城市軌道交通車輛全自動(dòng)車鉤過載保護(hù)裝置比較

李春明　張英?！⌒?園

（中國中車株洲電力機(jī)車有限公司技術(shù)中心，412001，株洲∥第一作者，碩士研究生）

城市軌道交通車輛全自動(dòng)車鉤過載保護(hù)裝置比較

李春明張英福徐 園

（中國中車株洲電力機(jī)車有限公司技術(shù)中心，412001，株洲∥第一作者，碩士研究生）

摘 要從結(jié)構(gòu)型式、過載保護(hù)觸發(fā)、安裝方式、可維護(hù)性等四個(gè)方面，對地鐵車輛全自動(dòng)車鉤的三種過載保護(hù)裝置（鼓型套筒式、螺栓內(nèi)剪切式、螺栓內(nèi)拉斷式）進(jìn)行了比較分析。建議在地鐵車輛中采用螺栓內(nèi)剪切或螺栓內(nèi)拉斷式前部安裝的全自動(dòng)車鉤。

關(guān)鍵詞地鐵車輛；全自動(dòng)車鉤；過載保護(hù)裝置

Author＇s address R&D Center，CRRC Zhuzhou Electric Locomotive Co.，Ltd.，412001，Zhuzhou，China

全自動(dòng)車鉤是一種自動(dòng)機(jī)械連接、自動(dòng)氣路連接和自動(dòng)電路連接車鉤，可在司機(jī)室操作，自動(dòng)解鉤；氣路故障時(shí)，可用解鉤專用工具解鉤。車鉤能量吸收部分由彈性變形吸收能量的緩沖器和不可恢復(fù)變形吸收能量的壓潰管組成。過載保護(hù)裝置用于列車在超速連掛或者受到強(qiáng)烈沖擊所受外力超過標(biāo)定值時(shí)，使車鉤脫離車體安裝板向后回退，以使車體上的防爬器互相咬合。如圖1所示，當(dāng)一列AW0（空載）的列車以大于15 km∕h的速度與一列AW0處于停放制動(dòng)的列車相撞時(shí)，全自動(dòng)車鉤尾部區(qū)域過載保護(hù)裝置動(dòng)作，使車鉤脫離車輛推向后部，列車前端車體底架司機(jī)室前端吸能區(qū)吸收剩余能量，以保護(hù)乘客安全。

因此，全自動(dòng)車鉤過載保護(hù)裝置的選型是地鐵車輛設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容之一。本文從結(jié)構(gòu)型式、過載保護(hù)觸發(fā)、安裝方式、可維護(hù)性等四方面，對鼓形套筒式、螺栓內(nèi)剪切式、螺栓內(nèi)拉斷式三種過載保護(hù)裝置進(jìn)行比較分析，并給出選型建議。

圖1　列車前端能量吸收示意圖

1　結(jié)構(gòu)型式比較

全自動(dòng)車鉤過載保護(hù)裝置從結(jié)構(gòu)上分為鼓形套筒、螺栓內(nèi)剪切、螺栓內(nèi)拉斷三種型式。其中，鼓形套筒式是在車體與車鉤之間設(shè)置過載保護(hù)裝置，設(shè)置有獨(dú)立的退出導(dǎo)軌；螺栓內(nèi)剪切和螺栓內(nèi)拉斷式是在車鉤內(nèi)部緩沖器與軸承安裝座外殼之間預(yù)裝過載保護(hù)裝置，由于軸承安裝座已集成了退出導(dǎo)軌的功能，故無需在車鉤安裝時(shí)安裝調(diào)節(jié)過載保護(hù)裝置，車鉤過載保護(hù)后停留在鉤尾座外殼內(nèi)，不會(huì)掉到軌道。因此，螺栓內(nèi)剪切和螺栓內(nèi)拉斷式過載保護(hù)裝置相對于鼓形套筒式過載保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)更精簡。

1.1鼓形套筒式過載保護(hù)裝置

鼓形套筒式過載保護(hù)裝置由鼓型套筒、安裝軸承座、退出導(dǎo)軌組成，如圖2所示。鼓形套筒安裝在車鉤安裝螺栓與車鉤安裝面之間，車鉤發(fā)生過載保護(hù)時(shí)通過鼓形套的壓縮變形實(shí)現(xiàn)能量吸收，并使車鉤安裝螺栓與車鉤體脫落，從而實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)功能。緩沖器連接鉤身和車體底架。

