動車組中間車鉤動態(tài)力學性能研究

趙士忠，王晉樂，田愛琴，車全偉，李治祥，姚曙光

隨著鐵路運輸?shù)牟粩嗵崴?，車輛間的縱向作用力不斷變大，對車輛碰撞性能的要求也不斷提高。作為沖擊質(zhì)量間彈性及阻尼元件，緩沖器起著十分重要的作用，對它的要求也越來越高[1]。緩沖器有耗散和衰減車輛之間的沖擊和振動的功能，從而減輕對車體結(jié)構(gòu)的破壞作用，提高列車運行的平穩(wěn)性和舒適度[2]。謝素超等[3]將整車碰撞過程中的能量吸收過程設(shè)計為4個等級，車鉤緩沖器裝置為第一等級。碰撞事故帶來的人員傷亡與經(jīng)濟損失都是非常巨大的[4]，而車鉤緩沖裝置在車輛被動保護方面起著非常重要的作用，因此對車鉤緩沖裝置的動態(tài)性能研究已刻不容緩。現(xiàn)階段國內(nèi)外學者主要通過動力學仿真的手段來研究緩沖器的特性[5-7]。陳凱等[8-9]建立了一種單自由度列車模型，用來研究車輛間的撞擊特性，結(jié)果顯示在一定的速度范圍內(nèi)車鉤力與沖擊速度近似成線性關(guān)系。童小山等[10]用仿真的手段模擬了機車沖擊過程，得出最大車鉤力與沖擊速度的曲線。吳克明等[11-15]研究了不同速度下緩沖器的沖擊特性，研究了車鉤力與緩沖器行程隨撞擊速度增加而變化的一般規(guī)律。以上研究均是采用仿真的手段來研究緩沖器特性，而且由于緩沖器的真實作用過程較為復雜，在仿真中往往采用簡化的模型來模擬緩沖器。相比于仿真研究，車鉤緩沖裝置的試驗研究較少。徐倩等[16]通過大秦線縱向動力學試驗，研究了不同編組方式和運行工況下車鉤力以及車體縱向加速度的分布規(guī)律。薛海等[17]通過實測某重載線車鉤力—時間歷程，分析不同工況下車鉤力的特性，并進行車鉤力譜的編制。以上試驗都只是以車鉤力為研究對象，并沒有對緩沖器的整體動態(tài)特性進行研究。過去，通過靜壓試驗與落錘試驗，對單一緩沖器的性能已進行了比較充分的研究。但是緩沖器裝車后的工作條件和試驗條件不盡相同，例如，在調(diào)車作業(yè)中發(fā)生成組沖擊，在列車運行時車輛還會受到各種外力的作用，構(gòu)成一個相當復雜的系統(tǒng)。落錘試驗需要考慮到落錘下落過程中落錘與導向立柱之間的摩擦對整個沖擊試驗的影響，而且通過改變落錘的質(zhì)量或高度來得到相同沖擊能量的方式是不合適的[18]。不同情況下的緩沖器工作特性有很大的區(qū)別，所以通過靜壓試驗與落錘試驗得到的結(jié)果與真實的條件下還是存在一定的差異。本文以某高速動車組中間車鉤為研究對象，開展碰撞速度大于5 km/h的多組車鉤緩沖裝置對撞試驗，研究該緩沖器的動態(tài)力學性能。

1 車鉤緩沖裝置

某高速動車組中間車鉤緩沖裝置采用柴田式半自動車鉤和 W 動作型復式橡膠緩沖器，如圖 1所示。半自動車鉤主要包括鉤頭、鉤舌、鉤體和空氣管路等組件，可以實現(xiàn)機械、空氣管路和電氣的自動連接。復式橡膠緩沖器主要由2組橡膠堆、緩沖器框體、前后擋板等附件組成。車鉤與緩沖器通過框接頭、橫銷、縱銷等部件連接。某高速動車組中間車鉤緩沖裝置基本參數(shù)見表1。

