多級(jí)滑動(dòng)摩擦式列車(chē)擋車(chē)器設(shè)計(jì)與碰撞過(guò)程動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析

肖皓 ，魯寨軍 ，鐘睦 ，范登科

(1.軌道交通安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410075；2.軌道交通安全技術(shù)國(guó)際合作聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410075；3.軌道交通列車(chē)安全保障技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心，湖南 長(zhǎng)沙 410075)

擋車(chē)器是位于軌道安全線末端的防護(hù)設(shè)備，其主要功能是避免列車(chē)意外失控時(shí)沖出線路，防止人員傷害及車(chē)輛和其他設(shè)備損壞，確保運(yùn)營(yíng)安全[1?2]。隨著我國(guó)軌道交通的迅猛發(fā)展，現(xiàn)有17節(jié)編組列車(chē)在進(jìn)行調(diào)度時(shí)，由于列車(chē)編組數(shù)量增加，對(duì)擋車(chē)器吸能量提出了更大的考驗(yàn)，而既有擋車(chē)器的安裝空間和預(yù)留滑動(dòng)距離卻難以改變，無(wú)法滿足長(zhǎng)編組列車(chē)的擋車(chē)需求。目前對(duì)擋車(chē)器研究較多的為滑動(dòng)式擋車(chē)器和液壓滑動(dòng)式擋車(chē)器?；瑒?dòng)式擋車(chē)器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于安裝和維護(hù)，成本低等優(yōu)點(diǎn)[3]。液壓滑動(dòng)式擋車(chē)器具有縮短線路的占有距離、吸能容量高、便于安裝和復(fù)位等優(yōu)點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)于滑動(dòng)式擋車(chē)器和液壓滑動(dòng)式擋車(chē)器進(jìn)行了研究。劉爽等[3]對(duì)滑動(dòng)式擋車(chē)器的制動(dòng)距離和阻尼器的優(yōu)化布置進(jìn)行了研究，研究表明采用累計(jì)間距法合理布置阻尼器能使阻尼力波動(dòng)平緩，符合實(shí)際工程需求。徐永建[4]對(duì)于擋車(chē)器緩沖方案進(jìn)行研究分析，對(duì)比分析了液壓阻尼和氣體阻尼擋車(chē)器的緩沖方案。秦艷[5]實(shí)例分析了深圳地鐵1號(hào)線擋車(chē)器的更新改造，突出隧道空間狹窄是擋車(chē)器改造難點(diǎn)。徐正和[6]提出在地下鐵路擋車(chē)器上，用液壓緩沖擋車(chē)器取代滑動(dòng)式摩擦擋車(chē)器，這樣能減小設(shè)備占用線路長(zhǎng)度，節(jié)約地鐵造價(jià)。孫雪松[7]對(duì)高速跌路安全線擋車(chē)器設(shè)備進(jìn)行了分析研究，并針對(duì)高速列車(chē)的不同工況配備了不同類型的擋車(chē)器。韓鵬賢[8]基于在線路中段阻斷軌道線路的需求，設(shè)計(jì)了一種開(kāi)啟式液壓緩沖擋車(chē)器，為軌道交通的安全運(yùn)營(yíng)提供了一種新型擋車(chē)設(shè)備。王會(huì)發(fā)等[9]針對(duì)地鐵車(chē)輛鉤緩裝置的吸能情況，對(duì)擋車(chē)器的設(shè)置提出了合理化建議，并分析對(duì)比了2種擋車(chē)器的吸能情況，研究表明帶能量吸收的擋車(chē)器能有效提高對(duì)列車(chē)的保護(hù)功能。蔣志華[10]對(duì)于鐵路安全線與擋車(chē)器的匹配進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究，研究表明安全線應(yīng)設(shè)計(jì)為直線型，避免采取曲線型；縱斷面應(yīng)采用整坡，避免設(shè)置變坡點(diǎn)。闞松等[11]基于某種地鐵車(chē)輛實(shí)例進(jìn)行分析，對(duì)于線路末端擋車(chē)器的預(yù)留安裝長(zhǎng)度提出了合理化建議。AHN等[12]提出一種采用漸進(jìn)壓縮金屬條替代滑動(dòng)摩擦式擋車(chē)器的新理念，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到驗(yàn)證。GUZIUR等[13?14]分析了設(shè)計(jì)擋車(chē)器的原因以及可能導(dǎo)致列車(chē)脫軌的原因，對(duì)滑動(dòng)式擋車(chē)器的參數(shù)進(jìn)行研究，得出制動(dòng)距離、動(dòng)能和制動(dòng)力之間的關(guān)系。GRABNER等[15]運(yùn)用多體動(dòng)力學(xué)模型研究了列車(chē)碰撞擋車(chē)器的響應(yīng)特性，研究表明擋車(chē)器受到的最大載荷與列車(chē)編組無(wú)關(guān)?；瑒?dòng)式擋車(chē)器和液壓滑動(dòng)式擋車(chē)器受限于運(yùn)用條件影響，當(dāng)列車(chē)編組增加或者線路長(zhǎng)度變短時(shí)，二者不能充分滿足列車(chē)的止擋需求。長(zhǎng)編組列車(chē)進(jìn)行止擋時(shí)，由于場(chǎng)地的安裝空間受限，既有的滑動(dòng)式擋車(chē)器和液壓滑動(dòng)式擋車(chē)器均不能很好地滿足需求。因?yàn)橹苿?dòng)載荷受限于列車(chē)車(chē)鉤緩沖裝置的承載能力，要使擋車(chē)器的吸能能力提升，必須增加吸能行程?，F(xiàn)有的滑動(dòng)式擋車(chē)器和液壓滑動(dòng)式擋車(chē)器的吸能行程一定小于裝置后剩余線路長(zhǎng)度與液壓頭可壓縮距離，要進(jìn)一步增加吸能行程會(huì)導(dǎo)致軌道安全線的延長(zhǎng)，進(jìn)而增加土建工程投資。同時(shí)，現(xiàn)在隨著列車(chē)編組數(shù)量和調(diào)車(chē)速度的增加，對(duì)擋車(chē)器吸能量提出了更高的要求。本文設(shè)計(jì)的二級(jí)滑動(dòng)摩擦式擋車(chē)器能減小列車(chē)車(chē)鉤力，充分利用車(chē)鉤前伸的空間以延長(zhǎng)擋車(chē)器的摩擦吸能距離[16]。