圖2　鼓形套筒式過載保護(hù)裝置

1.2螺栓內(nèi)剪切式過載保護(hù)裝置

螺栓內(nèi)剪切式過載保護(hù)裝置由8個(gè)內(nèi)剪切螺栓、安裝軸承座、緩沖器組成，如圖3所示。過載內(nèi)剪切螺栓將緩沖座與安裝軸承座連接起來。過載保護(hù)觸發(fā)時(shí)，使EFG3緩沖座與車鉤安裝座分離，從而實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)。軸承座內(nèi)的軸頸允許車鉤發(fā)生水平擺動(dòng)。在出現(xiàn)巨大撞擊時(shí)，軸頸和緩沖器之間的緊固螺釘將會(huì)剪切，車鉤通過車輛底架下的軸承座。

圖3　螺栓內(nèi)剪切式過載保護(hù)裝置

1.3螺栓內(nèi)拉斷式過載保護(hù)裝置

螺栓內(nèi)拉斷式過載保護(hù)裝置由4個(gè)拉斷螺栓、安裝軸承座、緩沖器組成，如圖4所示。

圖4　螺栓內(nèi)拉斷式過載保護(hù)裝置

緩沖器通過4個(gè)拉斷螺栓組裝在緩沖器殼體上。當(dāng)車鉤緩沖裝置在正常牽引狀態(tài)時(shí)，牽引力通過緩沖器殼體傳遞，過載保護(hù)螺栓并不承受牽引力。4個(gè)拉斷螺栓安裝在緩沖器拉桿四周，且以車鉤中心線為軸心對稱分布，故4個(gè)拉斷螺栓承受的縱向沖擊力完全相同。

2　過載保護(hù)觸發(fā)比較

對于螺栓內(nèi)剪切和螺栓內(nèi)拉斷式過載保護(hù)裝置，當(dāng)碰撞剪切裝置可隨車鉤體一起擺動(dòng)時(shí)，只承受沿車鉤方向上的縱向力，以保證更為準(zhǔn)確觸發(fā)。過載保護(hù)觸發(fā)后，橡膠支撐和對中裝置可與緩沖器殼體脫開，并不隨緩沖器一起向后退行，這樣過載力不受橡膠支撐和對中裝置剪切力的影響，使過載保護(hù)的觸發(fā)力更穩(wěn)定。內(nèi)置剪切車鉤的過載保護(hù)觸發(fā)力是預(yù)置好的，過載保護(hù)觸發(fā)力浮動(dòng)范圍更小。

2.1鼓形套筒式過載觸發(fā)方式

如圖5所示，當(dāng)兩列車碰撞達(dá)到預(yù)置的觸發(fā)力，鼓形套筒式過載保護(hù)裝置全自動(dòng)車鉤的緩沖器及安裝軸承座與車體脫落，沿著導(dǎo)軌向后部退出，使車輛前部吸能區(qū)相接觸，以此實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)功能。鼓形套筒安裝需要專用工具施加額定的預(yù)緊力。對維修人員要求高。如果安裝不到位，會(huì)導(dǎo)致預(yù)緊力誤差大，影響車鉤過載保護(hù)時(shí)的觸發(fā)力。因此，鼓形套筒過載保護(hù)裝置的過載保護(hù)觸發(fā)力受到人為的影響因素較大，較難控制。此外，緩沖器可沿著安裝軸承座的軸頸轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)際碰撞時(shí)，緩沖器的縱向碰撞力與全自動(dòng)車鉤安裝的鼓形套筒的觸發(fā)力不在平行線上，存在橫向分力，在壓潰管未觸發(fā)的情況下，可能存在單個(gè)鼓形套過載觸發(fā)的現(xiàn)象。

