基于ASME RT-2—2014《重型軌道交通車(chē)輛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全標(biāo)準(zhǔn)》的地鐵車(chē)輛底架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

陸冠含 魏成杰 夏常青 李 剛 段鵬飛 劉偉亮

(1.中車(chē)長(zhǎng)春軌道客車(chē)股份有限公司工程技術(shù)中心，130062，長(zhǎng)春；2.中車(chē)長(zhǎng)春軌道客車(chē)股份有限公司國(guó)家軌道客車(chē)工程研究中心，130062，長(zhǎng)春//第一作者，工程師)

隨著城市軌道交通的迅速發(fā)展，市場(chǎng)對(duì)軌道車(chē)輛的需求量大幅增加，同時(shí)也對(duì)車(chē)輛的設(shè)計(jì)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(chē)輛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全標(biāo)準(zhǔn)》(以下簡(jiǎn)為“ASME標(biāo)準(zhǔn)”)的地鐵車(chē)輛，車(chē)體寬度大、承載能力強(qiáng)、安全防護(hù)等級(jí)高，對(duì)車(chē)體碰撞吸能指數(shù)和靜強(qiáng)度指數(shù)的要求非常嚴(yán)格，這給我國(guó)的軌道車(chē)輛制造業(yè)設(shè)定了更高的標(biāo)準(zhǔn)。為使車(chē)體底架結(jié)構(gòu)達(dá)到碰撞吸能指數(shù)和靜強(qiáng)度指數(shù)的高標(biāo)準(zhǔn)平衡，文獻(xiàn)[1-2]中的軌道車(chē)輛底架采用了結(jié)構(gòu)吸能設(shè)計(jì)，底架邊梁采用了雙層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，底架中梁結(jié)構(gòu)采用了仿生魚(yú)骨設(shè)計(jì)。

1 地鐵車(chē)輛底架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)述

基于ASME標(biāo)準(zhǔn)的地鐵不銹鋼車(chē)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(chē)頂結(jié)構(gòu)和底架結(jié)構(gòu)，其中，底架結(jié)構(gòu)是車(chē)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中最重要且難度最大的部位。參考文獻(xiàn)[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(chē)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(biāo)準(zhǔn)地鐵車(chē)輛的要求，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注車(chē)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(jì)。

圖1 車(chē)體底架結(jié)構(gòu)模型圖

2 基于ASME標(biāo)準(zhǔn)的地鐵車(chē)輛底架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路

2.1 底架焊接標(biāo)準(zhǔn)

底架主體采用弧焊方式連接，點(diǎn)焊及弧焊接頭設(shè)計(jì)需符合相關(guān)焊接標(biāo)準(zhǔn)：

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

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

3) 點(diǎn)焊：應(yīng)符合AWS C1.1M/C1.1:2012標(biāo)準(zhǔn)的要求，多層板點(diǎn)焊以外側(cè)薄板為強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)，多層板及迂回點(diǎn)焊符合JIS E 4049—1990標(biāo)準(zhǔn)。點(diǎn)焊焊點(diǎn)壓痕執(zhí)行JIS Z 3140：2017要求的“不超過(guò)單側(cè)板厚的10%和0.15的較大值”，迂回點(diǎn)焊及非外露面的點(diǎn)焊焊點(diǎn)壓痕應(yīng)不超過(guò)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(biāo)準(zhǔn)。具體底架材料的機(jī)械性能及應(yīng)用率見(jiàn)表1。

