城際動車組車鉤方案及碰撞能量吸收配置

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(中車青島四方機車車輛股份有限公司,山東 青島 266111)

0 引言

根據(jù)目前軌道交通的發(fā)展趨勢，為滿足區(qū)域經(jīng)濟快速發(fā)展，對城際軌道交通車輛的需求日益增加，城際動車組逐漸成為大家研究的熱點。城際動車組可實現(xiàn)與干線鐵路的互聯(lián)互通，既能在城際線路上運營，又能在客運專線上運營。滿足區(qū)域經(jīng)濟快速發(fā)展和城市群崛起對城際軌道交通的要求,滿足快起快停、快速乘降、載客量大、城間城郊運營的特點。

城際動車組采用6輛編組，設計運營速度為140 km/h，最高試驗速度為160 km/h。列車兩端采用全自動車鉤緩沖裝置，列車內(nèi)部車輛之間使用半永久車鉤緩沖裝置。全自動車鉤緩沖裝置可以實現(xiàn)列車之間機械、風路和電氣信號的自動連接、自動分解和手動分解；半永久車鉤緩沖裝置在列車內(nèi)部各個車輛之間用連接卡環(huán)連接成對使用，用于列車內(nèi)部各個車輛之間的機械的手動連接和手動分解。車鉤配置如下：

配置：+TC—MP—MP—MP—MP—TC+(+：全自動車鉤緩沖裝置；—：半永久車鉤緩沖裝置)

除了需要滿足列車正常的功能之外，城際動車組還設置了被動安全防護系統(tǒng)。被動安全防護系統(tǒng)主要由車鉤緩沖器、壓潰管和位于車端的防爬器組成，列車在多種速度條件下撞擊而對車體結構不產(chǎn)生損壞，并通過建立一維多體動力學模型對車鉤緩沖裝置的車鉤力等關鍵參數(shù)進行了分析計算。

1 全自動車鉤緩沖裝置

全自動車鉤緩沖裝置安裝在列車的兩端，主要用于列車之間的連掛，如動車組重聯(lián)、動車組救援、機車救援和回送等。主要由連掛系統(tǒng)、緩沖系統(tǒng)、安裝吊掛系統(tǒng)、壓潰裝置、電氣連接器等組成。

連掛系統(tǒng)采用了動車組普遍使用的10型機械車鉤。緩沖系統(tǒng)采用氣液緩沖器、環(huán)簧和橡膠軸承，拉伸方向的緩沖通過環(huán)簧和橡膠軸承來實現(xiàn)，壓縮方向的緩沖通過氣液緩沖器和橡膠軸承來實現(xiàn)，可以滿足列車運行過程中能量吸收功能；安裝吊掛系統(tǒng)采用橡膠支撐和機械對中方式，可以提供車鉤緩沖裝置的水平支撐和機械對中，同時保證車鉤緩沖裝置的轉動性；車鉤后部的壓潰裝置可以在列車發(fā)生碰撞等突發(fā)事件時，吸收沖擊能量；電氣連接器用于實現(xiàn)列車之間的電氣信號的連接。

1.1 連掛系統(tǒng)

連掛系統(tǒng)用于實現(xiàn)車輛間的機械和風路的連接。分別由機械車鉤、風管連接器等組成。

該機械車鉤為歐洲10型車鉤，用于實現(xiàn)車鉤之間的機械和風路的連掛分解。

10型車鉤上部安裝有列車管連接器，下部安裝有總風管連接器、解鉤風管連接器和連掛導桿，該連掛導桿可以增加車鉤可連掛的范圍。主要包括連掛桿、鉤舌桿、樞軸、拉伸彈簧、鉤體、氣閥等部件，連掛面設有導向作用的凸錐、凹錐和導向桿。車輛連掛時，車鉤相互接近，在凸錐、凹錐和導向桿的導向作用下相互進入對面車鉤的凹錐內(nèi)，連掛桿、鉤舌桿以樞軸為轉軸發(fā)生旋轉完成連掛。車鉤在牽引狀態(tài)，車鉤的連掛桿分別鉤住對方車鉤的連掛桿，這樣兩鉤連掛桿和兩個連掛桿形成一個平行四邊形，由于該平行四邊形兩對邊力大小相同，產(chǎn)生的轉動力矩方向相反，因此該平行四邊形機構總能保持平衡。通過這個穩(wěn)定的四邊形結構，兩個連掛桿可以將列車間的縱向牽引力傳遞到車鉤的連掛桿，并通過連掛桿的中心軸傳遞到鉤體上。當車鉤承受受壓荷載時，平行四邊形結構不受力，車鉤間的壓荷載通過車鉤的連掛面頂靠進行傳遞[1-5]。