1 二級(jí)滑動(dòng)摩擦式擋車(chē)器設(shè)計(jì)方案及工作原理

1.1 二級(jí)滑動(dòng)摩擦式擋車(chē)器設(shè)計(jì)方案

由于既有擋車(chē)器在列車(chē)編組車(chē)輛數(shù)增加而擋車(chē)器滑動(dòng)距離一定的情況下，難以滿足吸能需求。因此，新設(shè)計(jì)的二級(jí)滑動(dòng)摩擦式擋車(chē)器，在擋車(chē)器安裝和預(yù)留滑動(dòng)距離一定的情況下，通過(guò)相對(duì)滑動(dòng)延長(zhǎng)擋車(chē)器的滑動(dòng)距離，以滿足對(duì)擋車(chē)器更高吸能的需求。圖1為二級(jí)滑動(dòng)摩擦式擋車(chē)器示意圖。區(qū)別于既有滑動(dòng)式擋車(chē)器的一體式構(gòu)造，二級(jí)滑動(dòng)摩擦式擋車(chē)器由擋車(chē)器上部和擋車(chē)器下部2個(gè)部分組成，擋車(chē)器上部長(zhǎng)度為L(zhǎng)1，擋車(chē)器下部長(zhǎng)度為L(zhǎng)2。由于擋車(chē)器在運(yùn)行時(shí)與軌道之間存在傾覆力矩，為確保擋車(chē)器不破壞軌道，所以擋車(chē)器自身長(zhǎng)度需合理取值。二級(jí)滑動(dòng)摩擦式擋車(chē)器的下部長(zhǎng)度設(shè)計(jì)也應(yīng)滿足軌道強(qiáng)度要求，其長(zhǎng)度與既有滑動(dòng)式擋車(chē)器相當(dāng)；但由于二級(jí)滑動(dòng)摩擦式擋車(chē)器上部受到傾覆力矩小，擋車(chē)器上部長(zhǎng)度可適當(dāng)減小，因此擋車(chē)器上部長(zhǎng)度L1可小于擋車(chē)器下部長(zhǎng)度L2。擋車(chē)器上部和擋車(chē)器下部之間安裝有滑動(dòng)摩擦制動(dòng)模塊I，擋車(chē)器下部與地面之間安裝有滑動(dòng)制動(dòng)模塊II。將擋車(chē)器上部與擋車(chē)器下部之間的摩擦副稱為第1級(jí)摩擦副，擋車(chē)器下部與地面之間的摩擦副稱為第2級(jí)摩擦副。第1級(jí)摩擦副的定義為擋車(chē)器上部與擋車(chē)器下部之間的正壓力乘上其二者之間的摩擦因數(shù)。第2級(jí)摩擦副的定義為擋車(chē)器下部與軌道之間的正壓力乘上二者之間的摩擦因數(shù)。

