淺析雙向氣液緩沖器對(duì)軌道車輛碰撞及救援的影響

張會(huì) 何華

摘要：隨著軌道交通的快速發(fā)展，以及人們對(duì)乘坐舒適性的更高要求，有很多業(yè)主開始選用帶有雙向氣液緩沖器的車鉤，雙向氣液緩沖器具有壓縮和拉伸兩個(gè)方向緩沖吸能的作用，可有效緩解車輛在連掛及緊急救援施加制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的沖擊力，進(jìn)而保護(hù)乘客安全。文章就雙向氣液緩沖器對(duì)車輛碰撞及救援的影響進(jìn)行分析，為緩沖吸能元件的選擇提供了參考。

關(guān)鍵詞：雙向氣液緩沖器;車鉤;碰撞;救援

中圖分類號(hào)：U463.33+5.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）06-0109-03

1? 傳統(tǒng)氣液緩沖器與雙向氣液緩沖器的功能原理及特性曲線

1.1 傳統(tǒng)氣液緩沖器的功能原理及特性曲線

傳統(tǒng)氣液緩沖器結(jié)構(gòu)如圖1，功能原理簡單介紹如下：當(dāng)壓縮力超過氣液緩沖器觸發(fā)力值時(shí)，柱塞被壓入缸體，第一液壓油腔中的液壓油經(jīng)過節(jié)流孔進(jìn)入第二液壓油腔，壓縮能量轉(zhuǎn)化為液壓油高速流動(dòng)產(chǎn)生的熱能。液壓油推動(dòng)活塞進(jìn)一步壓縮氣腔中的氣體，壓縮過程結(jié)束后活塞在壓縮氣體的反作用力下回到初始位置，推動(dòng)液壓油從第二液壓油腔經(jīng)節(jié)流孔流回第一液壓油腔，緩沖器恢復(fù)到初始位置。

1.2 雙向氣液緩沖器的功能原理及特性曲線

雙向氣液緩沖器的功能原理如圖2。（表1）

當(dāng)緩沖器受到壓縮時(shí)，b無桿腔液壓油受到擠壓，一路液壓油通過5節(jié)流孔流向a無桿腔，當(dāng)緩沖器持續(xù)受到壓縮時(shí)，無桿腔液壓油壓力增大，當(dāng)增大到一定壓力后，無桿腔液壓油一路從4單向閥和5節(jié)流孔流向a有桿腔，另一路液壓油經(jīng)過3可調(diào)節(jié)流孔、4增壓閥（壓力達(dá)到開啟壓力，即通常所說的初始觸發(fā)力）到達(dá)c儲(chǔ)油腔，c儲(chǔ)油腔的液壓油壓縮d氣腔的氮?dú)?，d氣腔預(yù)先充有一定壓力的氮?dú)?，最終通過能量的轉(zhuǎn)化（動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能）起到緩沖吸能的作用。

當(dāng)緩沖器受到壓縮后，在不受外部拉力的情況下，d氣腔中的氮?dú)馐沟胏儲(chǔ)油腔的液壓油通過1單向閥流回b無桿腔，進(jìn)而推動(dòng)油缸活塞向左移動(dòng)，a有桿腔里的液壓油經(jīng)過5節(jié)流孔流回b無桿腔，緩沖器恢復(fù)到初始位置。

當(dāng)緩沖器受到壓縮后，突然受到外部拉力的情況下，即通常所說的高加速轉(zhuǎn)緊急制動(dòng)情況下，由于外部拉力的作用，使得油缸活塞獲得快速向左移動(dòng)的趨勢(shì)，a有桿腔里的液壓油受到擠壓，通過5節(jié)流孔流回b無桿腔，由于節(jié)流孔的節(jié)流作用，使得油缸活塞移動(dòng)減慢，通過能量的轉(zhuǎn)化（動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能），起到緩沖吸能的效果。

傳統(tǒng)氣液緩沖器特性曲線如圖3（a）。

雙向氣液緩沖器特性曲線如圖3（b）。

與傳統(tǒng)氣液緩沖器特性曲線對(duì)比可知，雙向氣液緩沖器先受到壓縮再受到拉力時(shí)，會(huì)產(chǎn)生緩沖作用。

2? 碰撞仿真

以上海軌道交通某號(hào)線為例，A型車，6輛編組，編組形式：- TC * MP * M = M * MP * TC-車體剛度：頭車5.747e7Nm，中間車6.667e7Nm。（表2）

碰撞要求如下：

①車鉤及緩沖器系統(tǒng)可吸收速度為15km/h的列車（AW0）與制動(dòng)的列車（AW0）相撞時(shí)產(chǎn)生的沖擊能量，任何部件不能損壞。

②兩列AW0的列車（按EN15227的要求）在相對(duì)速度為15km/h到25km/h相撞時(shí)，列車兩端底架端部能量吸收裝置或結(jié)構(gòu)變形區(qū)吸收車鉤緩沖器無法吸收的剩余能量。由于第2條要求涉及壓潰管、防爬器及列車底架端吸能元件等，與文章中重點(diǎn)介紹的雙向氣液緩沖器關(guān)系較小，故該要求不作討論。