圖1 車鉤緩沖裝置示意圖Fig. 1 Sketch of coupler buffer device

表1 車鉤緩沖裝置基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of coupler buffer device

在兩鉤進行連掛時，凸錐插入對方車鉤相應的凹錐孔中，凸錐的內(nèi)側(cè)面在前進中壓迫對方車鉤的鉤舌轉(zhuǎn)動，彈簧受拉，鉤舌沿逆時針方向旋轉(zhuǎn)40°。凸錐繼續(xù)前進直至完全插入凹錐中，凸錐側(cè)面不再壓迫對方車鉤鉤舌，在彈簧拉力的作用下，鉤舌沿順時針方向回到原始狀態(tài)，兩鉤連掛成功。在兩鉤進行解鉤時，需人為轉(zhuǎn)動解構(gòu)桿，使其逆時針旋轉(zhuǎn)40°，達到解鉤狀態(tài)。兩鉤分解后，彈簧帶動解構(gòu)桿順時針旋轉(zhuǎn)40°，恢復到原始狀態(tài)。

緩沖器在列車啟動、制動和連掛等工況下起著緩沖與耗能的作用。復式橡膠緩沖器由2組橡膠堆組成，分別置于立板兩側(cè)，如圖2所示。每組橡膠堆由多片緩沖器組合而成，每片緩沖器上的橡膠都是硫化在鋼板上的。鋼板的兩側(cè)各有6塊橡膠(位于緩沖器最外側(cè)的鋼板上只有一側(cè)有橡膠)，橡膠的形狀如圖2所示。中間的兩塊橡膠上方有橢圓形的凸起；兩側(cè)各2個橡膠，一個上面有圓形凸起，另一個上面是圓形下凹。將多片緩沖器安裝在一起時，上凸與下凹的結(jié)構(gòu)相互配合，可以起到一定的固定作用。

圖2 緩沖器示意圖Fig. 2 Buffer schematic

2組緩沖器都是靠一定的初壓力安裝到緩沖器框體內(nèi)，所以車鉤在不受力的情況下，2組緩沖器都是受壓的。在初壓力的作用下，立板兩側(cè)的緩沖器相互平衡，因此整個緩沖器在吸收外載荷時初壓為0。1號緩沖器的型號是GK667，自由高度是228 mm，安裝在緩沖器框體后的高度是166 mm；2號緩沖器的型號是GK669，自由高度是299 mm，安裝在緩沖器框體后的高度是212 mm。車鉤受到拉伸力時壓縮1號緩沖器，2號緩沖器漲開并充滿整個空間；同理車鉤受到壓縮力時，壓縮2號緩沖器，1號緩沖器漲開并充滿整個空間。因此，無論車鉤是受拉還是受壓，緩沖器都只受到壓縮力。

2 碰撞試驗

2.1 碰撞試驗理論基礎(chǔ)

碰撞試驗是得到緩沖器工作特性的重要途徑。假設(shè)在碰撞過程中被沖擊車與沖擊車的質(zhì)量分別為m1和m2，則有

式中：Fc1和 Fc2分別為被沖擊車與沖擊車的車鉤力；Fa1和Fa2分別為被沖擊車與沖擊車所受的其他外力。假定2車的相對位移為ΔX，則有

由式(1)可得

引入等效質(zhì)量Me和等效外力Fae：

將Me和Fae代入式(3)并整理得

將式(6)兩邊對ΔX進行積分，得

假設(shè)沖擊前后2車的相對速度分別為v0和v1，沖擊前后車輛的相對位移分別為ΔX0和ΔX1，則沖擊前后緩沖器勢能的變化為

現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)圍護體系由木龍骨及各種板材組成，內(nèi)部為中空，可以加以利用。一方面，墻體構(gòu)造設(shè)計將保溫措施及各種設(shè)備管線隱藏于墻體中空層，實現(xiàn)墻體自保溫及建筑設(shè)備一體化集成設(shè)計（圖7）。另一方面，利用屋蓋系統(tǒng)的中空層實現(xiàn)屋面的通風隔熱設(shè)計。

