撞擊擋車器工況的地鐵車鉤選型實例分析

闞 松，勾洪浩

(1.中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司 設計開發(fā)部，江蘇 南京 210031；2.中車青島四方車輛研究所有限公司 鉤緩事業(yè)本部，山東 青島 266031)

0 引言

車鉤系統(tǒng)是用以連掛車輛與車輛之間，使車輛之間保持一定距離，并傳遞牽引力、制動力等縱向載荷的裝置。車鉤系統(tǒng)可以有效提高列車運行過程中的平穩(wěn)性和舒適性，在列車以較高速度碰撞時可以保護乘客和車輛安全[1]。

擋車器系統(tǒng)是安裝于鐵路線路終端、防止車輛越過線路終端的安全防護設備。它通過緩沖器、摩擦塊等部件，將車輛的動能轉化為壓力能和熱能儲存和消耗掉，使得溜逸車輛停止。

隨著國內各大城市地鐵的陸續(xù)開通，由于車輛故障或操作失誤導致的車輛撞擊擋車器的事故時有發(fā)生，甚至導致車體結構嚴重受損。因此，地鐵列車及線路終端的被動防護吸能功能日益得到重視[2]。

1 車鉤系統(tǒng)主體結構

地鐵車輛的車鉤系統(tǒng)一般分為全自動車鉤(通常用于列車頭部)、半自動車鉤(通常用于列車頭部或半車單元之間)和半永久車鉤(通常用于中間車輛之間，特別是半車單元內部)。全自動車鉤可完成電氣、機械、氣路的自動連掛和解鉤，并可進行人工解鉤；半自動車鉤可以實現(xiàn)機械和氣路的自動連掛，但電氣的連掛和解鉤需要通過人工操作來完成；半永久車鉤的機械、氣路、電氣的連掛和解鉤都需要人工操作來完成。

車鉤系統(tǒng)中用于緩沖的裝置通常有氣液緩沖器、彈性膠泥緩沖器、EFG緩沖器等，不可恢復的能量吸收裝置一般采用壓潰管裝置。

2 擋車器系統(tǒng)主體結構

液壓緩沖滑動式擋車器是帶有液壓緩沖器并可以整體滑動，利用摩擦吸能的一種擋車器，將失控列車的大部分動能轉化為壓力能及熱能，從而使列車快速、安全地停車。擋車器系統(tǒng)主要由緩沖頭、液壓緩沖器、主體支架、制動摩擦裝置等部分組成[3]。

3 車輛、車鉤及擋車器參數(shù)分析

地鐵列車之間碰撞吸能的實例有諸多文獻介紹，但對于列車撞擊擋車器的吸能工況的分析實例較少，現(xiàn)列出車輛、車鉤及擋車器相關參數(shù)，便于后續(xù)計算工作的開展。圖1為地鐵列車撞擊擋車器工況示意圖。

圖1 地鐵列車撞擊擋車器工況示意圖

某地鐵車輛為6輛編組的B2型車輛，編組方式為：=Tc-Mp-M+M-Mp-Tc=。其中:“=”為全自動車鉤；“-”為半永久車鉤；“+”為半自動車鉤；“Tc”為帶司機室的拖車，車重33 t；“Mp”為帶受電弓的動車，車重35 t；“M”為不帶受電弓的動車，車重35 t。

為兼顧列車間低速連掛和高速碰撞的性能需要，車鉤的緩沖系統(tǒng)選用目前城軌車輛中應用比較廣泛的彈性膠泥緩沖器。

《GB 50157地鐵設計規(guī)范》中規(guī)定了擋車器應能承受列車以15 km/h和25 km/h速度撞擊的沖擊荷載[4]，由于速度要求較高，因此，選用了表1所示的兩種擋車器，吸能容量較大。

4 撞擊擋車器工況的仿真計算

按照列車縱向動力學理論，計算整個撞擊過程的車鉤力、時間、位移參數(shù)，研究兩種工況下車鉤系統(tǒng)的受力情況和能量吸收情況[5]。列車斷面編號如圖2所示。

4.1 列車以15 km/h速度撞擊滑動摩擦式擋車器

該碰撞速度情況下，可優(yōu)先采用滑動摩擦式擋車器，擋車器自重360 kg，滑動摩擦力300 kN，初始力330 kN。對沖擊過程進行仿真計算，車輛各斷面車鉤力的時間歷程如圖3所示，緩沖裝置吸能情況如表2所示，緩沖裝置擋車器的位移-時間曲線如圖4所示。