表1 底架材料的機(jī)械性能及應(yīng)用率

3 底架結(jié)構(gòu)分解設(shè)計(jì)方案

3.1 底架吸能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

軌道車(chē)輛被動(dòng)防護(hù)技術(shù)也稱(chēng)第二安全措施，它通過(guò)對(duì)系統(tǒng)自身抗撞擊性能的研究來(lái)減小碰撞的影響，使碰撞損失降至最低，從而達(dá)到保護(hù)人民生命和財(cái)產(chǎn)安全的目的，使事故損失最小化，具有重大現(xiàn)實(shí)意義和工程實(shí)用價(jià)值。為實(shí)現(xiàn)被動(dòng)安全防護(hù)所采用的裝置為被動(dòng)安全防護(hù)裝置，它包括吸模塊、防爬器等。被動(dòng)安全防護(hù)技術(shù)最核心的目標(biāo)是保護(hù)司乘人員的生命安全。在軌道交通被動(dòng)防護(hù)技術(shù)領(lǐng)域，國(guó)際上已經(jīng)形成了很多標(biāo)準(zhǔn)體系，目前主要的標(biāo)準(zhǔn)、法規(guī)體系有國(guó)際通用標(biāo)準(zhǔn)體系、歐洲標(biāo)準(zhǔn)體系及美國(guó)ASME標(biāo)準(zhǔn)體系等。針對(duì)美國(guó)城市軌道車(chē)輛，吸能標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行ASME標(biāo)準(zhǔn)，即車(chē)體端部設(shè)置一個(gè)可控變形區(qū)，在發(fā)生碰撞時(shí)以可預(yù)測(cè)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(jì)及所吸收能量的大小。同時(shí)，要求車(chē)體在發(fā)生碰撞時(shí)，應(yīng)能保持結(jié)構(gòu)的完整性，以保證對(duì)乘客的傷害最小化。

過(guò)去我國(guó)生產(chǎn)的城市軌道交通車(chē)輛沒(méi)有吸能要求，與安全相關(guān)的只有防爬器及對(duì)車(chē)體靜強(qiáng)度等要求。隨著用戶對(duì)城市軌道交通運(yùn)營(yíng)的安全性要求越來(lái)越高，出現(xiàn)了對(duì)車(chē)輛碰撞吸能的要求，并逐步從車(chē)鉤、防爬器等單元吸能發(fā)展成車(chē)體結(jié)構(gòu)吸能以及多種元素組合吸能。

車(chē)體結(jié)構(gòu)吸能分為兩級(jí)，一級(jí)結(jié)構(gòu)為低速碰撞吸能(對(duì)吸能元件設(shè)計(jì)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(hù)性。在一級(jí)碰撞發(fā)生過(guò)程中，除指定的吸能元件外，車(chē)體結(jié)構(gòu)任何位置不得產(chǎn)生永久變形，且在維護(hù)過(guò)程中不得使用切割、焊接等作業(yè)，必須通過(guò)手工完成維修工作。二級(jí)結(jié)構(gòu)吸能允許車(chē)體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生塑性變形，但要滿足ASME標(biāo)準(zhǔn)要求。

底架吸能結(jié)構(gòu)為基于ASME標(biāo)準(zhǔn)的車(chē)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重中之重，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)需求和數(shù)值模擬中的吸能數(shù)值監(jiān)測(cè)，不斷修正吸能樣塊，得到防爬器結(jié)構(gòu)后連接復(fù)合壓潰箱結(jié)構(gòu)的方案。該方案中，防爬器通過(guò)加寬加厚保證其強(qiáng)度，壓潰箱逐步吸能可有效避免峰值，從而完成吸能任務(wù)。圖2為吸能樣塊模型圖。針對(duì)此方案分別對(duì)吸能樣塊進(jìn)行了數(shù)值模擬及試驗(yàn)驗(yàn)證，如圖3所示。試驗(yàn)的主要目的是驗(yàn)證計(jì)算分析的正確性及底架的制作工藝，試驗(yàn)對(duì)象包括吸能結(jié)構(gòu)及其組成單元。由圖3可見(jiàn)，數(shù)值模擬及試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果相符，吸能部位能量吸收效果顯著，試驗(yàn)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(yàn)對(duì)比圖