圖1 地鐵列車(chē)撞擊擋車(chē)器工況示意圖Fig.1 Schematic diagram of subway train impact stopper

當(dāng)對(duì)地鐵列車(chē)進(jìn)行止擋時(shí)，列車(chē)整體不允許超過(guò)線路末端，擋車(chē)器允許滑動(dòng)最大距離為S。如圖1所示，設(shè)計(jì)擋車(chē)器上部與車(chē)鉤直接進(jìn)行沖擊，設(shè)計(jì)擋車(chē)器下部高度Hd高于裙板到軌面的高度Hc，為減小擋車(chē)器上部的傾覆力矩，降低列車(chē)沖擊載荷，兩級(jí)摩擦副摩擦力均為可調(diào)節(jié)式，匹配列車(chē)參數(shù)，合理分配擋車(chē)器上部和下部質(zhì)量，充分利用車(chē)輪至列車(chē)端部車(chē)鉤之間的距離L3，使擋車(chē)器上部和下部之間的相對(duì)滑動(dòng)距離ΔL達(dá)到最佳長(zhǎng)度，以達(dá)到最好的止擋效果。

當(dāng)擋車(chē)器對(duì)于庫(kù)內(nèi)列車(chē)進(jìn)行止擋時(shí)，列車(chē)端部可往前伸一段距離但要確保列車(chē)不能脫軌，設(shè)計(jì)擋車(chē)器下部高度Hd低于裙板到軌面的高度Hc，這樣可充分利用頭車(chē)車(chē)輪至車(chē)鉤之間的距離L3，通過(guò)合理的調(diào)節(jié)兩級(jí)摩擦副摩擦及擋車(chē)器上部和擋車(chē)器下部的質(zhì)量，達(dá)到最佳止擋效果。

1.2 二級(jí)滑動(dòng)摩擦式擋車(chē)器工作原理

如圖1所示，二級(jí)滑動(dòng)摩擦式擋車(chē)器的工作過(guò)程分為2個(gè)部分：

1) 二級(jí)滑動(dòng)摩擦式擋車(chē)器受到列車(chē)沖擊時(shí)，擋車(chē)器上部與車(chē)鉤接觸，擋車(chē)器上部迅速由靜止加速到與列車(chē)端部車(chē)鉤同速，并相對(duì)于擋車(chē)器下部滑動(dòng)摩擦吸能；當(dāng)?shù)?級(jí)摩擦副的摩擦力大于第2級(jí)摩擦副的摩擦力時(shí)，擋車(chē)器下部也開(kāi)始由靜止到運(yùn)動(dòng)，擋車(chē)器下部相對(duì)地面軌道滑動(dòng)摩擦吸能。

2) 擋車(chē)器上部與車(chē)鉤同速后，在第1級(jí)摩擦副的摩擦力作用下作減速運(yùn)動(dòng)，擋車(chē)器下部做加速運(yùn)動(dòng)，直到擋車(chē)器上部和擋車(chē)器下部達(dá)到相同速度，此時(shí)擋車(chē)器上部和擋車(chē)器下部之間無(wú)相對(duì)滑動(dòng)，第1級(jí)摩擦副不再做功，列車(chē)和擋車(chē)器在第2級(jí)摩擦副的作用下摩擦吸能，耗散動(dòng)能，直至制動(dòng)完成。

2 二級(jí)滑動(dòng)摩擦式擋車(chē)器數(shù)值模擬

2.1 列車(chē)編組

以地鐵列車(chē)B2型6節(jié)車(chē)輛編組[17]為例，其編組方式為：+Tc*Mp*M=M*Mp*Tc+。

其中，“Tc”為兩端的司機(jī)室，質(zhì)量為33 t ；“Mp”為中間帶電弓的動(dòng)車(chē)，質(zhì)量為35 t ；“M”為不帶電弓的動(dòng)車(chē)，質(zhì)量為35 t；其中“+”為全自動(dòng)車(chē)鉤，“*”為半永久牽引桿，“=”為半自動(dòng)車(chē)鉤。