圖5　鼓形套筒式過載保護(hù)裝置過載保護(hù)示意圖

2.2螺栓內(nèi)剪切式過載觸發(fā)方式

如圖6所示，當(dāng)車鉤緩沖器受到的壓縮載荷達(dá)到過載保護(hù)裝置的額定觸發(fā)力時(shí)，過載保護(hù)螺栓發(fā)生切剪斷，車鉤在壓縮力的作用下向后運(yùn)動(dòng)，從而使鉤緩裝置與車體牽引梁分離，橡膠支撐與軸承座分離，車鉤通過車輛底架下的軸承座，實(shí)現(xiàn)過載功能。之后，列車的其他能量吸收裝置將可以啟動(dòng)。此外，碰撞時(shí)剪斷螺栓可隨車鉤一起擺動(dòng)，只承受沿車鉤方向上的縱向力，緩沖器與軸承座之間的剪切螺栓將同時(shí)被剪斷。

圖6　螺栓內(nèi)剪切式過載保護(hù)裝置過載保護(hù)示意圖

2.3螺栓內(nèi)拉斷式過載觸發(fā)方式

如圖7所示，在車鉤受壓縮載荷狀態(tài)下，當(dāng)壓縮載荷達(dá)到過載保護(hù)裝置額定觸發(fā)力時(shí)，過載保護(hù)螺栓發(fā)生斷裂，車鉤與車體安裝板脫離，車鉤向后運(yùn)動(dòng)。

圖7　螺栓內(nèi)拉斷式過載保護(hù)裝置過載保護(hù)示意圖

過載保護(hù)裝置的關(guān)鍵元件是位于緩沖器尾部的4個(gè)拉斷螺栓。通過4個(gè)拉斷螺栓的斷裂，使得鉤緩裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)與車體牽引梁分離，從而使受沖擊車輛的防爬器和車體吸能區(qū)發(fā)揮作用。在這個(gè)過程中，拉斷螺栓隨車鉤一起擺動(dòng)，只承受沿車鉤方向上的縱向力，并不承受橫向的扭轉(zhuǎn)力和剪切力。這保證了過載保護(hù)裝置被觸發(fā)時(shí)，4個(gè)螺栓同時(shí)被拉斷。

3　安裝方式比較

根據(jù)安裝方式的不同，車鉤分為前裝式車鉤與后裝式車鉤。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，前裝式車鉤與后裝式車鉤僅安裝座不同，與使用功能和性能相關(guān)的如連掛、解鉤及能量吸收可保持一致。兩種車鉤都可根據(jù)實(shí)際使用要求對連掛鉤頭和緩沖吸能裝置進(jìn)行具體配置和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。前裝式和后裝式全自動(dòng)車鉤的安裝結(jié)構(gòu)如圖8、圖9所示。

前裝式車鉤安裝時(shí)僅需4套緊固件將車鉤直接安裝到車體上，車鉤安裝座的安裝面與車體安裝面貼合，擰緊螺栓即可完成安裝。后裝式車鉤安裝時(shí)首先需要使用4套緊固件將車鉤安裝到車鉤板上，然后通過2塊圍板和8套緊固件將車鉤板安裝到車體上。與后裝式車鉤相比，前裝式車鉤方案省去了車鉤板、圍板和車鉤安裝緊固件的安裝，結(jié)構(gòu)更加簡單，質(zhì)量減輕約100 kg。鼓形套筒式過載保護(hù)裝置僅能采用前安裝型式，螺栓內(nèi)剪切式和螺栓內(nèi)拉斷式過載保護(hù)裝置前安裝和后安裝型式都可采用。

圖8　前裝式全自動(dòng)車鉤安裝結(jié)構(gòu)

圖9　后裝式全自動(dòng)車鉤安裝結(jié)構(gòu)

4　可靠性對比

采用內(nèi)置剪切過載保護(hù)裝置的車鉤僅需安裝車鉤的4個(gè)安裝螺栓，然后打上扭力便可完成安裝。內(nèi)置剪切車鉤的過載保護(hù)觸發(fā)力是預(yù)置好的，其主要受到拉斷螺栓或剪切銷的制造誤差影響，浮動(dòng)范圍較小。采用鼓形套筒過載保護(hù)裝置的車鉤安裝時(shí)還需安裝導(dǎo)軌，且鼓形套筒需要專用工具施加一定的預(yù)緊力，對維修人員要求高。如果安裝不到位，會(huì)導(dǎo)致預(yù)緊力誤差大，影響車鉤過載保護(hù)時(shí)的觸發(fā)力。因此，鼓形套筒過載保護(hù)裝置的過載保護(hù)觸發(fā)力受到人為的影響因素較大，較難控制。

