劉青波，侯本虎，王雷

(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，吉林 長春 130062)*

安全是軌道交通車輛設(shè)計(jì)中永恒的主題，軌道交通車輛的被動(dòng)安全防護(hù)的核心內(nèi)容是當(dāng)列車發(fā)生意外碰撞以后，保障司乘人員和財(cái)產(chǎn)的安全，被動(dòng)安全防護(hù)領(lǐng)域相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的建立，歸根結(jié)底是減少司乘人員損傷和降低車體結(jié)構(gòu)破壞的過程.被動(dòng)安全防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)所設(shè)置的目的在于:防止列車載客區(qū)變形過大或是外部物品侵入載客區(qū)，導(dǎo)致乘客的生存空間破壞而引起損傷，防止“一次碰撞”引起較大減速度，超過人體承受極限和防止成員與車體及內(nèi)裝件發(fā)生“二次碰撞”導(dǎo)致乘員重要部位損傷.

隨著我國軌道交通行業(yè)走向國際化，車輛也需要依據(jù)不同國家的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，但不同國家的標(biāo)準(zhǔn)針對列車被動(dòng)安全的規(guī)則不盡相同，目前世界上主流的標(biāo)準(zhǔn)體系主要有英國標(biāo)準(zhǔn)體系、歐盟標(biāo)準(zhǔn)體系、國際鐵路聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)以及美國標(biāo)準(zhǔn)體系.除了歐盟和美國等主流國家的標(biāo)準(zhǔn)體系外，日本、俄羅斯、西班牙和韓國等各國家有各自的標(biāo)準(zhǔn)體系，總體來說，與歐盟、美國等主流標(biāo)準(zhǔn)比較，標(biāo)準(zhǔn)適用性比較局限，沒有具體普遍的參考意義.

中國針對200 km/h及以上新型動(dòng)車組的碰撞場景、被動(dòng)安全要求與耐撞性驗(yàn)證，頒布了TB/T3500-2018《動(dòng)車組車體耐撞性要求與驗(yàn)證規(guī)范》，可以有效地指導(dǎo)我國列車車輛的設(shè)計(jì)，提高動(dòng)車組設(shè)計(jì)效率.

1 標(biāo)準(zhǔn)體系的發(fā)展和要求

英國是現(xiàn)代研究軌道交通車輛被動(dòng)安全防護(hù)最早的國家之一，20世紀(jì)80年代初期在自制試驗(yàn)臺(tái)上對車體端部進(jìn)行了準(zhǔn)靜態(tài)沖擊試驗(yàn)和兩列全尺寸列車的正面碰撞試驗(yàn)，為降低碰撞嚴(yán)重性及改善能量吸收等要求，提出了耐碰撞性車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和以可控大變形方式吸收碰撞能量等概念［1］.

在1990～2007年期間，由歐盟資助成立SAFETRAIN、SAFETRAM等項(xiàng)目通過對歐洲范圍內(nèi)列車碰撞事故的調(diào)查和統(tǒng)計(jì)，并對頻繁出現(xiàn)的典型列車事故類型進(jìn)行還原分析，運(yùn)用仿真分析及試驗(yàn)驗(yàn)證等方法，對列車被動(dòng)安全技術(shù)進(jìn)行了全方位的系統(tǒng)研究，最終形成了歐盟的一系列標(biāo)準(zhǔn)體系.

90年代初，國際鐵路聯(lián)盟通過對鐵路交通事故的統(tǒng)計(jì)及分析，先后制定了UIC一系列列車被動(dòng)安全相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，主要對列車車體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、司機(jī)室設(shè)計(jì)及高速列車技術(shù)兼容性的措施等進(jìn)行了規(guī)定.

美國軌道交通車輛的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與歐洲標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)原則存在一定差異，美國列車的車體較寬，整車重量大，承載能力強(qiáng)，車體強(qiáng)度高，耐撞性能好，但車體重量的增加必然導(dǎo)致碰撞所產(chǎn)生的能量增加，對車輛的被動(dòng)安全防護(hù)吸能要求更高.

國際聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)體系分別根據(jù)車體結(jié)構(gòu)的承載強(qiáng)度、駕駛?cè)藛T的安全和列車的耐撞性制定了UIC566《客車車體及其零部件的承載要求》、UIC651《機(jī)車、動(dòng)車、動(dòng)車組和駕駛拖車的司機(jī)室設(shè)計(jì)》和UIC660《保證高速列車技術(shù)兼容性的措施》.