解鉤氣缸安裝在機械車鉤右側，主要在車鉤進行自動解鉤時使用。進行解鉤操作時，電磁閥得電，解鉤氣缸充氣，氣缸活塞在空氣壓力作用下向前伸出，同時推動鉤舌做順時針旋轉，進行解鉤[2]。

10型車鉤在解鉤時，司機可以遠程操作向解鉤氣缸充氣，解鉤氣缸直接推動車鉤內(nèi)機構旋轉實現(xiàn)解鉤；同時也可以人工拉動車鉤側面的解鉤手柄實現(xiàn)解鉤。

總風管連結器(MRP)用于實現(xiàn)兩列車之間的總風連結，解鉤風管連結器(UP)可以實現(xiàn)兩車鉤之間解鉤氣路的連通，這兩個連接器分別安裝于車鉤連掛面下部。這兩種連結器都具有自動開閉的機構。

列車管連接器(BP閥)主要用于列車被普通機客車連掛牽引時提供制動信號。同時，在列車運行過程中，如果車鉤出現(xiàn)意外分離，該閥可以保持打開狀態(tài)，列車管中的空氣壓力會被迅速釋放，實現(xiàn)列車的停車制動。

1.2 壓潰裝置和緩沖系統(tǒng)

為滿足高速碰撞時的能量吸收要求，全自動車鉤緩沖裝置設有后安裝的膨脹式壓潰管，其結構參見圖3。膨脹式壓潰管具有較大的能量吸收能力，當列車在運行或連掛過程中發(fā)生碰撞，壓載荷低于壓潰管觸發(fā)力時，壓潰管吸能元件不發(fā)生動作，所有的沖擊能量將由緩沖器來吸收；壓載荷大于設定值時，壓潰管就發(fā)生作用產(chǎn)生塑性變形，最大限度吸收沖擊能量，以達到保證車輛安全和保護車輛設備目的。

車鉤緩沖裝置在牽引工況時，牽引載荷會通過緩沖系統(tǒng)內(nèi)部的氣液緩沖器殼體壓縮環(huán)簧實現(xiàn)傳遞，變形元件不受到影響；在壓縮工況時，車鉤緩沖裝置壓載荷遠低于壓潰裝置設定力值時，變形元件不發(fā)生動作，壓縮能量由氣液緩沖器來吸收，當壓縮載荷大于觸發(fā)力值時，壓力通過氣液緩沖器作用在氣液緩沖器殼體上，壓潰管的膨脹元件發(fā)生作用，壓潰管發(fā)生變形，同時吸收能量。

1.3 安裝吊掛系統(tǒng)

安裝吊掛系統(tǒng)由安裝座、鉤尾銷、對中機構、支撐機構等組成。其作用是保證車鉤緩沖裝置能夠在水平面和垂直面內(nèi)一定范圍內(nèi)靈活轉動，并具有垂直面內(nèi)自支撐功能和水平面一定范圍內(nèi)自動對中的功能。

車鉤緩沖裝置的支撐與鉤高調(diào)整是由支撐機構實現(xiàn)的。當需要調(diào)整鉤高時，先將支架下面鎖緊螺母松開。如果車鉤鉤頭下垂，順時針方向擰緊兩側螺栓相同的圈數(shù)，直至車鉤達到垂直對中要求，重新擰緊螺母。如果車鉤鉤頭上翹，逆時針方向松動螺栓相同的圈數(shù)，直至車鉤達到垂直對中要求，實現(xiàn)鉤高的調(diào)整。當自動車鉤在橫向外力作用下將偏離縱向中心線，外力撤銷后通過對中機構中碟簧力的作用驅使自動車鉤回復到縱向中心線位置，從而實現(xiàn)車鉤的對中。

1.4 連接卡環(huán)