2.2 二級(jí)滑動(dòng)摩擦式擋車(chē)器設(shè)計(jì)參數(shù)

目前使用最多的滑動(dòng)式擋車(chē)器質(zhì)量為1.3 t，平均摩擦力為300 kN。為進(jìn)一步對(duì)比既有的滑動(dòng)式擋車(chē)器和本文設(shè)計(jì)的二級(jí)滑動(dòng)摩擦式擋車(chē)器的響應(yīng)特性，將二級(jí)滑動(dòng)摩擦式擋車(chē)器的總重量和與地面之間的摩擦力，跟既有的常規(guī)滑動(dòng)式擋車(chē)器參數(shù)設(shè)置相同。

2.3 車(chē)鉤鉤緩裝置建模

地鐵車(chē)鉤緩沖裝置一般是由車(chē)鉤、緩沖裝置、連掛裝置和剪切裝置等幾部分組成。鉤緩裝置的主要作用是實(shí)現(xiàn)車(chē)輛之間的連掛、力的傳遞，并使車(chē)輛之間保持一定的距離和吸收能量等作用[1]。

該編組車(chē)輛的不同類型的車(chē)鉤配置如表2所示。

表1 二級(jí)滑動(dòng)摩擦式擋車(chē)器參數(shù)Table 1 Parameters of two-stage sliding friction car stop

表2 車(chē)輛車(chē)鉤配置Table 2 Vehicle coupler configuration table

EFG3型緩沖器具體參數(shù)為：最大壓縮行程55 mm，最大拉伸行程40 mm，最大壓縮570 kN，最大拉伸力320 kN。壓潰管的穩(wěn)態(tài)載荷720 kN。

在鉤緩裝置中，緩沖器和壓潰管是縱向串聯(lián)使用的，由于各緩沖器的特征曲線相同，則中間車(chē)輛的2個(gè)緩沖器聯(lián)合一起設(shè)置力元，沖擊力不變，行程為原來(lái)的2倍。采用SIMPACK中的105號(hào)力元的加載、卸載曲線將緩沖器和壓潰管的力?位移曲線耦合在一起，來(lái)模擬緩沖器和壓潰管的加載和卸載特性，以簡(jiǎn)化模型，提高運(yùn)算效率[18]。

對(duì)于3種不同類型的車(chē)鉤，采用SIMPACK的105號(hào)力元構(gòu)建3種不同的加載卸載曲線，如圖1所示，第1界面為全自動(dòng)車(chē)鉤，第4界面為半自動(dòng)車(chē)鉤，第2，3，5，6界面為半永久牽引桿。

圖2 列車(chē)界面編號(hào)示意Fig.2 Schematic diagram of train interface number

2.4 模型驗(yàn)證

模擬單節(jié)車(chē)以3 km/h的速度撞擊另一輛等質(zhì)量的靜止車(chē)輛，以驗(yàn)證車(chē)鉤參數(shù)設(shè)置的合理性。

圖3(a)為兩列車(chē)之間車(chē)鉤力時(shí)間曲線，(b)為列車(chē)動(dòng)能時(shí)間曲線。從圖中可知，緩沖器阻抗力在達(dá)到最大值314 kN后迅速下降，然后逐步減小。撞擊前系統(tǒng)的總動(dòng)能為10.42 kJ，碰撞后系統(tǒng)的總動(dòng)能為6.96 kJ，整個(gè)撞擊過(guò)程中動(dòng)能變化量為3.46 kJ。緩沖器壓縮行程為39.3 mm，力位移曲線積分為3.52 kJ，吸能與動(dòng)能變化誤差為1.7%。驗(yàn)證了模型能很好地表征所配置的鉤緩裝置的力學(xué)特性。

圖3 車(chē)輛撞擊計(jì)算結(jié)果示意圖Fig.3 Schematic representation of calculation results of vehicle impact

3 撞擊工況下列車(chē)/二級(jí)滑動(dòng)摩擦式擋車(chē)器動(dòng)力學(xué)響應(yīng)分析

根據(jù)《GB5015地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》中要求擋車(chē)器應(yīng)能承受列車(chē)以15 km/h撞擊，因此設(shè)計(jì)碰撞工況為15 km/h，要求列車(chē)動(dòng)量全被各級(jí)緩沖器和擋車(chē)器吸收，壓潰管不發(fā)生變形，車(chē)體結(jié)構(gòu)不發(fā)生塑性變形。