英國鐵路安全與標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)(RSSB)為了進(jìn)行安全管理、風(fēng)險(xiǎn)分析以及英國鐵路安全運(yùn)行工作制定了GM/RT2100標(biāo)準(zhǔn)，此標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了鐵路車輛車體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的基本要求，其中針對轉(zhuǎn)向架、排障器、車鉤緩沖器、司機(jī)室設(shè)計(jì)以及司乘人員座椅的安全要求.

歐盟資助的 TRAINCOL、SAFETRAIN、SAFETRAM、SAFEINTERIORS項(xiàng)目分別研究了列車的碰撞、列車安全、電車安全、內(nèi)飾件的安全進(jìn)行了研究，最終形成了EN12663《鐵路車輛車身的結(jié)構(gòu)要求》、EN15227《鐵路車輛車體的防撞性要求》、EN15551《鐵路車輛車鉤緩沖器》以及一些相應(yīng)的研究報(bào)告［2-3］.

中國針對自主研發(fā)的高速動(dòng)車組，國家頒布了《動(dòng)車組車體耐撞性要求與驗(yàn)證規(guī)范》，適用于200 km/及以上新型動(dòng)車組，打破國內(nèi)列車設(shè)計(jì)長期以來“無章可循”的窘境［4］.

通過以上不同標(biāo)準(zhǔn)體系的解讀，不同國家的標(biāo)準(zhǔn)針對軌道交通車輛被動(dòng)安全的防護(hù)主要集中在車體強(qiáng)度的設(shè)計(jì)、司乘人員的座椅安全、車輛的耐撞性能方面，如圖1所示.

圖1 被動(dòng)安全要求部件

基于標(biāo)準(zhǔn)中相關(guān)車輛被動(dòng)安全性的論述，隨著技術(shù)能力的發(fā)展，列車車輛的被動(dòng)安全領(lǐng)域也從“宏觀”轉(zhuǎn)向了“微觀”，從車輛外部結(jié)構(gòu)的碰撞，到具體塑性變形結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度研究，再到分級吸能理念的產(chǎn)生，最后研究車輛中的司乘人員的二次碰撞和座椅的舒適性.列車車輛研究的發(fā)展歷程如圖2所示.

圖2 列車車輛的發(fā)展歷程

2 標(biāo)準(zhǔn)體系的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

2.1 車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

車體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是最基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)，它是所有其他相關(guān)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的源頭和基礎(chǔ)，不同的標(biāo)準(zhǔn)對車體結(jié)果被動(dòng)安全的設(shè)計(jì)具體如表1所示.

表1 不同標(biāo)準(zhǔn)體系車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求

車體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)需要有一定承載能力和耐撞性，需要可以承受縱向、橫向和垂向的載荷激勵(lì)，在車體結(jié)構(gòu)發(fā)生變形時(shí)，不能發(fā)生撕裂或大變形，保證司乘人員安全，除此之外，在驗(yàn)證車體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的時(shí)候還需要留有一定的安全余量［5-7］.

2.2 耐撞性能測試

車體結(jié)構(gòu)初步完成后，為驗(yàn)證列車車輛的被動(dòng)安全性，需要對列車進(jìn)行碰撞仿真分析，對相應(yīng)的一些項(xiàng)點(diǎn)進(jìn)行檢測，保證碰撞后司乘人員的安全性，不同標(biāo)準(zhǔn)體系的耐撞性測試如表2所示.

表2 不同標(biāo)準(zhǔn)體系耐撞性測試

為保證司乘人員的安全，碰撞仿真結(jié)束后，需保證乘客生存空間長度的壓縮量小于1%;最大平均加速度的需小于5 g;同時(shí)還需評估車輛是否爬車、是否側(cè)翻和是否脫軌等特征［8-9］.

2.3 司乘人員安全設(shè)計(jì)

司機(jī)室結(jié)構(gòu)作為列車車輛碰撞過程中的主要響應(yīng)承載區(qū)域，所受到到破壞最為嚴(yán)重，特別是列車駕駛員在重大的沖擊壓力下，需要保證人員的安全，因此司機(jī)室結(jié)構(gòu)和司乘人員座椅等結(jié)構(gòu)的安全尤為重要，不同標(biāo)準(zhǔn)的司乘人員安全結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如表3所示.