式(8)為沖擊過程中的能量平衡方程，即緩沖器工作的能量方程。由此方程可知，車輛沖擊時，緩沖器勢能的變化等于外力對沖擊質(zhì)量作的功及沖擊質(zhì)量相對動能變化的和。

由于2車間作用的外力很小，幾乎為0，外力在沖擊質(zhì)量相對位移變化中作的功可以省略，于是方程(8)可簡化為

即緩沖器勢能的變化約等于沖擊質(zhì)量相對動能的變化。

2.2 碰撞試驗設(shè)計

為了得到某高速動車組中間車鉤緩沖裝置的動態(tài)力學性能，開展不同撞擊速度的多組車鉤對撞試驗研究。

根據(jù)某高速動車組中間車鉤緩沖裝置的結(jié)構(gòu)特點，設(shè)計了用于車鉤緩沖裝置安裝的工裝。整個工裝采用焊接結(jié)構(gòu)，保證在撞擊過程中能承受必須的撞擊力且不被損壞。安裝前的緩沖器是通過兩個緊固螺桿(見圖2)將橡膠緩沖器壓縮后固定的，安裝時先將緩沖器裝于工裝內(nèi)，再去掉緊固螺桿，使整個緩沖器充分填充于工裝預留空間內(nèi)。

車鉤緩沖裝置安裝于工裝后如圖 3(a)所示(為了方便觀察，只顯示一半工裝)。安裝前緩沖器的高度被緊固螺栓壓縮到工裝預留空間以內(nèi)，安裝后把緊固螺栓去掉后緩沖器漲開，但緩沖器仍然處于被壓縮的狀態(tài)。緩沖器被壓縮安裝的這種狀態(tài)使得其在軸向方向很好地被固定，類似于過贏配合安裝。如圖 3(b)所示(只顯示部分工裝)，工裝在給緩沖器軸向壓縮的同時，還限制了其橫向移動，保證了緩沖器在工作時的正確運動狀態(tài)。

圖3 緩沖器安裝于工裝后示意圖Fig. 3 Schematic diagram of the buffer installed in the fixture

為了得到車鉤在連掛過程中的動態(tài)力學性能，設(shè)計了車鉤碰撞試驗。試驗采用2個中間車鉤對撞的方式，將一個車鉤及工裝固定在試驗臺車上，另一個固定在測力剛性墻上。由測速儀測得碰撞速度；由固定在剛性墻上的測力傳感器測得車鉤在連掛過程中的阻抗力；由高速攝影拍攝車鉤的運動過程，進而分析得到車鉤行程。運動臺車、工裝及車鉤總重共計 14.7 t，采用空氣炮彈射系統(tǒng)獲得不同的沖擊速度。

為保證車鉤在碰撞過程中不被一次性破壞，采用逐步增加沖擊速度的方式來進行試驗。選擇從一個較低沖擊速度開始試驗，為確定最小沖擊速度，考慮沖擊動能全部被緩沖器吸收的極限情況。車鉤對撞時2個緩沖器的壓縮容量之和是27 kJ，若此能量全部由14.7 t的臺車的動能提供，那么臺車的速度約為7 km/h。選擇5 km/h的速度來開始試驗，設(shè)計試驗工況如表2所示。

表2 試驗設(shè)計工況Table 2 Test design conditions

3 試驗結(jié)果分析與討論

按照試驗設(shè)計工況開展試驗，但是由于空氣炮彈射系統(tǒng)存在不可控因素，試驗沖擊速度與設(shè)計速度有一定的偏差。試驗得到了5.033，7.042，7.366，8.442和10.807 km/h 5種碰撞速度下的碰撞試驗。碰撞過程中首先是2個半圓形的鉤舌先接觸，然后在壓縮力的作用下兩鉤舌各自繞自己的旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)約 40°，同時車鉤的凸錐插入到對方車鉤的凹錐中，鉤舌在解構(gòu)桿彈簧的作用下回到原位，實現(xiàn)車鉤之間的連掛。之后繼續(xù)壓縮直到緩沖器達到最大壓縮量狀態(tài)，然后緩沖器開始回彈，緩沖器處于被拉伸的狀態(tài)，達到緩沖器最大拉伸量狀態(tài)時，一個回程結(jié)束。之后循環(huán)往復，直到所有動能全部消耗，碰撞結(jié)束。在5種工況下，車鉤均正常連掛。但碰撞速度為10.807 km/h時，運動車鉤鉤舌被壓彎，靜止車鉤正常，連掛后2車鉤無法解鎖。