3.1 列車(chē)車(chē)鉤力響應(yīng)

各界面的車(chē)鉤力時(shí)間曲線如圖4所示，圖4(a)為采用既有滑動(dòng)摩擦式擋車(chē)器的車(chē)鉤力響應(yīng)曲線，圖4(b)為采用本文設(shè)計(jì)的二級(jí)滑動(dòng)摩擦式擋車(chē)器的車(chē)鉤力響應(yīng)曲線。由表3可知，第一界面為列車(chē)車(chē)鉤力最大界面，其中既有的滑動(dòng)摩擦式擋車(chē)器第1界面最大車(chē)鉤力為720 kN，高于緩沖器所能承受的最大壓縮力570 kN，壓潰管壓潰位移為20.1 mm，緩沖器被破壞，壓潰管開(kāi)始觸發(fā)，車(chē)鉤力穩(wěn)定在壓潰管的壓潰載荷720 kN。而本文設(shè)計(jì)的二級(jí)滑動(dòng)摩擦式擋車(chē)器第1界面的最大車(chē)鉤力為554 kN，小于緩沖器所能承受的最大壓縮力570 kN，緩沖器未被破壞，壓潰管位移為0。采用二級(jí)滑動(dòng)摩擦式擋車(chē)器較既有的滑動(dòng)式擋車(chē)器而言，能有效降低第1界面的最大車(chē)鉤力，第1界面車(chē)鉤力降低了23%，而其他界面這2種擋車(chē)器的最大車(chē)鉤力基本變化不大。

圖4 速度為15 km/h時(shí)車(chē)輛各界面車(chē)鉤力的時(shí)間歷程Fig.4 Time history of the coupler force on each interface of the vehicle at a speed of 15 km/h

表3 速度為15 km/h時(shí)車(chē)輛各界面參數(shù)Table 3 Vehicle interface parameters when the speed is 15 km/h

3.2 擋車(chē)器滑動(dòng)距離響應(yīng)

既有滑動(dòng)摩擦式擋車(chē)器和二級(jí)滑動(dòng)摩擦式擋車(chē)器的滑動(dòng)距離如圖5所示，既有的滑動(dòng)摩擦式擋車(chē)器的滑動(dòng)距離為5.66 m，二級(jí)滑動(dòng)摩擦式擋車(chē)器中擋車(chē)器上部的位移為5.70 m，擋車(chē)器下部的滑動(dòng)距離為4.49 m，擋車(chē)器上部相對(duì)擋車(chē)器下部的滑動(dòng)位移為1.21 m。在既有的滑動(dòng)摩擦式擋車(chē)器和二級(jí)滑動(dòng)摩擦式擋車(chē)器長(zhǎng)度一致的情況下，二級(jí)滑動(dòng)摩擦式擋車(chē)器的滑動(dòng)距離比既有的滑動(dòng)摩擦式擋車(chē)器減小了20%，有效降低了擋車(chē)器的制動(dòng)距離。

圖5 擋車(chē)器滑動(dòng)距離曲線Fig.5 Sliding distance curve of buffer stop

3.3 列車(chē)——擋車(chē)器系統(tǒng)吸能響應(yīng)

2種擋車(chē)器的吸能情況如表4所示，既有的滑動(dòng)式擋車(chē)器在第1界面由于緩沖器破壞，壓潰管開(kāi)始?jí)簼⑽?，?界面的吸能量大于二級(jí)滑動(dòng)摩擦式擋車(chē)器，這2種擋車(chē)器作用下，列車(chē)其他界面的吸能量基本差別不大。既有滑動(dòng)式擋車(chē)器自身吸能量為1 698.8 kJ，吸能量占總能量的95.8%，列車(chē)鉤緩裝置吸能總量為74.5 kJ，占總吸能量的4.2%；二級(jí)滑動(dòng)摩擦式擋車(chē)器中擋車(chē)器上部吸能368.1 kJ，擋車(chē)器下部吸能1 345.4 kJ，分別占總吸能量的20.8%和76.1%，列車(chē)鉤緩裝置吸能量為55.4 kJ，占總吸能量的3.1%。

