符合TJ/JW 102—2017標(biāo)準(zhǔn)要求的司機室防撞結(jié)構(gòu)分析

1 概述

我國地域廣闊，人口眾多，鐵路運輸以其運載量大、運輸成本低、安全、可靠、環(huán)保等特點，作為交通運輸?shù)拇髣用}，承擔(dān)著國家的主要客、貨運輸任務(wù)，對我國國民經(jīng)濟的發(fā)展起著十分重要的作用。隨著列車運行速度的提高，運行安全性成為一個不可忽視的重要問題。

盡管列車碰撞事故很少發(fā)生，但不能完全避免，尤其是高速重載列車，能量大慣性大，一旦發(fā)生碰撞事故，將造成車毀人亡的嚴(yán)重后果，例如：2011年7月23日晚20：30分左右，從北京南站開往福州站的D301次動車組列車運行至甬溫線上海鐵路局管內(nèi)永嘉站至溫州南站間，與前行的杭州站開往福州南站的D3115次動車組列車發(fā)生追尾事故，后車四節(jié)車廂從高架橋上墜下，造成40人死亡，約200多人受傷。因此，為了降低碰撞事故造成的損失，世界各國鐵路部門不斷對機車車輛的碰撞仿真技術(shù)以及列車的被動防護性進行研究，以最大限度地降低碰撞事故造成的損失。

軌道車輛安全防護技術(shù)可分為主動防護技術(shù)和被動防護技術(shù)兩類。主動防護技術(shù)是指避免列車碰撞事故發(fā)生而采取的措施，包括車輛信號控制系統(tǒng)的檢測、平交道口處警示標(biāo)識的維護、列車運行環(huán)境的防護、車上設(shè)備的保養(yǎng)和檢修以及提高司機的操作水準(zhǔn)和乘務(wù)人員的安全意識等；被動防護技術(shù)是通過研究列車自身的耐撞擊能力來降低碰撞事故造成的人員傷亡和經(jīng)濟損失，列車耐撞性能體現(xiàn)在碰撞過程中車體結(jié)構(gòu)的變形形式、承載能力以及吸收能量情況。車輛結(jié)構(gòu)設(shè)計時端部通過安裝防爬裝置和車鉤緩沖器吸能裝置來吸收碰撞動能和緩沖擊波，使車體有序地發(fā)生塑性變形，為乘客提供足夠的生存空間，降低碰撞加速度，防止車輛間發(fā)生爬車，降低碰撞事故帶來的傷亡和損失。主動安全防護技術(shù)是保障鐵路運輸安全性所必備的前提，但是，鐵路運輸系統(tǒng)是一個多方協(xié)調(diào)運行的復(fù)雜動態(tài)系統(tǒng)，任何一處存在問題都有可能引起碰撞事故的發(fā)生，近年來頻發(fā)的國內(nèi)外碰撞事故表明，光靠主動安全防護技術(shù)，對于減輕列車碰撞事故造成的經(jīng)濟損失和降低人員傷亡數(shù)量的保障是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。所以，在提高主動安全防護技術(shù)的同時，提高車輛的被動安全防護性能也是至關(guān)重要的。

3.將起酥面搟為 0.1～0.2 cm厚的一大張面片，用扣碗扣為餃子皮。包餡制成餃子。餃子皮外抹上蛋黃，放入烤箱，用230～250℃箱溫將餃子烤熟。

中國鐵路總公司要求全面提升重載機車防撞性能，新造電力機車需完全滿足最新標(biāo)準(zhǔn)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。公司在重載機車車體防撞性雖有一定的研究基礎(chǔ)，但要全面滿足該標(biāo)準(zhǔn)還有相當(dāng)大的難度。以新HXD1型電力機車項目為契機，對司機室防撞結(jié)構(gòu)進行重大優(yōu)化，司機室鋼結(jié)構(gòu)前端應(yīng)設(shè)置防撞墻或防撞柱、前端兩側(cè)應(yīng)設(shè)置角柱、側(cè)壁的側(cè)窗下應(yīng)設(shè)置防撞結(jié)構(gòu)，以上三個位置均應(yīng)能承受相應(yīng)的載荷。因此完成新司機室防撞結(jié)構(gòu)建模，并進行有限元分析，確定最終優(yōu)化方案，全面提升車體防撞性能。