3.2 底架邊梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

車(chē)體吸能要求與車(chē)體靜強(qiáng)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(jì)中，底架邊梁須具有較強(qiáng)的強(qiáng)度和剛度。在邊梁設(shè)計(jì)中，采用了雙層邊梁設(shè)計(jì)(見(jiàn)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(guò)加固邊梁來(lái)加強(qiáng)底架承載力。雙層邊梁設(shè)計(jì)會(huì)在兩層邊梁中間形成空腔，從而有效提高強(qiáng)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(jì)

在底架設(shè)計(jì)中，邊梁承載了大部分的縱向載荷。邊梁設(shè)計(jì)之初，將碰撞傳導(dǎo)至底架的中間縱向載荷力以斜梁的形式傳導(dǎo)至邊梁。但在數(shù)值模擬計(jì)算的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，多輛編組碰撞吸能工況無(wú)法達(dá)到ASME標(biāo)準(zhǔn)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(yú)骨造型(見(jiàn)圖5)來(lái)加強(qiáng)“魚(yú)骨骨節(jié)”強(qiáng)度，同時(shí)與橫梁配合連接邊梁，起到對(duì)底架的支撐、加固以及傳導(dǎo)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(dòng)態(tài)載荷。

圖5 中梁魚(yú)骨結(jié)構(gòu)示意圖

中梁的內(nèi)部設(shè)計(jì)(見(jiàn)圖6)以兩個(gè)開(kāi)口方向相反的W型梁及上下蓋板組成，該設(shè)計(jì)有效提高了中梁的強(qiáng)度、剛度及抗壓能力。其設(shè)計(jì)思路類(lèi)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(dòng)載傳導(dǎo)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(chē)體結(jié)構(gòu)中最重要的部位，影響了整車(chē)的性能參數(shù)。因此，為保證ASME標(biāo)準(zhǔn)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(chē)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(qiáng)度、吸能、減重和彈塑性等多項(xiàng)指標(biāo)達(dá)成，以及確保結(jié)構(gòu)的使用壽命大于30年。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2016年初至2017年6月，底架結(jié)構(gòu)不同程度的補(bǔ)強(qiáng)及其優(yōu)化多達(dá)40余次。

對(duì)底架靜強(qiáng)度及吸能的計(jì)算共計(jì)56個(gè)工況，并在中南大學(xué)進(jìn)行了6次驗(yàn)證性試驗(yàn)。借助ANSYS及HYPERWORKS數(shù)值模擬軟件進(jìn)行仿真計(jì)算。計(jì)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(qiáng)度工況中，底架可承受1 424 kN的作用力。底架結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布如圖7所示。針對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行相關(guān)彈塑性試驗(yàn)，在底架試驗(yàn)?zāi)K中選取10個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)監(jiān)測(cè)其拉伸力與剪切力，拉伸力與剪切力試驗(yàn)各分兩組，每組左側(cè)為理論允許受力值，右側(cè)為實(shí)測(cè)受力值。表2為底架結(jié)構(gòu)的拉伸力與剪切力實(shí)測(cè)值。由表2可見(jiàn)，該結(jié)構(gòu)的拉伸力與剪切力均滿足理論要求，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性。

圖7 底架應(yīng)力分布圖

表2 底架結(jié)構(gòu)的拉伸力與剪切力實(shí)測(cè)值 單位：N

5 結(jié)語(yǔ)

基于ASME標(biāo)準(zhǔn)的地鐵車(chē)輛技術(shù)的實(shí)現(xiàn)具有跨時(shí)代的意義，目前僅有法國(guó)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(chē)長(zhǎng)春軌道客車(chē)股份有限公司突破了外國(guó)公司對(duì)我國(guó)形成的技術(shù)壁壘，將成為第4個(gè)具有紐約地鐵資質(zhì)的公司?；贏SME標(biāo)準(zhǔn)的地鐵車(chē)輛技術(shù)對(duì)我國(guó)企業(yè)開(kāi)拓國(guó)外市場(chǎng)起到了巨大的推進(jìn)作用，此項(xiàng)技術(shù)具有廣闊應(yīng)用前景。