軌道車輛能量吸收系統(tǒng)

■ 陳云

陳云：福伊特驅(qū)動技術系統(tǒng)（上海）有限公司，項目工程師，上海，201108

基于多年在車鉤領域中對能量吸收特點的研究，福伊特驅(qū)動努力發(fā)展車輛前部撞擊部件和其他能量吸收裝置。通過建立完整的包括車鉤、撞擊組件、前部罩板、控制系統(tǒng)和運動部件在內(nèi)的前端模塊，福伊特驅(qū)動的夏芬博格（Scharfenberg）能量管理系統(tǒng)可以滿足軌道車輛完整的前端概念需求，并承擔建設整個系統(tǒng)的責任。福伊特驅(qū)動在設計復雜的車鉤系統(tǒng)中積累了深厚的專業(yè)知識，成為可為軌道車輛提供前端系統(tǒng)和能量吸收裝置系統(tǒng)供應商。

1 當前軌道車輛對能量吸收系統(tǒng)的要求

諸如ICE列車碰撞和德國高速鐵路災難事件等一系列事故，日漸將撞車問題帶到了公眾關注的中心。為減少撞車意外的影響，多種相關文件和標準提出了更多關于軌道車輛被動安全性的嚴厲要求。由于現(xiàn)代車鉤系統(tǒng)和前端模塊的復雜性，以下只對最必要的功能和要求做出說明。撞擊性標準為歐洲標準DIN EN 15227：2008中“軌道車輛車體撞擊性要求”；列車系統(tǒng)的兼容性要求為TSI 2008中“對于歐洲高速鐵路系統(tǒng)的車輛子系統(tǒng)兼容性的技術細則”。上述標準對下列目標做出闡述：

（1）減小撞擊車輛爬升到另一車輛上的風險；

（2）減小出軌的風險；

（3）防止障礙物的干擾；

（4）對撞擊能量的控制性吸收；

（5）列車司機逃生空間的保護；

（6）減速度的限制。

不同的碰撞情景發(fā)生在不同的沖擊水平面上，因而每個水平面都有相對應的具體要求。垂直方向上車頭可以被分為不同的沖擊區(qū)域，用不同的方式吸收能量或者保證司機的逃生空間。DIN EN 15227中描述的軌道車輛被動安全性要求見圖1。其中對于減速度的限制方面，情景1和情景2中最高值為5 g ，情景3中最高值為7.5 g。

2 高速鐵路Scharfenberg能量管理系統(tǒng)實例

2.1 在歐洲高鐵列車中的應用

高速鐵路對空氣動力的性能、功能性和能量吸收的要求特別高。福伊特驅(qū)動為西班牙的Talgo 250高鐵列車制造了包括司機室頂板在內(nèi)的完整的前端系統(tǒng)。

圖1 DIN EN 15227對軌道車輛的被動安全性要求

對組件正確合理的使用，可以消除在車頭部分安裝更多能量吸收組件的需要。根據(jù)這個理念，列車符合DIN EN 15227中關于情景1和情景2的安全要求（情景3在2005年項目進行時還未做具體要求）。能量吸收的4個階段見圖2。

沖擊能量分別在4個階段中得到吸收：

（1）第一階段（可逆）：車鉤軸承座中的橡膠吸能元件。能量吸收：大約7 kJ（拉伸方向）/17 kJ（壓縮方向）；

（2）第二階段（不可逆）：車鉤鉤身壓饋管。能量吸收：大約200 kJ；

（3）第三階段（不可逆）：車鉤軸承座和橫梁之間的壓饋管。能量吸收：大約800 kJ；

（4）第四階段（不可逆）：在橫梁和車身之間兩個側(cè)面碰撞吸能盒。能量吸收：大約900 kJ。

所有階段加在一起，提供了將近2 MJ的能量吸收能力，變形行程不超過1 000 mm。

2.2 在亞洲高鐵列車中的應用

Scharfenberg能量管理系統(tǒng)為韓國HEMU-400X新型高速列車設計了符合EN 15227標準中對情景1、2和4要求的能量吸收系統(tǒng)（見圖3）。此能量吸收系統(tǒng)安裝在構(gòu)架上，而構(gòu)架安裝在車身上。此系統(tǒng)包括：AAR型車鉤頭式 Scharfenberg車鉤（可更換為Scharfenberg 10型車鉤頭）、氣液緩沖器和壓饋管；標準護軌裝置；另外2個壓饋管。這種方法大約可吸收1.5 MJ的沖擊能量，將變形行程控制在800 mm以內(nèi)。