根據(jù)相關(guān)參數(shù)，在仿真軟件中建模，吸能裝置配置為全自動(dòng)車鉤為150mm雙向氣液緩沖器和橡膠球關(guān)節(jié)軸承，半自動(dòng)車鉤兩側(cè)均為100mm氣液緩沖器和橡膠球關(guān)節(jié)軸承，半永久車鉤一側(cè)為175mm雙向氣液緩沖器和橡膠球關(guān)節(jié)軸承，另一側(cè)為橡膠球關(guān)節(jié)軸承和壓潰管。

由于氣液緩沖器的吸能特性對(duì)車輛的重量及速度較為敏感，為獲得最優(yōu)的特性曲線，每個(gè)項(xiàng)目需根據(jù)仿真的碰撞力（壓力）對(duì)可調(diào)節(jié)流孔（孔與節(jié)油桿的間隙）進(jìn)行調(diào)整，可調(diào)節(jié)孔徑或節(jié)油桿桿徑，通常情況下，固定孔徑，調(diào)整軸徑的大小，然后進(jìn)行再次仿真，如此反復(fù)查看碰撞力，調(diào)整軸徑大小，以獲得較為平緩圓滿的特性曲線，盡可能使各界面的碰撞力減小，拉大與車鉤剪切力的差距，如此可保證車鉤在剪斷掉落前，各吸能元件能最大限度的進(jìn)行吸能。通過多次調(diào)整，第6界面碰撞力為991kN，與剪切力值1200kN有足夠安全余量，符合設(shè)計(jì)要求。

3? 緊急救援仿真

該項(xiàng)目緊急救援工況要求如下：

①1列AW0救援1列AW0，緊急牽引時(shí)突然實(shí)施緊急制動(dòng);救援列車緊急牽引模式（高加速模式）下牽引力310kN，緊急制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間為1.5s。

②1列AW0救援1列AW3，緊急牽引時(shí)突然實(shí)施緊急制動(dòng);救援列車緊急牽引模式（高加速模式）下牽引力310kN，緊急制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間為1.5s。

③1列AW0救援1列AW3，在38‰坡道緊急牽引時(shí)突然實(shí)施緊急制動(dòng);救援列車緊急牽引模式（高加速模式）下牽引力310kN，緊急制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間為1.5s。

④1列AW3救援1列AW3，緊急牽引時(shí)突然實(shí)施緊急制動(dòng);救援列車緊急牽引模式（高加速模式）下牽引力400kN，緊急制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間為1.5s。

緊急制動(dòng)力如表3。

牽引制動(dòng)轉(zhuǎn)換的情況下，通常會(huì)產(chǎn)生較大的車鉤拉力，首先牽引階段，列車各界面的車鉤緩沖器受到牽引力作用產(chǎn)生壓縮，車鉤儲(chǔ)存了由加速度產(chǎn)生的勢(shì)能，其后列車迅速進(jìn)入制動(dòng)階段，車鉤緩沖器上的勢(shì)能被釋放，在相鄰兩車輛之間產(chǎn)生相對(duì)速度，與制動(dòng)力共同作用下，車鉤產(chǎn)生的力會(huì)出現(xiàn)極大值。

根據(jù)客戶的描述，牽引力響應(yīng)時(shí)間及制動(dòng)力響應(yīng)時(shí)間曲線如圖4（a）。

通過仿真計(jì)算各工況最大拉力如下：

①339kN;②706.1kN;③823.3kN;④723.1kN。

小于車鉤及車體的許用強(qiáng)度850kN，理論上滿足設(shè)計(jì)要求。

4? 線路救援試驗(yàn)

為驗(yàn)證雙向氣液緩沖器的可靠性，除車鉤自身做了很多型式試驗(yàn)外，在業(yè)主、車輛廠及多方相關(guān)供應(yīng)商的配合下，以連掛端全自動(dòng)車鉤及相鄰半永久車鉤加裝測(cè)試管貼應(yīng)變片的方式在車輛段及部分正線進(jìn)行了模擬救援試驗(yàn)，由于線路時(shí)間的限制，未對(duì)AW0車救援AW0車進(jìn)行試驗(yàn)，僅對(duì)AW0救援AW3和AW3救援AW3部分工況進(jìn)行試驗(yàn)，由于實(shí)際采集的牽引制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間曲線與仿真輸入有誤差，以圖4（b）為例，以及裝載沙袋（模擬載荷）稱重時(shí)天氣潮濕，試驗(yàn)時(shí)由于水分的蒸發(fā)致使的重量誤差等因素使得試驗(yàn)結(jié)果力值小于仿真模擬數(shù)據(jù)，后根據(jù)實(shí)際采集的牽引制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間曲線，重新進(jìn)行模擬仿真，各工況下的試驗(yàn)最大拉力及重新模擬仿真的最大拉力見表4。

通過對(duì)比可知試驗(yàn)數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)差距減小，主要還是因?yàn)檩d荷、施加的牽引力、制動(dòng)力及響應(yīng)時(shí)間曲線與模擬仿真中輸入的存在或多或少的誤差。但該差距不否定雙向氣液緩沖器對(duì)救援過程中的車鉤拉力的改善作用。

5? 結(jié)論

通過模擬仿真以及線路上車輛的模擬救援，驗(yàn)證了雙向氣液緩沖器在提高最大可恢復(fù)速度的同時(shí)，可滿足緊急救援的需求，極大的提高了軌道車輛的舒適性及安全性。對(duì)以后車輛鉤緩系統(tǒng)的選型提供了選擇依據(jù)。

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