5　可維護(hù)性比較

5.1安裝工藝對比

采用內(nèi)剪切的前安裝式車鉤的安裝工序?yàn)椋菏褂?個(gè)螺栓、螺母和墊塊將車鉤安裝到車體上，打扭力，完成安裝。

采用鼓形套筒后安裝式車鉤的安裝工序?yàn)椋孩賹⑼顺鰧?dǎo)軌安裝到車體上；②將上下車鉤板固定到車鉤上；③通過車鉤板將車鉤安裝到車體上；④通過液壓夾緊裝置給鼓形套筒施加預(yù)緊力，擰緊螺母，完成安裝。拆除是安裝的逆過程。

由此可以看出，采用鼓形套筒后安裝式車鉤安裝螺栓多了8套，且過載保護(hù)需要使用液壓夾緊裝置，夾緊力約200 k N，通過齒輪機(jī)構(gòu)鎖緊螺母，安裝復(fù)雜，安裝時(shí)間較內(nèi)剪切的前安裝式車鉤多出了1倍。

5.2日常維護(hù)

日常維護(hù)時(shí)，采用鼓形套筒后安裝式的全自動(dòng)車鉤需要檢查鼓形套筒是否有松動(dòng)，若存在松動(dòng)不得再次擰緊，且需更換新件。采用螺栓內(nèi)剪切和螺栓內(nèi)拉斷前安裝式的全自動(dòng)車鉤過載保護(hù)力相對較集中，在壓潰管未被觸發(fā)的情況下可保證過載保護(hù)裝置不被觸發(fā)。因此，采用鼓形套筒式過載保護(hù)裝置需經(jīng)常對鼓型套筒進(jìn)行檢查維護(hù)，增加了日常的工作量。

5.3大修維護(hù)

大修時(shí)需要對緩沖器的彈性吸能元件進(jìn)行更換，全自動(dòng)車鉤需整個(gè)拆下，過載保護(hù)裝置也需拆裝。將全自動(dòng)車鉤從車體上拆卸下來時(shí)，采用鼓形套筒后安裝式的全自動(dòng)車鉤需先將退出導(dǎo)軌、車鉤板、圍板拆卸，再將帶過載保護(hù)裝置的緊固件松脫，取下全自動(dòng)車鉤；采用螺栓內(nèi)剪切和螺栓內(nèi)拉斷前安裝式的全自動(dòng)車鉤僅需將4套緊固件松脫，就能將車鉤從車體取下。可見，采用鼓形套筒后安裝式的全自動(dòng)車鉤緊固件多，且過載保護(hù)需要使用液壓夾緊裝置，安裝拆卸復(fù)雜，維護(hù)時(shí)間將會(huì)多出約1倍。

6　結(jié)語

綜上所述，相比鼓形套筒式過載保護(hù)裝置，螺栓內(nèi)剪切和螺栓內(nèi)拉斷式前部安裝的全自動(dòng)車鉤結(jié)構(gòu)簡潔，過載保護(hù)觸發(fā)準(zhǔn)確可靠、浮動(dòng)范圍小，安裝方式簡單、質(zhì)量輕，可維護(hù)性強(qiáng)。因此，在地鐵車輛中，推薦采用螺栓內(nèi)剪切或螺栓內(nèi)拉斷式前部安裝的全自動(dòng)車鉤。廣州地鐵7號(hào)線車輛項(xiàng)目采用了螺栓內(nèi)拉斷式前部安裝的全自動(dòng)車鉤方案。

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Comparative study on Automatic Coupler Overload Protection Device of Metro Vehicle

Li Chunming，Zhang Yingfu，Xu Yuan

AbstractAutomatic coupler overload protection device of metro vehicle is firstly studied from 4 aspects：the structure type，overload protection trigger，installation and maintainability.Then，3 kind of protection devices（drum sleeve type，bolt internal shear type and bolt internal break type）are comparatively studied.On this basis，the bolt internal shear type and bolt internal break type are recommended for the automatic coupler overload protection of metro vehicles.

Key wordsmetro vehicle；automatic coupler；overload protection device

中圖分類號(hào)U 270.34

DOI：10.16037∕j.1007-869x.2016.01.029

收稿日期：（2014-07-01）