密接式車鉤沖擊力的仿真分析

陳春棉 劉國(guó)偉

（1.湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 株洲 412001）（2.中南大學(xué)軌道交通安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 長(zhǎng)沙 410075）

1 引言

列車是由一節(jié)節(jié)車輛通過車鉤連接而組成的復(fù)雜系統(tǒng)，車輛之間的沖擊和振動(dòng)主要通過車鉤緩沖裝置來傳遞，車鉤緩沖裝置是影響機(jī)車車輛運(yùn)行安全性與平穩(wěn)性的重要部件之一，對(duì)車鉤緩沖裝置的研究在列車被動(dòng)安全領(lǐng)域有著重要的地位。

密接式車鉤以其結(jié)合面間隙小、舒適性和安全性高已成為25T型特快列車［1］、高速動(dòng)車組［2］以及地鐵車輛［3］平穩(wěn)安全運(yùn)行的關(guān)鍵部位之一［4］。密接式車鉤緩沖裝置在列車連掛、運(yùn)行以及制動(dòng)過程中作為車輛間縱向瞬態(tài)沖擊力的主要承受部件，是動(dòng)車組以及城市軌道交通列車安全、平穩(wěn)運(yùn)行的關(guān)鍵部件之一，為了確保列車在非人為因素的情況下發(fā)生碰撞事故時(shí)，兩碰撞列車的相鄰車鉤能順利連掛使得車體外附加的吸能裝置和車體結(jié)構(gòu)次要部位能按照人的意志實(shí)現(xiàn)逐級(jí)、有序、可控的塑形變形，利用車體吸能裝置結(jié)構(gòu)的塑形變形最大限度地吸收撞擊的動(dòng)能從而實(shí)現(xiàn)列車的被動(dòng)安全保護(hù)［5～9］。

2 密接式車鉤組成及工作原理

全自動(dòng)密接式車鉤緩沖裝置連接系統(tǒng)包括機(jī)械連接、電氣連接以及氣路連接三個(gè)部分［9～10］。本文主要研究最重要的機(jī)械連接部分，其連掛原理如下。

如圖1所示，機(jī)械連接部分由鉤體、中心軸、鉤舌、鉤鎖連接桿、鉤鎖彈簧、鉤舌定位桿及彈簧、定位桿頂塊及彈簧、解鉤風(fēng)缸等組成。鉤體的前端一邊為凸錐體，另一邊為凹錐孔，呈對(duì)稱分布，連掛時(shí)相鄰車鉤的凸錐體分別插入對(duì)應(yīng)的凹錐孔中，起到連接導(dǎo)向作用；中心軸通過定位銷垂直固定在鉤體中央，其上固定有鉤舌，鉤舌呈不規(guī)則曲線形狀；鉤嘴的位置靠近凹錐孔，鉤舌尾部通過銷孔與鉤鎖連接桿連接，鉤舌繞中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)可帶動(dòng)鉤鎖連接桿動(dòng)作；鉤舌定位桿通過銷孔與鉤舌連接，起到連接時(shí)定位和供解鉤風(fēng)缸活塞桿作用，是車鉤實(shí)現(xiàn)連掛動(dòng)作的關(guān)鍵零件，鉤舌定位桿上設(shè)有兩個(gè)定位凸緣，使鉤舌定位在待掛或連掛狀態(tài)；鉤鎖彈簧一端固定在鉤體上，一端與鉤鎖連接桿尾部相連，初始狀態(tài)處于拉伸狀態(tài)；連掛時(shí)，鉤鎖連接桿在鉤鎖彈簧拉力作用下使車鉤連接可靠；定位桿頂塊受到推力后，頂動(dòng)鉤舌定位桿啟動(dòng)兩車鉤的連掛［10～12］。

圖1 密接式車鉤組成示意圖

3 車輛沖擊連掛動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型

車鉤沖擊連掛一般發(fā)生在調(diào)車作業(yè)和列車運(yùn)行的非穩(wěn)態(tài)工況下，例如調(diào)車溜放沖擊工況，列車沖擊碰撞或者列車操縱工況變化時(shí)；這時(shí)頭車車鉤與尾車車鉤會(huì)發(fā)生沖擊連掛并產(chǎn)生較大縱向沖擊力［13～15］。