2 HXD1司機室防撞結(jié)構(gòu)及靜強度計算工況

TJ/JW 102—2017規(guī)定司機室前端應(yīng)設(shè)置防撞墻或防撞柱，前端兩側(cè)應(yīng)設(shè)置角柱，側(cè)壁的側(cè)窗下應(yīng)設(shè)置防撞結(jié)構(gòu)。司機室防撞柱(防撞墻)和角柱的根部、中部和頂部三個位置均應(yīng)能承受相應(yīng)的載荷。HXD1電力機車司機室防撞結(jié)構(gòu)如圖1所示，防撞墻和角柱高1040mm，大于610mm，防撞墻寬度大于司機室寬度的2/3，均滿足TJ/JW 102—2017標(biāo)準(zhǔn)要求，側(cè)壁結(jié)構(gòu)的側(cè)窗最低點高1040mm，大于750mm，可設(shè)置防撞結(jié)構(gòu)。

如圖6A和B所示，尾靜脈注射ST激發(fā)1 h和24 h后，與左足比較，模型組右足可觀察到明顯的足部腫脹，SHLI給藥組足腫脹呈現(xiàn)不同程度的減輕。測定足容積發(fā)現(xiàn)（圖6C和D），SHLI組小鼠足容積和足容積差均顯著減小，速發(fā)相（抗原攻擊1 h）時2.5和5.0 mL·kg-1SHLI組足容積差分別降低69%和83%（P＜0.01），遲發(fā)相（抗原攻擊24 h）時則分別降低70%和100%（P＜0.05，P＜0.01），表明SHLI對抗ST多抗血清和ST誘導(dǎo)的小鼠Ⅰ型超敏反應(yīng)速發(fā)相和遲發(fā)相足腫脹均具有明顯的抑制作用。

3 HXD1司機室防撞結(jié)構(gòu)強度模型創(chuàng)建

車體的主體結(jié)構(gòu)離散為三維殼單元shell181(如：車體的底架、側(cè)墻、隔墻、后端墻、司機室和臺架等主體結(jié)構(gòu))，車鉤箱、減振器安裝座和架車座離散為實體單元solid185、設(shè)備安裝座離散為三維梁單元beam188，設(shè)備重量離散為三維質(zhì)量單元mass21，二系彈簧懸掛系統(tǒng)離散為三維彈簧單元combin14。

通過防撞墻根部與中部防撞性校核工況的計算，可知防撞墻結(jié)構(gòu)橫筋板圓弧區(qū)域應(yīng)力集中明顯。為了降低應(yīng)力集中，需對結(jié)構(gòu)進行加強及形狀優(yōu)化，如圖9中所示，在防撞墻根部、中部增加10mm厚的橫向加強筋板，加強筋板與立板圍成高100mm的箱型結(jié)構(gòu)，且橫向筋板上開有過渡圓弧，能很好的降低集中應(yīng)力，形狀如圖10所示。

4 司機室鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)化及防撞性分析

4.1 原司機室防撞結(jié)構(gòu)強度分析

根據(jù)4.1中靜強度仿真計算結(jié)果，司機室防撞結(jié)構(gòu)多個區(qū)域超過材料的許用應(yīng)力，需進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化以達到TJ/JW 102—2017標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.2 新司機室防撞結(jié)構(gòu)

根據(jù)原HXD1司機室鋼結(jié)構(gòu)進行建模，并按照表1所列工況對原HXD1司機室鋼結(jié)構(gòu)相應(yīng)位置靜強度加載，計算得到車體的最小安全系數(shù)、相應(yīng)應(yīng)力及出現(xiàn)位置如表3所示，圖2至圖8為各工況對應(yīng)的應(yīng)力云圖。根據(jù)表3及相應(yīng)的應(yīng)力云圖可知，原HXD1司機室鋼結(jié)構(gòu)已不能滿足TJ/JW 102—2017標(biāo)準(zhǔn)對司機室鋼結(jié)構(gòu)部位載荷要求，需進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

