復(fù)合材料障礙物檢測梁一體化設(shè)計(jì)

中圖分類號：U270.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945(2025)14-0035-04

（中車成型科技(青島）有限公司，山東青島266000）

Abstract:Withtherapiddevelopmentoftherailtransitindustry，mechanicalobstacledetectiondevicesarebecomingmore andmorewidelyusedassafetycomponentsofdriverlesstrainsduetotheirsimpleworking principle，highstabilityandature technology.However，thetraditionalmetalobstacledetectiondevicesarenotsuitableforthedevelopmentneedsoftherailtransit industryduetotheirlargeweight，lowfatigueresistance，andlowinstalltionandmaintenancecosts.Inthispaper，theauthors usetheadvantagesofcompositematerialstocarryoutastructural-functionalintegrationdesignforthemetalobstacledetection deviceusedinadomesticmodel，whichreducestheoverallweightandimprovestheservicelifeoftheproductunderthe circumstanceofguaranteingitsstrengthandsiffnessunchanged，andprovidesanewdesignideaforthelightweightdesignof the rail transport components.

Keywords:driverless train； bogie； obstacle detection； composite material; integrated design

隨著軌道交通行業(yè)的飛速發(fā)展，無人駕駛軌道交通地鐵列車也越來越多地在各大城市中投人運(yùn)營。相較于常規(guī)地鐵車輛，無人駕駛列車對車輛的安全性和障礙物檢測能力提出了更高的要求。障礙物檢測裝置作為一種機(jī)械式被動安全防護(hù)裝置，其工作原理簡單、技術(shù)成熟、故障率小和穩(wěn)定性高，已成為目前主流無人駕駛地鐵中基本的安全裝置。

障礙物檢測裝置通過螺栓安裝于地鐵轉(zhuǎn)向架端部位置，其結(jié)構(gòu)主要包括檢測梁、支座、板簧和轉(zhuǎn)向架連接座等部件，圖1(a)所示各部件之間通過螺栓連接。該裝置的工作原理(圖1(b))為：檢測梁位于軌道上方一定高度內(nèi)，當(dāng)軌道上方存在尺寸和質(zhì)量較小的障礙物時，檢測梁可以將該障礙物排出軌道；當(dāng)障礙物尺寸或質(zhì)量較大時，檢測梁會產(chǎn)生與列車前進(jìn)方向相反的位移，并帶動板簧產(chǎn)生較大位移，從而觸發(fā)與板簧連接的位移行程開關(guān)，行程開關(guān)將給列車控制系統(tǒng)輸出一個緊急制動信號，從而觸發(fā)緊急制動，保護(hù)列車安全[]。

目前，在無人駕駛地鐵中所應(yīng)用的障礙物檢測裝置為金屬材質(zhì)，其中支座多采用鋼P(yáng)355N，檢測梁多通過焊接采用鋁合金6082-T6制成，二者通過螺栓進(jìn)行連接，傳統(tǒng)金屬材質(zhì)障礙物檢測裝置存在重量大、易腐蝕、焊接工藝無法避免焊接缺陷導(dǎo)致焊縫裂紋易發(fā)生疲勞斷裂、螺栓松動、分體式檢測裝置需要額外裝配工序等缺點(diǎn)，而纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有比強(qiáng)度高、剛度高、密度低、耐腐蝕和耐疲勞性能優(yōu)異等優(yōu)勢，是目前最具潛力的輕量化材料，筆者基于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的特點(diǎn)，對現(xiàn)有的某型金屬障礙物檢測梁組成（檢測橫梁和支座）進(jìn)行了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)功能一體化設(shè)計(jì)。

1障礙物檢測梁一體化設(shè)計(jì)方案

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

原金屬障礙物檢測梁組成結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示，2個支座各通過4顆M12螺栓與檢測橫梁以 3.5^° 安裝角度安裝，在對該組成進(jìn)行復(fù)合材料(簡稱“復(fù)材\"）一體化設(shè)計(jì)時，需考慮復(fù)合材料本身工藝限制，以及保持原有安裝接口不變，故而將檢測橫梁與支座連接部位進(jìn)行平行化設(shè)計(jì)（圖2(b）)。

