實用價值。為實現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領域，國際上已經形成了很多標準體系，目前主要的標準、法規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，吸能標準執行ASME標準，即車體端部設置一個可控變形區，在發生碰撞時以可預測及穩定可控的方式變形，吸收碰撞所產生的能量。其變形的距離取決于元件的設計及所吸收能量的大小。同時，要求車體在發生碰撞時，應能保持結構的完整性，以保證對乘客的傷害最小化。

過去我國生產的城市軌道交通車輛沒有吸能要求，與安全相關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展成車體結構吸能以及多種元素組合吸能。

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

底架吸能結構為基于ASME標準的車體結構設計的重中之重，根據標準需求和數值模擬中的吸能數值監測，不斷修正吸能樣塊，得到防爬器結構后連接復合壓潰箱結構的方案。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構及其組成單元。由圖3可見，數值模擬及試驗驗證結果相符，吸能部位能量吸收效果顯著，試驗與數值模擬分析結果偏差均在10%以內。

圖2 吸能樣塊模型圖

圖3 吸能樣塊數值模擬及試驗對比圖

3.2 底架邊梁結構設計

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。在底架設計中，底架邊梁須具有較強的強度和剛度。在邊梁設計中，采用了雙層邊梁設計(見圖4)，即外層邊梁采用帽型結構，內層邊梁采用U型結構，通過加固邊梁來加強底架承載力。雙層邊梁設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 雙層邊梁結構模型圖

3.3 底架中梁結構設計

在底架設計中，邊梁承載了大部分的縱向載荷。邊梁設計之初，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。但在數值模擬計算的過程中發現，多輛編組碰撞吸能工況無法達到ASME標準規定的1.2 MJ的吸能值，因此在底架結構中增加了中梁結構，并采用仿生魚骨造型(見圖5)來加強“魚骨骨節”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載荷。

圖5 中梁魚骨結構示意圖

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

圖6 中梁內部結構截面模型圖

4 底架結構整體方案

底架作為車體結構中最重要的部位，影響了整車的性能參數。因此，為保證ASME標準的執行，底架方案不斷更新變化，更改部位涉及防爬器、吸能結構、車鉤座、枕梁、中梁和邊梁等結構。為保證底架鋼結構的靜強度、吸能、減重和彈塑性等多項指標達成，以及確保結構的使用壽命大于30年。據統計，2016年初至2017年6月，底架結構不同程度的補強及其優化多達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數值模擬軟件進行仿真計算。計算結果表明，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。底架結構應力分布如圖7所示。針對數值模擬結果進行相關彈塑性試驗，在底架試驗模塊中選取10個關鍵點監測其拉伸力與剪切力，拉伸力與剪切力試驗各分兩組，每組左側為理論允許受力值，右側為實測受力值。表2為底架結構的拉伸力與剪切力實測值。由表2可見，該結構的拉伸力與剪切力均滿足理論要求，驗證了設計的合理性。

圖7 底架應力分布圖

表2 底架結構的拉伸力與剪切力實測值 單位：N

5 結語

基于ASME標準的地鐵車輛技術的實現具有跨時代的意義，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。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壁壘，將成為第4個具有紐約地鐵資質的公司。基于ASME標準的地鐵車輛技術對我國企業開拓國外市場起到了巨大的推進作用，此項技術具有廣闊應用前景。