連接卡環(huán)用于連接緩沖器和連掛系統(tǒng)，當緩沖器和連掛系統(tǒng)的圓形法蘭對齊后，分別放入上下兩半卡環(huán)，然后將卡環(huán)螺栓螺母擰緊即實現(xiàn)連接。

1.5 電氣連接器

電氣連接器用于實現(xiàn)列車之間的電氣信號的連接，當機械車鉤連掛完成后，電氣連接器自動推出實現(xiàn)電氣連掛，當機械車鉤分解后，電氣連接器被自動推回實現(xiàn)電氣分解。

該電氣連接器的分左右兩側安裝在機械車鉤的上方，由氣缸推動伸出和回縮。

電氣連接器氣缸的推出和回縮由一套氣路控制系統(tǒng)實現(xiàn)，其原理如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)原理圖

待連掛位時，總風通過V1閥進入氣控單元，通過ON/OFF閥和二位五通閥，再通過單向節(jié)流閥進入推送氣缸前端，電氣連接器保持縮回。

連掛位時，鉤舌轉動帶動凸輪驅動二位五通閥換向，總風通過二位五通閥和氣控閥V2進入推送氣缸后端，電氣連接器伸出，實現(xiàn)連掛。調(diào)節(jié)單向節(jié)流閥可以調(diào)節(jié)電氣連接器的伸出速度，有效保護電氣連接器。

解鉤時，UC(解鉤)風壓進入氣控單元，經(jīng)過濾器后進入解鉤氣缸，使鉤舌轉動帶動鉤舌凸輪驅動二位五通閥換向，總風進入推送氣缸前端，電氣連接器縮回，實現(xiàn)分離。

如果車鉤未進行正常連掛解鉤操作，而只是人為敲擊車鉤連掛觸發(fā)器，使車鉤內(nèi)部結構旋轉至連掛位置，系統(tǒng)能夠識別出這種非連掛操作，電氣連接器不會被推出，其原理在于，未連掛狀態(tài)下MRP閥前端與大氣相通，不能推動V2換向，在此情況下，電氣連接器推送氣缸不充風，且與大氣相連通，因此電氣連接器不會推出，實現(xiàn)保護電氣連接器的功能。

1.6 主要技術參數(shù)

縱向拉伸屈服強度:1000 kN;

縱向壓縮屈服強度:1500 kN;

車鉤總長:1500 mm;

車鉤回轉中心距離車鉤安裝座底面距離: 140 mm;

最大水平轉角:±35°;

最大主動對中角:±7°;

最大垂直轉角:±6°。

氣液緩沖器：行程為100 mm，初壓力為70 kN，最大動態(tài)阻抗力為1000 kN。

環(huán)簧：行程為30 mm,初壓力為85 kN,最大阻抗力為600 kN。

壓潰裝置：工作力為1100 kN，行程為600 mm。

2 半永久車鉤緩沖裝置

半永久車鉤緩沖裝置由半永久車鉤A和半永久車鉤B組成，兩種車鉤成對使用。兩車鉤僅連掛面不同，兩車鉤之間采用連接卡環(huán)進行手工連接和分解，該連接卡環(huán)與頭車全自動車鉤連接卡環(huán)完全相同。半永久車鉤包括連接裝置、壓潰管和安裝吊掛裝置。

2.1 壓潰管

為滿足沖擊車輛沖擊能量吸收要求，帶壓潰管車鉤配置了膨脹式壓潰管，行程為300 mm。列車在運行或者連掛過程中，車鉤緩沖裝置受到的縱向壓載荷大于設定值時，壓潰裝置開始發(fā)生作用，吸收沖擊能量，達到保護人身和車輛設備安全目的[6-7]。

2.2 安裝吊掛裝置

安裝吊掛裝置用于將車鉤連接安裝到車體上，該裝置上的環(huán)形橡膠元件可以吸收連掛及運用過程的沖擊。同時該裝置可以提供垂直方向和扭轉方向的旋轉功能。

半永久車鉤的垂向支撐結構為臨時性的剛性支撐。車鉤在裝車之后、實現(xiàn)連掛之前，需要垂向支撐以便將貫通道保持在水平位置，此時應手動將支撐螺栓擰緊到位，使螺栓底部與安裝板相接觸，從而保證垂向的支撐剛度。連掛編組完成后，需要將支撐螺栓擰松到自由位置并將防松背母擰緊，以保證半永久車鉤在水平和垂直方向內(nèi)的自由擺動，保持車鉤的轉動靈活性。