表4 列車(chē)?擋車(chē)器吸能情況Table 4 Energy absorption of train-buffer stop

相較于既有滑動(dòng)式擋車(chē)器而言，二級(jí)滑動(dòng)摩擦式擋車(chē)器既能降低列車(chē)承受的載荷，減少地鐵列車(chē)自身的吸能量，同時(shí)能將兩級(jí)吸能量合理分配，并通過(guò)合理利用車(chē)鉤前伸空間，以降低滑動(dòng)距離。

當(dāng)列車(chē)撞擊剛性擋車(chē)器，列車(chē)車(chē)鉤的壓潰管不觸發(fā)，即全部能量由擋車(chē)器和車(chē)鉤的緩沖器吸收時(shí)，列車(chē)的最大碰撞速度為列車(chē)與擋車(chē)器彈性碰撞的臨界速度。擋車(chē)器的制動(dòng)過(guò)程中，初始摩擦力不為恒定值，由二級(jí)滑動(dòng)式擋車(chē)器的結(jié)構(gòu)可知，采用相同初始條件，二級(jí)滑動(dòng)式擋車(chē)器上部的力矩能增加擋車(chē)器下部與軌道之間的摩擦力，使二級(jí)滑動(dòng)式擋車(chē)器制動(dòng)效果更佳。通過(guò)仿真計(jì)算，采用既有的滑動(dòng)摩擦式擋車(chē)器時(shí)，該6編組地鐵列車(chē)的最大碰撞速度為9 km/h，其吸能量為643.8 kJ。采用二級(jí)滑動(dòng)摩擦式擋車(chē)器時(shí)，該6編組地鐵列車(chē)的最大碰撞速度為19 km/h，其吸能量為2 869.1 kJ。表5為這2種擋車(chē)器的對(duì)比。

由表5可知，二級(jí)滑動(dòng)摩擦式擋車(chē)器所能承受的列車(chē)最大碰撞速度為19 km/h，既有的滑動(dòng)摩擦式擋車(chē)器所能承受的列車(chē)最大碰撞速度為9 km/h，較既有的滑動(dòng)摩擦式擋車(chē)器提升111%。二級(jí)滑動(dòng)摩擦式擋車(chē)器最大吸能量為2 869.1 kJ，較既有的滑動(dòng)摩擦式擋車(chē)器提升345.7%。但是，采用二級(jí)滑動(dòng)摩擦式擋車(chē)器最大滑動(dòng)距離為7.04 m，線路的預(yù)留安裝長(zhǎng)度要進(jìn)行合適選取。

表5 2種擋車(chē)器響應(yīng)情況對(duì)比Table 5 Comparison of the response of the two brakes

4 擋車(chē)器參數(shù)對(duì)列車(chē)-擋車(chē)器系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)特性影響

4.1 擋車(chē)器上部質(zhì)量

改變擋車(chē)器上部的質(zhì)量，取變化范圍10%(190～210 kg)，擋車(chē)器下部質(zhì)量固定為1 100 kg，二級(jí)摩擦副的滑動(dòng)摩擦力固定不變，分別為305 kN和300 kN，列車(chē)初速度固定為15 km/h。

如圖6所示，隨著擋車(chē)器上部質(zhì)量的增加，最大車(chē)鉤力也隨之增大，由450.1 kN上升至560.4 kN。擋車(chē)器上部質(zhì)量變化范圍為10%，而最大車(chē)鉤力變化了24.5%。然而隨著擋車(chē)器上部質(zhì)量的增加，擋車(chē)器上部和下部的位移基本上沒(méi)變化。由于二級(jí)滑動(dòng)摩擦擋車(chē)器的上部質(zhì)量小于既有滑動(dòng)式擋車(chē)器的質(zhì)量，因此其他條件相同情況下，使用二級(jí)滑動(dòng)摩擦擋車(chē)器時(shí)第1界面的最大車(chē)鉤力小于使用既有滑動(dòng)式擋車(chē)器。

圖6 擋車(chē)器上部質(zhì)量對(duì)列車(chē)-擋車(chē)器響應(yīng)特性的影響Fig.6 Influence of the upper mass of the buffer stop on the response characteristics of the train-buffer stop

4.2 擋車(chē)器下部質(zhì)量

改變擋車(chē)器下部的質(zhì)量，取變化范圍10%(1 045～1 165 kg)，擋車(chē)器上部質(zhì)量固定為200 kg，二級(jí)摩擦副的滑動(dòng)摩擦力固定不變，分別為305 kN和300 kN，列車(chē)初速度固定為15 km/h。