車鉤力由固定在剛性墻上的測力傳感器測得，由力的傳遞性可知，靜止車鉤與運動車鉤的車鉤力是相同的。圖4中，車鉤力為正時，緩沖器處于壓縮狀態(tài)；車鉤力為負時，緩沖器處于拉伸狀態(tài)。在2車鉤連掛時，車鉤力在短時間內(nèi)迅速增加并達到最大值，之后由于壓縮過程中儲存在緩沖器內(nèi)的能量開始釋放，使得緩沖器回彈，車鉤力開始減小直到減小到 0，壓縮過程結(jié)束。緊接著，車鉤進入與壓縮過程一致的拉伸階段。由于在車鉤在壓縮過程中有一部分能量的耗散，使得進入拉伸階段后得到的最大拉伸力比最大壓縮力小很多，而且拉伸階段要比壓縮階段的持續(xù)時間長。對比不同速度的車鉤力可以看出，當碰撞速度增大時，緩沖器每完成一個壓縮-拉伸的回程的時間變短，最大壓鉤力變大，最大拉鉤力也變大。但是由于碰撞速度是 10.807 km/h時車鉤已經(jīng)出現(xiàn)損壞，此時的最大拉鉤力要比幾個低速碰撞下的要小。

圖4 車鉤力-時間曲線Fig. 4 Coupler force-time curves

通過對高速攝影拍到車鉤碰撞圖像分析，得到靜止車鉤與運動車鉤的緩沖器壓縮量如圖5所示。隨著撞擊速度的變大，緩沖器最大壓縮量逐漸變大。對于靜止端緩沖器，在車鉤壓縮過程中，隨沖擊速度的增大，最大壓縮量的變化較為規(guī)律，而拉伸階段并沒有呈現(xiàn)出較好的變化規(guī)律。而對于運動端緩沖器，無論是在壓縮階段還是拉伸階段，都呈現(xiàn)出了較好的變化規(guī)律。對比圖5(a)和5(b)，在相同的撞擊速度下，運動車鉤緩沖器的壓縮量要比靜止車鉤緩沖器的壓縮量要大。靜止端與運動端在同一撞擊速度下完成一個壓縮-拉伸回程的時間基本一致，在碰撞速度是10.807 km/h時，靜止端緩沖器的最大壓縮量是53.33 mm，小于該緩沖器的設(shè)計行程56 mm。但是運動端緩沖器的最大壓縮量在碰撞速度是7.042 km/h時就已經(jīng)達到了55.94 mm，在碰撞為7.366，8.422和10.807 km/h的工況下，運動端緩沖器的最大壓縮量都超過了設(shè)計行程。只有當碰撞速度是10.807 km/h時，車鉤出現(xiàn)破壞的情況，說明盡管該緩沖器的設(shè)計行程是56 mm，但是在超過這個值的一定范圍內(nèi)，該車鉤緩沖裝置仍能正常工作。

圖5 緩沖器壓縮量-時間曲線Fig. 5 Buffer displacement-time curves

當碰撞速度達到10.807 km/h時，車鉤力的變化和靜止端緩沖器壓縮量的變化偏離了前面幾個速度較低的工況下的變化趨勢，但是這只發(fā)生在拉伸段。為了得到緩沖器的動態(tài)性能曲線，只需要壓縮段的車鉤力與緩沖器壓縮量的數(shù)據(jù)，所以5個工況下的實驗數(shù)據(jù)均可用來分析該緩沖器的動態(tài)性能特性。