撞擊能量分別在3個階段中得到吸收（見圖4）：

（1）第一階段（可逆）：車鉤鉤身中的氣液緩沖器。能量吸收：大約7.5 kJ（拉伸方向）/180 kJ（壓縮方向）；

（2）第二階段（不可逆）：車鉤鉤身中軸承座后的壓饋管。能量吸收：大約1 170 kJ；

（3）第三階段（不可逆）；固定在車鉤之上的撞擊保護組件。能量吸收：大約170 kJ。

3 車鉤系統(tǒng)對軌道車輛中能量吸收的重要性

近年來，福伊特驅(qū)動特別關注中國CRH1和CRH3系列高鐵列車，并提供了多套前端系統(tǒng)，包括前罩板、運動部件和完整的擁有自動車鉤、中間車鉤和過渡車鉤的車鉤系統(tǒng)（見圖5）。

圖2 Talgo 250高鐵列車能量吸收階段

圖3 HEMU-400X高鐵列車能量吸收系統(tǒng)

圖4 HEMU-400X高鐵列車能量吸收階段示意圖

圖5 Scharfenberg車鉤系統(tǒng)在中國高鐵列車中的應用

車鉤同緩沖器一起被安裝在軌道車輛內(nèi)的主要沖擊平面上。自動前端車鉤可以輔助吸收撞擊中的大量沖擊能量。實現(xiàn)此目的的典型能量吸收部件有壓饋管、緩沖器或用于普通連掛操作的橡膠彈性組件。軌道車輛車廂之間的恰當連接（半永久性車鉤或有能量吸收特性的鉸接接頭）可輔助緩解作用在軌道車輛前部的壓力，為軌道車輛碰撞提供可控性。另外，半永久性車鉤可以將撞擊車輛爬升到另一車輛上的風險降至最低（見圖6）。

半永久性車鉤提供的防爬保護功能可以在能量傳送的開始就輕松起效，并保持連在一起的車廂處于同一平面上。與傳統(tǒng)解決方案相比，它的優(yōu)點是提供了一個外部的防爬保護。

由車輛撞擊引起的縱向壓縮力通過止擋板轉(zhuǎn)化為力矩，側(cè)向力可阻止兩車之間出現(xiàn)更大的垂直偏移（見圖7）。更多的能量吸收原件，如壓饋管或緩沖器，確?？煽氐淖矒裟芰课眨薅溯d荷級別并緩解了施加在車輛前部的載荷。

4 輕型設計中的完整撞擊結(jié)構(gòu)概念

目前，現(xiàn)代撞擊結(jié)構(gòu)的發(fā)展追求雙重目標，在使用輕型原件的同時，依舊可以滿足必要的撞擊安全要求，已逐漸取代傳統(tǒng)的撞擊結(jié)構(gòu)。圖8、圖9展示了一個帶有完整撞擊結(jié)構(gòu)的Scharfenberg前端模塊示意圖。

Scharfenberg前端模塊中的能量吸收元件除了可逆的緩沖器和牽引裝置，車鉤還具有完整、不可逆和多階段能量吸收元件，可以靈活地應用在不同級別的車輛上。對于具有2 000 kN車身強度的車輛，最多可以吸收1.5 MJ的撞擊能量。在此應用了DIN EN 15227標準設定的情景1中車鉤的撞擊特性。碰撞吸能盒分別安裝在兩側(cè)，也可作為防爬器。作為情景1—情景3的主要能量吸收元件，碰撞吸能盒能夠吸收大約1 MJ的變形能量，同時產(chǎn)生大約200 kN的防爬阻力。

圖6 裝有防爬元件的一部分半永久性車鉤

圖7 整合在半永久性車鉤中的防爬保護

圖8 前端模塊

圖9 撞擊結(jié)構(gòu)

總之，這種整體輕型設計結(jié)構(gòu)符合撞擊安全標準，并通過使用諸如碳纖維和玻璃鋼等輕型材料，也可滿足車輛對減輕重量、節(jié)能低碳的要求。