如圖7所示，隨著擋車(chē)器下部質(zhì)量的變化，擋車(chē)器上部位移和最大車(chē)鉤力基本沒(méi)變化，擋車(chē)器下部位移由4.54 m減小到4.42 m，變化了2.7%。擋車(chē)器上部相對(duì)擋車(chē)器下部滑動(dòng)的位移由1.16 m增大為1.28 m，變化了10.3%。其原因是擋車(chē)器下部質(zhì)量增加，即擋車(chē)器下部滑動(dòng)的加速度變小，擋車(chē)器上部和擋車(chē)器下部達(dá)到同速的時(shí)間變長(zhǎng)，擋車(chē)器上部和下部之間的相對(duì)位移增加，使得摩擦力Ff1摩擦制動(dòng)耗散的能量增加，擋車(chē)器下部摩擦制動(dòng)耗能減少，即擋車(chē)器下部位移減小。

圖7 擋車(chē)器下部質(zhì)量對(duì)列車(chē)-擋車(chē)器響應(yīng)特性的影響Fig.7 Influence of the lower mass of the buffer stop on the response characteristics of the train-buffer stop

4.3 恒定摩擦副摩擦力

4.3.1 摩擦力Ff1

改變摩擦力Ff1的大小，取變化范圍10%(305～335.5 kN)，固定擋車(chē)器上部的質(zhì)量為200 kg，擋車(chē)器下部質(zhì)量為1 100 kg，擋車(chē)器下部與地面之間的摩擦力Ff2為300 kN，列車(chē)初速度固定為15 km/h。

如圖8所示，隨著摩擦力Ff1的增加，車(chē)輛的最大車(chē)鉤力由554 kN上升到622 kN，變化了12.3%。擋車(chē)器下部位移由4.49 m上升到5.48 m，變化了22.3%。而擋車(chē)器上部位移隨著摩擦力Ff1的增加卻基本沒(méi)變化，位移為5.70 m。擋車(chē)器上部相對(duì)擋車(chē)器下部的滑動(dòng)距離由1.21 m減小為0.22 m，變化了81.8%。

圖8 摩擦力Ff1對(duì)列車(chē)-擋車(chē)器響應(yīng)特性的影響Fig.8 Influence of friction Ff1 on the response characteristics of train-buffer stop

4.3.2 摩擦力Ff2

改變擋車(chē)器下部與地面之間的摩擦力Ff2，變化范圍為10%(270～300 kN)，固定擋車(chē)器上部質(zhì)量為200 kg，擋車(chē)器下部質(zhì)量為1 100 kg，擋車(chē)器上部與擋車(chē)器下部之間的摩擦力Ff1為305 kN，列車(chē)初速度固定為15 km/h。

由圖9可知，車(chē)輛最大車(chē)鉤力基本不隨摩擦力Ff2的變化而變化；擋車(chē)器上部位移由6.36 m變?yōu)?.70 m，變化11.6%；擋車(chē)器下部位移由6.14 m變?yōu)?.49 m，變化了36.7%。擋車(chē)器上部相對(duì)擋車(chē)器下部滑動(dòng)位移由0.22 m上升到1.21 m，變化率為450%。隨著摩擦力Ff2增大，擋車(chē)器上部和擋車(chē)器下部達(dá)到同速時(shí)間延長(zhǎng)，即擋車(chē)器二者的相對(duì)滑動(dòng)位移會(huì)增加。但是同速后，隨著摩擦力Ff2增加，滑動(dòng)摩擦耗散動(dòng)能所需的制動(dòng)距離降低，即擋車(chē)器下部位移和上部位移都減小。

圖9 摩擦力Ff2對(duì)列車(chē)-擋車(chē)器響應(yīng)特性的影響Fig.9 Influence of friction Ff2 on the response characteristics of train-buffer stop

4.4 可變摩擦副

將擋車(chē)器上部與擋車(chē)器下部之間的摩擦力Ff1和擋車(chē)器下與地面之間的摩擦力Ff2設(shè)為可變，將摩擦力Ff1與摩擦力Ff2進(jìn)行分段取值，即在擋車(chē)器上部與列車(chē)達(dá)到同速前，將摩擦力Ff1與摩擦力Ff2設(shè)置為從0開(kāi)始，逐步增大。當(dāng)擋車(chē)器上部與列車(chē)同速后，再將摩擦力Ff1與摩擦力Ff2設(shè)置為常值。擋車(chē)器上部質(zhì)量為200 kg，擋車(chē)器下部質(zhì)量為1 100 kg，列車(chē)初速度為15 km/h。