綜合上述分析，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)TJ/JW 102—2017，對于新HXD1電力機車項目，改進司機室鋼結(jié)構(gòu)以提升車體防撞性能，應(yīng)校核表1所列出的靜強度工況。

司機室鋼結(jié)構(gòu)主要由3mm、4mm厚的Q345E和6mm、8mm及10mm厚的16MnDR鋼板焊接而成，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計中，部分位置使用更高強度的Q460E材料替代，所用材料的機械性能如表2所示。

資源稟賦、環(huán)境規(guī)制會促進制造業(yè)綠色發(fā)展？..................................................................................................................張 峰 薛惠鋒 史志偉（60）

司機室角柱結(jié)構(gòu)優(yōu)化如圖11所示，通過4.1節(jié)中仿真計算可知，角柱結(jié)構(gòu)應(yīng)力主要集中在蒙皮區(qū)域，這是由于角柱結(jié)構(gòu)內(nèi)部橫向加強筋板不足，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)剛度較差。優(yōu)化方法為增加橫向8mm厚加強筋板，加強筋板圍成高100mm的承載區(qū)域。

側(cè)壁防撞結(jié)構(gòu)優(yōu)化如圖12所示，根據(jù)仿真計算結(jié)果，應(yīng)力集中在司機室門立柱筋板與蒙皮焊接區(qū)域，這是由于側(cè)壁防撞結(jié)構(gòu)在加載區(qū)域只有一塊橫向加強筋板，對蒙皮支撐不足。通過增加6mm厚橫向加強筋板，使結(jié)構(gòu)圍成高200mm的承載區(qū)域，以增強側(cè)壁結(jié)構(gòu)的剛度。

4.3 新司機室防撞結(jié)構(gòu)分析

對優(yōu)化后結(jié)構(gòu)進按表1中要求靜強度計算，計算得到車體的最小安全系數(shù)、相應(yīng)應(yīng)力和出現(xiàn)位置如表4所示，各工況對應(yīng)的應(yīng)力云圖如圖13至圖19所示。由表4可知，各工況的最小安全系數(shù)均大于1.0，新司機室防撞結(jié)構(gòu)的靜強度滿足TJ/JW 102—2017標(biāo)準(zhǔn)要求。

采用SPSS 22.0統(tǒng)計學(xué)軟件對數(shù)據(jù)進行處理，計數(shù)資料以百分?jǐn)?shù)（%）表示，以P＜0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

5 總結(jié)

本文介紹了TJ/JW 102—2017標(biāo)準(zhǔn)對機車司機室防撞性的要求，通過建立有限元模型對原司機室結(jié)構(gòu)進行7個靜強度工況的校核，分析結(jié)果顯示司機室多個區(qū)域超過材料的許用應(yīng)力，對不合格結(jié)構(gòu)處進行了優(yōu)化，并進一步驗證新防撞結(jié)構(gòu)的合理性。

[1]王晉樂. 電力機車耐撞擊車體結(jié)構(gòu)設(shè)計及分析[D]. 成都：西南交通大學(xué)碩士學(xué)位論文，2014.

[2]魏慶，王悅明，文斌.國外鐵路機車車輛碰撞安全性研究[J].國外鐵道車輛，2012,49(5)：39-45.

[3]TJ/JW 102—2017. 交流傳動機車司機室防撞性暫行技術(shù)規(guī)范[S]中華人民共和國鐵道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，2017.

[4]賈宇. 機車車體耐碰撞結(jié)構(gòu)設(shè)計與碰撞仿真研究[D]. 成都：西南交通大學(xué)碩士學(xué)位論文，2005.

[5]EN 12663—2015. 鐵路應(yīng)用-鐵道車輛車體結(jié)構(gòu)要求[S], 2015.