由車鉤力-時間歷程和緩沖器壓縮量-時間曲線合成得到第一個循環(huán)的壓縮過程的緩沖器特性曲線，如圖6所示。從圖中可以看出，隨著碰撞速度的增大，包絡線的范圍也變大，這就意味著緩沖器吸收的能量也就越多。撞擊速度從5.030 km/h到7.042 km/h，加載曲線是變高的；但是撞擊速度從8.442 km/h到10.807 km/h時，加載曲線確實降低的。這說明車鉤緩沖器在真實的碰撞過程中并不是完全走同一條加載曲線，在一定的碰撞速度范圍內(nèi)，隨著碰撞速度的提高，加載曲線會相應的升高；當超過臨界碰撞速度時，隨著碰撞速度的提高。加載曲線會相應的降低。靜止車鉤緩沖器和運動車鉤緩沖器得到的特性曲線都應正了這一點。碰撞試驗得到的整體結(jié)果見表3。

圖6 車鉤力-緩沖器壓縮量曲線Fig. 6 Coupler force-buffer compression curves

表3 碰撞試驗結(jié)果Table 3 Impact test results

4 落錘試驗與碰撞試驗對比

落錘試驗是在車輛緩沖器落錘試驗機上進行的。錘重12 t，錘高160 mm得到的某高速動車組中間車鉤緩沖器的特性曲線如圖7實線所示。

取碰撞速度是5.030 km/h到8.442 km/h 4個工況的靜止端與運動端緩沖器特性曲線與落錘試驗得到的緩沖器特性曲線對比，如圖7所示。從圖7可以看出，碰撞試驗靜止端緩沖器的特性曲線與落錘試驗得到的特性曲線走勢基本一致。而碰撞試驗中運動端緩沖器的壓縮量較大，因此，由運動端緩沖器得到的特性曲線與落錘試驗得到的特性曲線有差別。碰撞試驗中靜止端緩沖器與落錘試驗中的緩沖器在2個試驗中都是被撞端，因此二者得到的特性曲線較為一致。由此可見，碰撞試驗得到的緩沖器特性曲線是正確的。

圖7 緩沖器落錘試驗與碰撞試驗特性曲線對比Fig. 7 Comparison of dynamic and static characteristics of buffer

相比于落錘試驗，碰撞試驗能反映出車鉤的連掛特性，而且能得到運動端與靜止端緩沖器的特性曲線之間的差別。由上面的對比可知，落錘試驗得到的特性曲線可以很好地應用于被撞車的車鉤緩沖器，但應用于運動車的車鉤緩沖器并不很合適。有必要對緩沖器進行碰撞試驗來獲取其真實的特性曲線。

5 結(jié)論

1) 當碰撞速度增大時，緩沖器每完成一個壓縮-拉伸的回程的時間變短，碰撞速度是10.807 km/h時車鉤已經(jīng)出現(xiàn)損壞。

2) 在相同的撞擊速度下，運動車鉤緩沖器的壓縮量要比靜止車鉤緩沖器的最大壓縮量要大。盡管某高速動車組中間車鉤緩沖器的設(shè)計行程是 56 mm，但是在超過這個值的一定范圍內(nèi)，緩沖器仍能正常工作。

3) 落錘試驗得到的特性曲線可以很好地應用于被撞車的車鉤緩沖器，但應用于運動車的車鉤緩沖器并不很合適。車鉤緩沖器在真實的碰撞過程中并不是完全走同一條加載曲線，在一定的碰撞速度范圍內(nèi)，隨著碰撞速度的提高，加載曲線會相應的升高；當超過臨界碰撞速度時，隨著碰撞速度的提高，加載曲線會相應的降低。

4) 碰撞試驗可以很好地反應車鉤的連掛特性，并能夠得到運動端與靜止端緩沖器的不同的性能曲線，所以有必要對緩沖器進行碰撞試驗來獲取其真實的特性曲線。

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