表3 不同標(biāo)準(zhǔn)體系司乘人員安全設(shè)計(jì)

在車輛碰撞過程中，司機(jī)室骨架結(jié)構(gòu)需要承受巨大的縱向、橫向和垂向的承載而不發(fā)生大范圍的撕裂和崩塌，允許有一定的結(jié)構(gòu)屈服，可以緩解車輛沖擊的加速度;在車輛碰撞過程中，需要保證司乘人員顱骨、頸部、胸部和腿部承載壓力降低到最小;在車輛碰撞過程中，保證司乘人員的座椅有一定的碰撞動(dòng)態(tài)緩沖能力和耐久性能，減少額外二次碰撞對人員的傷害［10］.

2.4 碰撞能量管理

碰撞能量管理(CEM)是為滿足軌道交通車輛被動(dòng)安全，減少設(shè)計(jì)周期而形成的能量分配計(jì)劃.碰撞能量管理(CEM)需考慮整個(gè)車輛能量吸收性能的優(yōu)化配比需求，目的是為了更好地管理碰撞過程中所需吸收的能量，可以通過車身結(jié)構(gòu)的合理可控變形來吸收碰撞能量.通過CEM優(yōu)化設(shè)計(jì)車體結(jié)構(gòu)及吸能裝置的布置，可以有效降低由于碰撞而導(dǎo)致的司乘人員生存空間被壓潰及發(fā)生人員二次碰撞的風(fēng)險(xiǎn)［11-12］.

在碰撞過程中，最先觸發(fā)的吸能部件是鉤緩系統(tǒng)，緊接著車體防爬吸能裝置和車體結(jié)構(gòu)參與吸能并承受相應(yīng)的沖擊載荷，根據(jù)各標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)車輛的分析，確定車輛設(shè)計(jì)的步驟，圖3所示.

圖3 被動(dòng)安全管理設(shè)計(jì)步驟

2.5 中國動(dòng)車組耐撞性要求

基于車體強(qiáng)度和耐撞性能要求，結(jié)合中國動(dòng)車組的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，國家鐵路局聯(lián)合中車集團(tuán)和各大高校針對我國200 km/h及以上新型動(dòng)車組，編制了專業(yè)的耐撞性要求和驗(yàn)證規(guī)范.制定了具有代表性的碰撞場景、耐撞性總體要求和試驗(yàn)驗(yàn)證等具體化分析方法，旨在通過更加高質(zhì)量的數(shù)值模型和高精度的動(dòng)態(tài)測試，從而量化、確定和解釋動(dòng)車組車輛的安全性和可靠性，設(shè)計(jì)準(zhǔn)則具體詳見表4.

表4 中國動(dòng)車組耐撞性要求和驗(yàn)證規(guī)范(TB/T3500)

3 結(jié)論

(1)車輛被動(dòng)安全的防護(hù)管理是指導(dǎo)列車車輛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、仿真分析和保障司乘人員安全的指導(dǎo)方針，針對不同國家的車輛設(shè)計(jì)，需要遵從不同國家的被動(dòng)安全防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，使得車輛的設(shè)計(jì)更加規(guī)范化和系統(tǒng)化;

(2)車輛碰撞能量的管理可以在宏觀角度把控能量吸收過程，從而促進(jìn)被動(dòng)安全防護(hù)管理的實(shí)施;

(3)車體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、耐撞性仿真的分析以及司乘人員的安全的標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)則驗(yàn)證方法可以從微觀上暴露車輛薄弱的結(jié)構(gòu)，了解車輛的變形規(guī)律，從而進(jìn)行優(yōu)化處理，確保司乘人員的安全;

(4)基于列車車輛的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程和耐撞性能，同時(shí)結(jié)合國內(nèi)動(dòng)車組車輛的設(shè)計(jì)特色，我國動(dòng)車組耐撞性能設(shè)計(jì)要求和規(guī)范總結(jié)了數(shù)值仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證的有效方法，通過試驗(yàn)進(jìn)行吸能元件的力學(xué)性能的校準(zhǔn)，作為輸入信息，編制碰撞仿真模型，通過仿真與試驗(yàn)的交互工作和反復(fù)驗(yàn)證，最終總結(jié)出列車級車輛耐撞性能的正確性和有效性.