如圖2所示，對比金屬障礙物檢測梁組成與復(fù)合材料障礙物檢測梁組成，為保證檢測橫梁覆蓋整個軌道面寬度，其總長度均為 2372mm ;金屬檢測橫梁截面為 40mm×104mm ，中間有加強(qiáng)筋的日字形結(jié)構(gòu)，由于復(fù)合材料工藝限制，無法在封閉腔型結(jié)構(gòu)中設(shè)計(jì)加強(qiáng)筋，為最大限度地保證整體剛度不變和考慮檢測橫梁底面不與軌道面干涉，故將復(fù)合材料檢測橫梁截面設(shè)計(jì)為 60mm×60mm ，壁厚 6mm 的口字型結(jié)構(gòu)；除此之外，由于復(fù)合材料檢測橫梁與支座為一體化設(shè)計(jì)，其過渡區(qū)圓角尺寸為R50，大的圓角尺寸除了可以減少過渡部位應(yīng)力集中現(xiàn)象，還有利于復(fù)合材料預(yù)浸料在芯模上鋪貼。

1.2 局部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在本章節(jié)中，將對復(fù)合材料障礙物檢測梁組成進(jìn)行局部復(fù)材化設(shè)計(jì)。如圖3所示，原金屬檢測梁組成中的支座高度為 152mm ，寬度為 80mm ，中間開有4個用于安裝M6螺栓直徑為 Φ⁷mm 的孔和1個長圓孔；由于復(fù)合材料橫梁高度為 60mm ，為保證障礙物檢測裝置安裝接口不變，復(fù)合材料支座高度設(shè)計(jì)為132mm 。根據(jù)《實(shí)用飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造》一書中的復(fù)材設(shè)計(jì)規(guī)范，復(fù)合材料開孔應(yīng)符合以下公式4式中： s 為孔圓心距邊距離； D 為孔直徑。在保證原螺栓孔及長圓孔設(shè)計(jì)參數(shù)不變的情況下，將復(fù)合材料支座寬度設(shè)計(jì)為 130mm ；在復(fù)合材料支座內(nèi)與螺栓配合的部位設(shè)計(jì)一個金屬墊板，該結(jié)構(gòu)可有效減輕螺栓螺牙對復(fù)合材料層間的破壞及避免螺栓鎖緊力壓潰復(fù)材表面。 □

單位：mm

1.3復(fù)合材料鋪層設(shè)計(jì)

本文所述復(fù)合材料障礙物檢測梁組成所用材料為48KT700級單向碳纖維預(yù)浸料及 400g 重玻璃纖維織物預(yù)浸料。其中碳纖維預(yù)浸料主要提供檢測梁組成的強(qiáng)度與剛度，單層厚度 0.2mm ，從產(chǎn)品最內(nèi)層向外共鋪貼25層，總厚度 5mm ，考慮到單向碳纖維預(yù)浸料力學(xué)性質(zhì)的各向異性，在鋪層設(shè)計(jì)時，將產(chǎn)品長度方向設(shè)置為 0^° 方向，為盡可能地增加產(chǎn)品強(qiáng)度及工藝可行性，將 0^° 鋪層設(shè)計(jì)為約占總鋪層角度的 60% ：為減小檢測梁組成在固化時的層間熱應(yīng)力，將鋪層設(shè)計(jì)成以第13層中心對稱形式，具體鋪層信息見表1；所用的玻璃纖維織物預(yù)浸料，單層厚度 0.4mm ，由于玻璃纖維具有良好的韌性，故鋪貼于碳纖維外側(cè)，用于提高檢測梁組成的耐沖擊性及配合處的耐磨性；為保證整個產(chǎn)品的美觀性，在產(chǎn)品的最外層鋪設(shè)1層0.2mm 厚的T300級碳纖維織物預(yù)浸料。

