轨道交通车辆被动安全防护标准体系设计准则与方法研究

刘青波，侯本虎，王雷

(中车长春轨道客车股份有限公司 国家轨道客车工程研究中心，吉林 长春 130062)*

安全是轨道交通车辆设计中永恒的主题，轨道交通车辆的被动安全防护的核心内容是当列车发生意外碰撞以后，保障司乘人员和财产的安全，被动安全防护领域相关标准的建立，归根结底是减少司乘人员损伤和降低车体结构破坏的过程.被动安全防护标准所设置的目的在于:防止列车载客区变形过大或是外部物品侵入载客区，导致乘客的生存空间破坏而引起损伤，防止“一次碰撞”引起较大减速度，超过人体承受极限和防止成员与车体及内装件发生“二次碰撞”导致乘员重要部位损伤.

随着我国轨道交通行业走向国际化，车辆也需要依据不同国家的标准进行设计，但不同国家的标准针对列车被动安全的规则不尽相同，目前世界上主流的标准体系主要有英国标准体系、欧盟标准体系、国际铁路联盟标准系统以及美国标准体系.除了欧盟和美国等主流国家的标准体系外，日本、俄罗斯、西班牙和韩国等各国家有各自的标准体系，总体来说，与欧盟、美国等主流标准比较，标准适用性比较局限，没有具体普遍的参考意义.

中国针对200 km/h及以上新型动车组的碰撞场景、被动安全要求与耐撞性验证，颁布了TB/T3500-2018《动车组车体耐撞性要求与验证规范》，可以有效地指导我国列车车辆的设计，提高动车组设计效率.

1 标准体系的发展和要求

英国是现代研究轨道交通车辆被动安全防护最早的国家之一，20世纪80年代初期在自制试验台上对车体端部进行了准静态冲击试验和两列全尺寸列车的正面碰撞试验，为降低碰撞严重性及改善能量吸收等要求，提出了耐碰撞性车体结构设计和以可控大变形方式吸收碰撞能量等概念［1］.

在1990～2007年期间，由欧盟资助成立SAFETRAIN、SAFETRAM等项目通过对欧洲范围内列车碰撞事故的调查和统计，并对频繁出现的典型列车事故类型进行还原分析，运用仿真分析及试验验证等方法，对列车被动安全技术进行了全方位的系统研究，最终形成了欧盟的一系列标准体系.

90年代初，国际铁路联盟通过对铁路交通事故的统计及分析，先后制定了UIC一系列列车被动安全相关的标准，主要对列车车体的结构强度、司机室设计及高速列车技术兼容性的措施等进行了规定.

美国轨道交通车辆的设计标准与欧洲标准设计原则存在一定差异，美国列车的车体较宽，整车重量大，承载能力强，车体强度高，耐撞性能好，但车体重量的增加必然导致碰撞所产生的能量增加，对车辆的被动安全防护吸能要求更高.

国际联盟标准体系分别根据车体结构的承载强度、驾驶人员的安全和列车的耐撞性制定了UIC566《客车车体及其零部件的承载要求》、UIC651《机车、动车、动车组和驾驶拖车的司机室设计》和UIC660《保证高速列车技术兼容性的措施》.

英国铁路安全与标准化委员会(RSSB)为了进行安全管理、风险分析以及英国铁路安全运行工作制定了GM/RT2100标准，此标准中规定了铁路车辆车体结构强度的基本要求，其中针对转向架、排障器、车钩缓冲器、司机室设计以及司乘人员座椅的安全要求.

欧盟资助的 TRAINCOL、SAFETRAIN、SAFETRAM、SAFEINTERIORS项目分别研究了列车的碰撞、列车安全、电车安全、内饰件的安全进行了研究，最终形成了EN12663《铁路车辆车身的结构要求》、EN15227《铁路车辆车体的防撞性要求》、EN15551《铁路车辆车钩缓冲器》以及一些相应的研究报告［2-3］.

中国针对自主研发的高速动车组，国家颁布了《动车组车体耐撞性要求与验证规范》，适用于200 km/及以上新型动车组，打破国内列车设计长期以来“无章可循”的窘境［4］.

通过以上不同标准体系的解读，不同国家的标准针对轨道交通车辆被动安全的防护主要集中在车体强度的设计、司乘人员的座椅安全、车辆的耐撞性能方面，如图1所示.

图1 被动安全要求部件

基于标准中相关车辆被动安全性的论述，随着技术能力的发展，列车车辆的被动安全领域也从“宏观”转向了“微观”，从车辆外部结构的碰撞，到具体塑性变形结构的强度研究，再到分级吸能理念的产生，最后研究车辆中的司乘人员的二次碰撞和座椅的舒适性.列车车辆研究的发展历程如图2所示.

