《交通运输科学技术新成果推广目录》（２０２０）—第四部分装备《高速列车被动安全系统关键技术及应用》

本期项目简介

完成单位: 中车青岛四方机车车辆股份有限公司、 中国国家铁路集团有限公司、 中南大学、西南交通大学、 中车研究院、 中车长春轨道客车股份有限公司、 中车唐山机车车辆有限公司

主要完成人: 王军、 丁叁叁、 李福、 田爱琴、 陈大伟、 田洪雷、 赵士忠、 李刚、 张志强、李宁、 许平、 阳光武、 车全伟、 于洋洋、 刘彬、王晖、 张永贵、 白夜、 田寅、 彭勇、 朱涛、 张义超、 齐洪峰、 李本怀、 高峰

项目简介

(一) 项目背景

2011 年 “7·23冶 事故以来, 高速列车被动安全受到业界高度关注, 提升高速列车被动安全性能, 解决车辆安全性和效能的矛盾是亟须攻克的技术难题。本项目从碰撞机理、 过程响应、 结构设计、 仿真优化、 试验验证等方面进行高速列车被动安全系统关键技术研究, 探明列车级碰撞保护性能有效性、 界面稳定性及碰撞全过程机理,提出高速列车耐撞性设计标准, 搭建我国高速列车被动安全技术设计及评估体系, 研制新型端部吸能系统, 以解决大长细比、 流线化细长头型高速列车碰撞被动安全工程化设计问题, 最大限度吸收列车碰撞时的冲击动能, 降低碰撞作用力,保护乘员安全。

(二) 技术概况

1. 主要内容

(1) 开展碰撞标准调研及既有高速列车碰撞响应特性研究, 梳理高速列车被动安全关键技术问题, 提出应对策略, 针对 “7·23冶 事故进行理论研究, 为耐冲击车体设计指明研究方向。

(2) 开展兼顾空气动力学、 结构轻量化技术要求的流线化细长头型高速列车前端碰撞被动保护系统研制, 实现 “结构承载+碰撞吸能+模块安装冶 的一体化设计, 通过仿真优化与 “材料-零件-部件整车-列车冶 试验验证进行评估。

(3) 提出高速列车耐撞性设计标准, 建立参数化驱动的三维可视列车车辆-轨道耦合多体碰撞仿真平台, 构建列车级碰撞试验评估系统, 搭建我国高速列车被动安全技术设计及评估体系, 促进我国高速列车被动安全装备产业化进程。

2. 研究成果

获得授权发明专利 25 项, 实用新型专利 5 项,发表论文 32 篇, 制定标准 5 项。其中, 《一种轨道车辆前端吸能装置》 获得第二十届中国专利金奖。

(三) 适用范围

截至 2020 年 12 月, 已经累计交付复兴号标准动车组 206 列。该被动安全防护系统以其良好的结构承载性、 耐撞性及稳定性, 有效提升了复兴号动车组的运营安全性能, 提升了中国高速列车国际竞争力, 具有广阔的应用前景。

项目创新点

(1) 提出了高速列车系统能量管理、 刚度梯度匹配、 包覆工况下吸能承载安装一体化的设计理念, 研制了具有梯级刚度匹配、 分级强导向、高效吸能结构、 模块化安装特点的自主原创高速列车端部吸能系统, 成功应用于 CR400AF 型动车组平台。

(2) 搭建被动安全性能试验验证平台, 完善高速列车被动安全性能评估体系。建设轨道车辆碰撞试验台, 最大碰撞能量 13MJ, 最大耐受冲击力 8000t, 控制精度依0郾 5km / h。完成时速 76 公里高速列车整车对撞试验。

(3) 研发了列车车辆—轨道耦合的三维多体碰撞仿真平台, 实现了计算模型参数化驱动、 高精度快速计算、 关键参数快速评估, 解决了求解效率与计算精度间矛盾的工程化设计需求。

(4) 高速动车组碰撞安全标准是根据发展我国动车组耐冲击吸能载人安全车体的需求制定的,此标准有利于保障行车安全, 为列车上的乘员提供被动安全保护, 以减轻列车碰撞事故造成的损失, 并具备多项创新点。

同类项目比较

(1) 项目研制的高速列车被动安全前端吸能系统结构界面接触稳定、 形变有序, 司机室和车体生存空间垂向/ 纵向变形量、 加速度、 抬升量等主要指标明显优于 EN15227 规定, 具体指标见表 1。

(2) 首创 “防撞吸能+结构承载+模块安装冶一体化整体式高速列车前端吸能系统, 适应头型长细比优于法国与德国。具体指标对比见表 2。

应用案例

截至 2020 年 12 月, 已经累计交付复兴号标准动车组 206 列。图 1 和图 2 为复兴号动车组配属部分铁路集团公司的情况。

社会效益与经济效益

(一) 经济效益

截至 2020 年 12 月, 已经累计交付动车组 206列, 被动安全防护系统新增销售额 5. 03 亿。已累计完成用于评估轨道车辆各零部件、 司机室及整车碰撞被动安全性能的试验委托 13 项,节省科研费用支出 1632. 5 万元。项目成果合计产生的综合经济效益共 5. 19 亿元, 共产生利润 5191. 42 万元; 新增税收 2076. 57万元。

(二) 社会效益

(1) 提高列车被动防护速度, 完善高铁研发平台与标准体系, 提升系统创新能力。

(2) 最大限度地吸收列车碰撞时冲击动能,降低碰撞作用力, 降低碰撞事故中的人员财产损失的风险。

(3) 项目取得的成果成功解决了我国高速列车核心关键技术难题, 实现产品升级。填补了我国在高速动车组耐撞性领域的研究空白, 占领高速列车的技术制高点, 开拓了国际市场。