2 仿真驗(yàn)證

2.1 長壽命仿真

首先參照GB/T21563—2018《軌道交通機(jī)車車輛設(shè)備沖擊和振動試驗(yàn)》中2類轉(zhuǎn)向架安裝標(biāo)準(zhǔn)，使用實(shí)測路譜對復(fù)合材料障礙物檢測裝置和金屬障礙物檢測裝置進(jìn)行隨機(jī)振動仿真分析，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，垂直于軌道面方向?yàn)榇瓜颍熊囆旭偡较蚨x為縱向，車軸方向定義為橫向，實(shí)測路譜隨機(jī)振動工況見表2。

仿真結(jié)果如圖4所示，對于金屬障礙物檢測裝置，其最大應(yīng)力發(fā)生在垂向隨機(jī)振動時，支座與檢測橫梁連接螺栓孔處，約為 149MPa ，根據(jù)孫春方等在2009年研究成果，6082鋁合金疲勞極限 σ_0.05=86MPa 可以判定原金屬障礙物檢測裝置橫梁連接螺栓孔不滿足疲勞壽命要求；而復(fù)合材料障礙物檢測裝置通過支座和檢測橫梁一體化設(shè)計(jì)，避免了螺栓連接，故解決了原金屬結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度不符合服役要求的問題。

由于復(fù)合材料多為層壓結(jié)構(gòu)，在同一應(yīng)變下不同鋪層具有不同的應(yīng)力，所以對于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)一般不取許用應(yīng)力而是取許用應(yīng)變作為設(shè)計(jì)限制值，對于典型層壓結(jié)構(gòu)，復(fù)合材料極限設(shè)計(jì)許用應(yīng)變?yōu)? ，仿真結(jié)果顯示，復(fù)合材料障礙物檢測裝置最大微應(yīng)變發(fā)生在垂向隨機(jī)振動支座與橫梁過渡區(qū)圓角處，約為 1061με 遠(yuǎn)小于 4000με 。通過仿真結(jié)果可知，復(fù)合材料障礙物檢測裝置滿足長壽命服役要求（圖5）。

2.2 沖擊仿真

按照GB/T21563—2018《軌道交通機(jī)車車輛設(shè)備沖擊和振動試驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)，對復(fù)合材料障礙物檢測裝置和

金屬障礙物檢測裝置垂向、縱向、橫向3個方向峰值進(jìn)行加速度為 300m/s² 持續(xù)時間為 18ms 的沖擊仿真，重點(diǎn)觀測與支座連接處板簧的受力情況，其結(jié)果如圖6所示。

圖6金屬障礙物檢測裝置板簧與復(fù)材障礙物檢測裝置板簧受力情況

仿真結(jié)果顯示，板簧均在受到縱向沖擊時應(yīng)力最大，其中金屬障礙物檢測裝置板簧應(yīng)力約為 210MPa ，復(fù)合材料障礙物檢測裝置板簧應(yīng)力約為 90MPa 。復(fù)合材料障礙物檢測裝置板簧應(yīng)力僅為金屬結(jié)構(gòu)的 42% 其原因在于復(fù)合材料一體化障礙物檢測橫梁組成重量約為 6.9kg ，遠(yuǎn)小于原金屬障礙物檢測橫梁組成的重量。該結(jié)果表明，復(fù)合材料障礙物檢測裝置對于板簧的使用壽命有了較大的提升。

3結(jié)束語

我國現(xiàn)階段軌道交通用障礙物檢測裝置多為金屬結(jié)構(gòu)，由于其重量大、易腐蝕、疲勞壽命不滿足服役要求和安裝維護(hù)成本高等缺點(diǎn)，已無法滿足軌道交通行業(yè)飛速發(fā)展的需求。而復(fù)合材料障礙物檢測裝置橫梁組成由于其一體化結(jié)構(gòu)，減少了安裝維護(hù)成本。復(fù)合材料的使用，在整體強(qiáng)度保持不變的情況下，減輕了整體重量，增強(qiáng)了耐腐蝕性能和服役壽命，符合軌道交通行業(yè)發(fā)展趨勢。

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