符合TJ/JW 102—2017标准要求的司机室防撞结构分析

1 概述

我国地域广阔，人口众多，铁路运输以其运载量大、运输成本低、安全、可靠、环保等特点，作为交通运输的大动脉，承担着国家的主要客、货运输任务，对我国国民经济的发展起着十分重要的作用。随着列车运行速度的提高，运行安全性成为一个不可忽视的重要问题。

尽管列车碰撞事故很少发生，但不能完全避免，尤其是高速重载列车，能量大惯性大，一旦发生碰撞事故，将造成车毁人亡的严重后果，例如：2011年7月23日晚20：30分左右，从北京南站开往福州站的D301次动车组列车运行至甬温线上海铁路局管内永嘉站至温州南站间，与前行的杭州站开往福州南站的D3115次动车组列车发生追尾事故，后车四节车厢从高架桥上坠下，造成40人死亡，约200多人受伤。因此，为了降低碰撞事故造成的损失，世界各国铁路部门不断对机车车辆的碰撞仿真技术以及列车的被动防护性进行研究，以最大限度地降低碰撞事故造成的损失。

轨道车辆安全防护技术可分为主动防护技术和被动防护技术两类。主动防护技术是指避免列车碰撞事故发生而采取的措施，包括车辆信号控制系统的检测、平交道口处警示标识的维护、列车运行环境的防护、车上设备的保养和检修以及提高司机的操作水准和乘务人员的安全意识等；被动防护技术是通过研究列车自身的耐撞击能力来降低碰撞事故造成的人员伤亡和经济损失，列车耐撞性能体现在碰撞过程中车体结构的变形形式、承载能力以及吸收能量情况。车辆结构设计时端部通过安装防爬装置和车钩缓冲器吸能装置来吸收碰撞动能和缓冲击波，使车体有序地发生塑性变形，为乘客提供足够的生存空间，降低碰撞加速度，防止车辆间发生爬车，降低碰撞事故带来的伤亡和损失。主动安全防护技术是保障铁路运输安全性所必备的前提，但是，铁路运输系统是一个多方协调运行的复杂动态系统，任何一处存在问题都有可能引起碰撞事故的发生，近年来频发的国内外碰撞事故表明，光靠主动安全防护技术，对于减轻列车碰撞事故造成的经济损失和降低人员伤亡数量的保障是远远不够的。所以，在提高主动安全防护技术的同时，提高车辆的被动安全防护性能也是至关重要的。

3.将起酥面擀为 0.1～0.2 cm厚的一大张面片，用扣碗扣为饺子皮。包馅制成饺子。饺子皮外抹上蛋黄，放入烤箱，用230～250℃箱温将饺子烤熟。

中国铁路总公司要求全面提升重载机车防撞性能，新造电力机车需完全满足最新标准TJ/JW 102—2017《交流传动机车司机室防撞性暂行技术规范》的要求。公司在重载机车车体防撞性虽有一定的研究基础，但要全面满足该标准还有相当大的难度。以新HXD1型电力机车项目为契机，对司机室防撞结构进行重大优化，司机室钢结构前端应设置防撞墙或防撞柱、前端两侧应设置角柱、侧壁的侧窗下应设置防撞结构，以上三个位置均应能承受相应的载荷。因此完成新司机室防撞结构建模，并进行有限元分析，确定最终优化方案，全面提升车体防撞性能。

2 HXD1司机室防撞结构及静强度计算工况

TJ/JW 102—2017规定司机室前端应设置防撞墙或防撞柱，前端两侧应设置角柱，侧壁的侧窗下应设置防撞结构。司机室防撞柱(防撞墙)和角柱的根部、中部和顶部三个位置均应能承受相应的载荷。HXD1电力机车司机室防撞结构如图1所示，防撞墙和角柱高1040mm，大于610mm，防撞墙宽度大于司机室宽度的2/3，均满足TJ/JW 102—2017标准要求，侧壁结构的侧窗最低点高1040mm，大于750mm，可设置防撞结构。

如图6A和B所示，尾静脉注射ST激发1 h和24 h后，与左足比较，模型组右足可观察到明显的足部肿胀，SHLI给药组足肿胀呈现不同程度的减轻。测定足容积发现（图6C和D），SHLI组小鼠足容积和足容积差均显著减小，速发相（抗原攻击1 h）时2.5和5.0 mL·kg-1SHLI组足容积差分别降低69%和83%（P＜0.01），迟发相（抗原攻击24 h）时则分别降低70%和100%（P＜0.05，P＜0.01），表明SHLI对抗ST多抗血清和ST诱导的小鼠Ⅰ型超敏反应速发相和迟发相足肿胀均具有明显的抑制作用。