圖2為相鄰兩節(jié)車輛的動(dòng)力學(xué)模型，以發(fā)生沖擊連掛的相鄰兩節(jié)車輛作為分析的基礎(chǔ)。

圖2 相鄰兩節(jié)車輛的動(dòng)力學(xué)模型

假設(shè)車輛1的質(zhì)量為M1，另一車輛2的質(zhì)量為M2，兩節(jié)車輛的動(dòng)力學(xué)方程為

式中：X1為車輛1的位移；X2為車輛2的位移；P1，P2為在兩節(jié)車輛上作用的外力（包括牽引力、制動(dòng)力、運(yùn)行阻力及與1，2相鄰車輛的車鉤力）；F為車輛1，2間作用的車鉤力（以車鉤受壓為正）。

令相鄰兩節(jié)車輛間的相對(duì)位移為Xr，即：

則由式（3）可得

引入等效質(zhì)量Me及作用于等效質(zhì)量上的等效外力Pe：

4 車鉤沖擊連掛仿真模型

根據(jù)某密接式車鉤的實(shí)體尺寸，通過動(dòng)力學(xué)分析軟件ADAMS建立密接式車鉤沖擊連掛三維模型，包括運(yùn)動(dòng)臺(tái)車，地面工裝，軌道，車鉤緩沖裝置模型，其中對(duì)車鉤緩沖裝置模型里的鉤頭及內(nèi)部鉤鎖連接裝置等零部件進(jìn)行了詳細(xì)的構(gòu)建。圖3為密接式車鉤沖擊連掛三維模型，左邊的為運(yùn)動(dòng)臺(tái)車及車鉤，右邊是地面工裝及車鉤。

圖3 車鉤連掛幾何模型

運(yùn)動(dòng)臺(tái)車及地面工裝的質(zhì)量均為3000kg，密接式車鉤質(zhì)量為360kg。初始仿真工況設(shè)定運(yùn)動(dòng)車鉤以10km/h的速度沖擊固定車鉤。

5 車鉤沖擊連掛仿真結(jié)果

在車鉤的沖擊連掛過程中，車鉤緩沖器所受沖擊力會(huì)隨著連掛狀態(tài)的變化而變化，其沖擊力-時(shí)間曲線如圖4所示。從該沖擊力-時(shí)間曲線可知，在最大峰值力出現(xiàn)之前有個(gè)小的峰值力，這是因?yàn)樵谲囥^前端擋板接觸之前，車鉤凸錐體在進(jìn)行車鉤連掛對(duì)中時(shí)先與相鄰車鉤鉤體接觸而產(chǎn)生的力，而當(dāng)連掛對(duì)中后車鉤前端擋板開始接觸時(shí)再次產(chǎn)生沖擊力，且沖擊力增長(zhǎng)很快，在很短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到最大峰值力，由圖4可知最大峰值力為606kN；而且在增長(zhǎng)的過程中一個(gè)很短的時(shí)間內(nèi)，撞擊力值有突然減小然后再增長(zhǎng)的過程，經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)在這個(gè)時(shí)間段，鉤鎖連接機(jī)構(gòu)中的鉤鎖連接桿在鉤鎖彈簧的帶動(dòng)下伸進(jìn)相鄰車鉤鉤舌的鉤嘴內(nèi)，完成兩鉤的連接鎖閉的動(dòng)作導(dǎo)致。在達(dá)到最大峰值力后，沖擊力也在很短的時(shí)間內(nèi)減小到零值，持續(xù)一段時(shí)間后變?yōu)樨?fù)值，然后再由負(fù)值回到零值，再增長(zhǎng)到一個(gè)較小的峰值，如此波動(dòng)幾次后回到零值并保持不變。而之所以在達(dá)到最大峰值力后持續(xù)了一段時(shí)間的零值，是因?yàn)樵谶_(dá)到最大峰值力后，緩沖器開始卸載，而此時(shí)相對(duì)于本仿真模型中設(shè)定的緩沖器動(dòng)態(tài)特性曲線中卸載曲線的值為零。沖擊力的波動(dòng)則是因?yàn)榫彌_器的拉伸壓縮變化導(dǎo)致。

圖4 沖擊力-時(shí)間曲線圖

6 結(jié)語

在車鉤的沖擊連掛過程中，車鉤緩沖器所受沖擊力會(huì)隨著連掛狀態(tài)的變化而變化，沖擊力最大峰值力為606kN。因此，對(duì)其沖擊力進(jìn)行仿真分析，能夠得到車鉤緩沖器所受沖擊力的變化情況，對(duì)密接式車鉤的性能研究具有參考作用。