图2 列车车辆的发展历程

2 标准体系的设计准则

2.1 车体结构设计

车体结构的设计是最基础的设计，它是所有其他相关系统设计的源头和基础，不同的标准对车体结果被动安全的设计具体如表1所示.

表1 不同标准体系车体结构设计要求

车体结构的设计需要有一定承载能力和耐撞性，需要可以承受纵向、横向和垂向的载荷激励，在车体结构发生变形时，不能发生撕裂或大变形，保证司乘人员安全，除此之外，在验证车体结构强度的时候还需要留有一定的安全余量［5-7］.

2.2 耐撞性能测试

车体结构初步完成后，为验证列车车辆的被动安全性，需要对列车进行碰撞仿真分析，对相应的一些项点进行检测，保证碰撞后司乘人员的安全性，不同标准体系的耐撞性测试如表2所示.

表2 不同标准体系耐撞性测试

为保证司乘人员的安全，碰撞仿真结束后，需保证乘客生存空间长度的压缩量小于1%;最大平均加速度的需小于5 g;同时还需评估车辆是否爬车、是否侧翻和是否脱轨等特征［8-9］.

2.3 司乘人员安全设计

司机室结构作为列车车辆碰撞过程中的主要响应承载区域，所受到到破坏最为严重，特别是列车驾驶员在重大的冲击压力下，需要保证人员的安全，因此司机室结构和司乘人员座椅等结构的安全尤为重要，不同标准的司乘人员安全结构设计如表3所示.

表3 不同标准体系司乘人员安全设计

在车辆碰撞过程中，司机室骨架结构需要承受巨大的纵向、横向和垂向的承载而不发生大范围的撕裂和崩塌，允许有一定的结构屈服，可以缓解车辆冲击的加速度;在车辆碰撞过程中，需要保证司乘人员颅骨、颈部、胸部和腿部承载压力降低到最小;在车辆碰撞过程中，保证司乘人员的座椅有一定的碰撞动态缓冲能力和耐久性能，减少额外二次碰撞对人员的伤害［10］.

2.4 碰撞能量管理

碰撞能量管理(CEM)是为满足轨道交通车辆被动安全，减少设计周期而形成的能量分配计划.碰撞能量管理(CEM)需考虑整个车辆能量吸收性能的优化配比需求，目的是为了更好地管理碰撞过程中所需吸收的能量，可以通过车身结构的合理可控变形来吸收碰撞能量.通过CEM优化设计车体结构及吸能装置的布置，可以有效降低由于碰撞而导致的司乘人员生存空间被压溃及发生人员二次碰撞的风险［11-12］.

在碰撞过程中，最先触发的吸能部件是钩缓系统，紧接着车体防爬吸能装置和车体结构参与吸能并承受相应的冲击载荷，根据各标准有关车辆的分析，确定车辆设计的步骤，图3所示.

图3 被动安全管理设计步骤

2.5 中国动车组耐撞性要求

基于车体强度和耐撞性能要求，结合中国动车组的设计特点，国家铁路局联合中车集团和各大高校针对我国200 km/h及以上新型动车组，编制了专业的耐撞性要求和验证规范.制定了具有代表性的碰撞场景、耐撞性总体要求和试验验证等具体化分析方法，旨在通过更加高质量的数值模型和高精度的动态测试，从而量化、确定和解释动车组车辆的安全性和可靠性，设计准则具体详见表4.

表4 中国动车组耐撞性要求和验证规范(TB/T3500)

3 结论

(1)车辆被动安全的防护管理是指导列车车辆结构设计、仿真分析和保障司乘人员安全的指导方针，针对不同国家的车辆设计，需要遵从不同国家的被动安全防护标准，使得车辆的设计更加规范化和系统化;

(2)车辆碰撞能量的管理可以在宏观角度把控能量吸收过程，从而促进被动安全防护管理的实施;

(3)车体结构的设计、耐撞性仿真的分析以及司乘人员的安全的标准准则验证方法可以从微观上暴露车辆薄弱的结构，了解车辆的变形规律，从而进行优化处理，确保司乘人员的安全;

(4)基于列车车辆的结构设计过程和耐撞性能，同时结合国内动车组车辆的设计特色，我国动车组耐撞性能设计要求和规范总结了数值仿真和试验验证的有效方法，通过试验进行吸能元件的力学性能的校准，作为输入信息，编制碰撞仿真模型，通过仿真与试验的交互工作和反复验证，最终总结出列车级车辆耐撞性能的正确性和有效性.