由圖5可知，在二級(jí)摩擦副的摩擦力均為恒定時(shí)，第1界面的車(chē)鉤力為列車(chē)的最大車(chē)鉤力，并且與其他界面車(chē)鉤力相差較大，容易出現(xiàn)第1界面的壓潰管觸發(fā)情況。對(duì)于摩擦力采用分段施加的方式，在列車(chē)和擋車(chē)器上部同速前，減小摩擦力Ff1和摩擦力Ff2。達(dá)到同速后，增大摩擦力Ff1和摩擦力Ff2。各界面的車(chē)鉤力如圖10所示，各界面的吸能量如表5所示。摩擦力可變后，各個(gè)界面之間的最大車(chē)鉤力差距較摩擦力不變時(shí)明顯減小，各個(gè)界面吸能量分配得更加均衡，能更有效地防止第一界面的壓潰管觸發(fā)。

圖10 15 km/h時(shí)車(chē)鉤力時(shí)間曲線Fig.10 Coupler force time curve at 15 km/h

表6 摩擦力變化情況下列車(chē)各界面吸能情況Table 6 Energy absorption of each interface of train under the condition of changes in frictional force

4.5 二級(jí)擋車(chē)器參數(shù)權(quán)重分析

在擋車(chē)器上部和下部質(zhì)量，恒定摩擦力Ff1和Ff2分別變化10%時(shí)，研究列車(chē)車(chē)鉤力和擋車(chē)器位移的變化。如表7所示，最大車(chē)鉤力的變化與擋車(chē)器下部質(zhì)量和恒定摩擦力Ff2基本無(wú)關(guān)，與擋車(chē)器上部質(zhì)量和摩擦力Ff1有關(guān)，均為正相關(guān)。擋車(chē)器上部相對(duì)滑動(dòng)位移基本與擋車(chē)器上部質(zhì)量無(wú)關(guān)，與擋車(chē)器下部質(zhì)量、摩擦力Ff1，摩擦力Ff2有關(guān)，且與擋車(chē)器下部質(zhì)量和摩擦力Ff2呈正相關(guān)，與摩擦力Ff1呈負(fù)相關(guān)，與摩擦力Ff2的變化關(guān)系最顯著。擋車(chē)器下部位移基本與擋車(chē)器上部的質(zhì)量無(wú)關(guān)，與擋車(chē)器下部質(zhì)量、摩擦力Ff2呈負(fù)相關(guān)，與摩擦力Ff1呈正相關(guān)，其中摩擦力Ff2影響最顯著。

表7 參數(shù)變化10%下響應(yīng)特性變化率Table 7 Change rate of response characteristics under 10%parameter change

5 結(jié)論

1) 提出一種二級(jí)滑動(dòng)摩擦式擋車(chē)器設(shè)計(jì)方案，分析可知該擋車(chē)器能夠在多編組列車(chē)低速情況下進(jìn)行摩擦制動(dòng)，穩(wěn)定吸收動(dòng)能，滿足列車(chē)對(duì)于擋車(chē)器的設(shè)計(jì)要求。

2) 本文設(shè)計(jì)的二級(jí)滑動(dòng)摩擦式擋車(chē)器相比既有的滑動(dòng)擋車(chē)器，既能降低車(chē)輛碰撞時(shí)的最大車(chē)鉤力，又能在不破壞列車(chē)結(jié)構(gòu)的前提下，更好地滿足列車(chē)的制動(dòng)需求。

3) 延長(zhǎng)擋車(chē)器上部的相對(duì)滑動(dòng)距離，縮短擋車(chē)器下部的滑動(dòng)距離，都可以通過(guò)增加摩擦力Ff2，增加擋車(chē)器下部質(zhì)量和減小摩擦力Ff1來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中影響最顯著的是增加摩擦力Ff2。

4) 改善列車(chē)最大車(chē)鉤力可以通過(guò)減小擋車(chē)器上部質(zhì)量和減小摩擦力Ff1來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中影響最顯著的是降低擋車(chē)器上部的質(zhì)量。同時(shí)改變摩擦力的加載方式，將摩擦力恒定變?yōu)榭勺?，降低初始摩擦力可以?yōu)化第1界面車(chē)鉤力的大小，優(yōu)化車(chē)輛各個(gè)界面的吸能量，使列車(chē)的鉤緩裝置不被破壞。