3 HXD1司机室防撞结构强度模型创建

车体的主体结构离散为三维壳单元shell181(如：车体的底架、侧墙、隔墙、后端墙、司机室和台架等主体结构)，车钩箱、减振器安装座和架车座离散为实体单元solid185、设备安装座离散为三维梁单元beam188，设备重量离散为三维质量单元mass21，二系弹簧悬挂系统离散为三维弹簧单元combin14。

通过防撞墙根部与中部防撞性校核工况的计算，可知防撞墙结构横筋板圆弧区域应力集中明显。为了降低应力集中，需对结构进行加强及形状优化，如图9中所示，在防撞墙根部、中部增加10mm厚的横向加强筋板，加强筋板与立板围成高100mm的箱型结构，且横向筋板上开有过渡圆弧，能很好的降低集中应力，形状如图10所示。

4 司机室钢结构优化及防撞性分析

4.1 原司机室防撞结构强度分析

根据4.1中静强度仿真计算结果，司机室防撞结构多个区域超过材料的许用应力，需进行结构优化以达到TJ/JW 102—2017标准要求。

4.2 新司机室防撞结构

根据原HXD1司机室钢结构进行建模，并按照表1所列工况对原HXD1司机室钢结构相应位置静强度加载，计算得到车体的最小安全系数、相应应力及出现位置如表3所示，图2至图8为各工况对应的应力云图。根据表3及相应的应力云图可知，原HXD1司机室钢结构已不能满足TJ/JW 102—2017标准对司机室钢结构部位载荷要求，需进行结构优化。

综合上述分析，依据标准TJ/JW 102—2017，对于新HXD1电力机车项目，改进司机室钢结构以提升车体防撞性能，应校核表1所列出的静强度工况。

司机室钢结构主要由3mm、4mm厚的Q345E和6mm、8mm及10mm厚的16MnDR钢板焊接而成，结构优化设计中，部分位置使用更高强度的Q460E材料替代，所用材料的机械性能如表2所示。

资源禀赋、环境规制会促进制造业绿色发展？..................................................................................................................张 峰 薛惠锋 史志伟（60）

司机室角柱结构优化如图11所示，通过4.1节中仿真计算可知，角柱结构应力主要集中在蒙皮区域，这是由于角柱结构内部横向加强筋板不足，导致结构刚度较差。优化方法为增加横向8mm厚加强筋板，加强筋板围成高100mm的承载区域。

侧壁防撞结构优化如图12所示，根据仿真计算结果，应力集中在司机室门立柱筋板与蒙皮焊接区域，这是由于侧壁防撞结构在加载区域只有一块横向加强筋板，对蒙皮支撑不足。通过增加6mm厚横向加强筋板，使结构围成高200mm的承载区域，以增强侧壁结构的刚度。

4.3 新司机室防撞结构分析

对优化后结构进按表1中要求静强度计算，计算得到车体的最小安全系数、相应应力和出现位置如表4所示，各工况对应的应力云图如图13至图19所示。由表4可知，各工况的最小安全系数均大于1.0，新司机室防撞结构的静强度满足TJ/JW 102—2017标准要求。

采用SPSS 22.0统计学软件对数据进行处理，计数资料以百分数（%）表示，以P＜0.05为差异有统计学意义。

5 总结

本文介绍了TJ/JW 102—2017标准对机车司机室防撞性的要求，通过建立有限元模型对原司机室结构进行7个静强度工况的校核，分析结果显示司机室多个区域超过材料的许用应力，对不合格结构处进行了优化，并进一步验证新防撞结构的合理性。

[1]王晋乐. 电力机车耐撞击车体结构设计及分析[D]. 成都：西南交通大学硕士学位论文，2014.

[2]魏庆，王悦明，文斌.国外铁路机车车辆碰撞安全性研究[J].国外铁道车辆，2012,49(5)：39-45.

[3]TJ/JW 102—2017. 交流传动机车司机室防撞性暂行技术规范[S]中华人民共和国铁道行业标准，2017.

[4]贾宇. 机车车体耐碰撞结构设计与碰撞仿真研究[D]. 成都：西南交通大学硕士学位论文，2005.

[5]EN 12663—2015. 铁路应用-铁道车辆车体结构要求[S], 2015.