表1 擋車器性能參數(shù)

圖2 列車斷面編號示意圖

圖3 速度為15 km/h時車輛各斷面車鉤力的時間歷程

斷面編號123456最大車鉤力(kN)164278310314321515緩沖器行程(mm)10.520.825.025.626.645.2壓潰管位移(mm)000000吸收能量(kJ)0.72.43.23.53.810.0

圖4 速度為15 km/h時擋車器位移-時間曲線

由圖3可見：在15 km/h速度下的碰撞開始后第4 s左右，車輛和擋車器共同組成的系統(tǒng)達到了穩(wěn)定狀態(tài)，碰撞結束；最大車鉤力出現(xiàn)在第6斷面，即車輛與擋車器直接接觸的斷面，該斷面的最大壓縮力值為515 kN，低于車體所能承受的最大壓縮載荷900 kN，也未達到壓潰管的觸發(fā)力值850 kN，因此，車輛未損壞，壓潰管未觸發(fā)，車鉤未損壞。

第6斷面的受力情況也反映了擋車器端部的受力情況，即擋車器所受最大壓縮力為515 kN。由圖4可見，擋車器滑移距離為5.9 m，考慮碰撞過程中影響因素的復雜性，建議預留滑移距離大于9 m。

4.2 列車以25 km/h速度撞擊液壓緩沖滑動摩擦式擋車器

在碰撞速度較高的情況下，可采用液壓緩沖滑動摩擦式擋車器，擋車器自重1 000 kg，緩沖器阻抗力300 kN，緩沖器有效行程850 mm，滑動摩擦力300 kN，初始力330 kN。對沖擊過程進行仿真計算，車輛各斷面車鉤力的時間歷程如圖5所示，緩沖裝置吸能情況如表3所示，擋車器的位移-時間曲線如圖6所示。

圖5 速度為25 km/h時車輛各斷面車鉤力的時間歷程

斷面編號123456最大車鉤力(kN)167306439467482850緩沖器行程(mm)10.724.542.548.351.455壓潰管位移(mm)0000046.5吸收能量(kJ)1.13.48.610.411.9313.3

圖6 速度為25 km/h時擋車器位移-時間曲線

由圖5可見：在25 km/h速度下的碰撞開始后第6 s左右，車輛和擋車器共同組成的系統(tǒng)達到了穩(wěn)定狀態(tài)，碰撞結束；最大車鉤力仍然出現(xiàn)在第6斷面，該斷面的最大壓縮力值為850 kN，低于車體所能承受的最大壓縮載荷，但是已經達到壓潰管的觸發(fā)力值，壓潰管被觸發(fā)，但是由于壓潰管的穩(wěn)態(tài)力參與吸能，壓縮力值不再進一步上升，壓潰管行程為46.5 mm。此次碰撞導致了壓潰管的觸發(fā)，因此需更換壓潰管。

第6斷面的最大壓縮力值為850 kN，即擋車器所受最大壓縮力為850 kN。由圖6可見，擋車器滑移距離為10.3 m，考慮到高速碰撞過程中影響因素的復雜性，建議預留滑移距離大于16 m。

5 結束語

車鉤系統(tǒng)的緩沖吸能性能是列車的一項重要指標，上述所列的地鐵列車車鉤選型實例，在滿足列車之間高低速碰撞及舒適性指標的同時，兼顧了與擋車器碰撞的工況要求。

列車以15 km/h速度撞擊擋車器工況下，可采用滑動摩擦式擋車器，車鉤系統(tǒng)的緩沖器及擋車器可以吸收全部能量，并且不會導致車鉤、車體和擋車器的損壞，擋車器滑移距離為5.9 m，建議預留滑移距離大于9 m。

列車以25 km/h速度撞擊擋車器工況下，可采用液壓緩沖滑動摩擦式擋車器，車鉤系統(tǒng)的緩沖器及擋車器無法吸收全部能量，會導致壓潰管觸發(fā)，需要更換壓潰管，車體和擋車器未損壞，擋車器滑移距離為10.3 m，建議預留滑移距離大于16 m。

鑒于列車撞擊擋車器工況的復雜性，可能存在部分考慮不周全的因素，后續(xù)將對其進行進一步探討和研究。