2.3 半永久車鉤主要參數(shù)

縱向拉伸屈服強度:1000 kN;

縱向壓縮屈服強度:1500 kN;

車鉤總長:3000 mm;

最大水平轉角：±15°

最大垂直轉角：±6°

環(huán)形橡膠吸能：行程為40 mm,最大阻抗力為1000 kN;

壓潰管：行程為300 mm; 觸發(fā)力為1000 kN。

3 能量吸收

為了驗證城際動車組概念車車鉤緩沖裝置技術方案是否滿足頂層指標的要求，需要對動車組分別以一定速度進行撞擊工況下的車鉤力、緩沖器行程、壓饋管行程等參數(shù)進行仿真分析。

3.1 計算模型

式中,mi為第i車的質量；fti為第i車的牽引力，作用于動車，切制動時該項為0；fci-1、fci為第i車的前、后車鉤力，特性曲線在落錘試驗結果基礎上給出；fbi為第i車的電空制動力，作用于拖車，僅制動時有該項；fdbi為第i車的電制動力，作用于動車，僅在制動時有該項；fωi為第i車的運行阻力。

車輛運行阻力一般用下列公式計算：

fωi=mi·ωi

式中,fωi為第i輛車的運行阻力；ωi為第i輛車的單位質量阻力，由下列各項組成：

ωi=ωoi+ωsi+ωri

其中：ωoi為第i輛車的單位基本阻力；ωsi為第i輛車的單位坡道阻力；ωri為第i輛車的單位曲線阻力。

列出動車組中每輛車的動力學方程，運用數(shù)值方法便可對列車的縱向運動規(guī)律進行研究。列車連掛撞擊模型如圖2所示。

圖2 列車撞擊模型圖

3.2 計算條件及工況

3.2.1 計算條件

列車AW0時重量

≤270 t

列車AW2時重量(AW0+乘客重量)

≥1332人/列

乘客人均重量按60 kg/人計算，計算用質量系數(shù)取90%，停放制動系數(shù)取0.15。

緩沖器性能曲線見圖3。

圖3 緩沖器性能曲線

3.2.2 計算工況

一列AW0列車以5 km/h速度撞擊停放在軌道上的相同的列車，此時緩沖器可以吸收全部撞擊能量，壓潰管不觸發(fā)，車體結構無任何損壞；

一列AW2列車以5 km/h速度撞擊停放在軌道上的相同的列車；此時緩沖器可以吸收全部撞擊能量，壓潰管不觸發(fā)，車體結構無任何損壞；

一列AW0列車以15 km/h速度撞擊停放在軌道上的相同的列車；此時緩沖器和壓潰管可以吸收全部撞擊能量，車體結構無任何損壞；

一列AW0列車以25 km/h速度撞擊停放在軌道上的相同的列車，此時緩沖器、壓潰管與防爬器可以吸收全部能量，車體結構無損壞。

3.3 計算結果

3.3.1 AW0連掛沖擊速度為5 km/h

圖4是一列AW0的6輛編組的地鐵列車以5 km/h速度與另一列靜止并處于停放制動狀態(tài)的AW0的6輛編組的地鐵列車沖擊后的編組。

圖4 沖擊速度為5 km/h時連掛后編組

對沖擊過程進行仿真，圖5是各斷面車鉤力的時間歷程曲線，各斷面處緩沖器的位移與車鉤力的關系曲線如圖6所示。

圖5 兩列AW0列車以5 km/h撞擊時車鉤力的時間歷程

圖6 兩列AW0列車以5 km/h撞擊時沖擊斷面緩沖器阻抗力-行程曲線

從計算結果可以看出，最大車鉤力發(fā)生在直接沖擊的連掛斷面上，車鉤壓縮力峰值為507 kN，緩沖器沒有走完行程，最大撞擊力小于壓潰管的觸發(fā)力。所有斷面車鉤力和緩沖器行程見表1。

通過分析斷面的緩沖器阻抗力與行程曲線圖，當列車以5 km/h的速度撞擊時，最大斷面的車鉤力未超過600 kN，行程未超過70 mm，表明該斷面間的車鉤力未達到壓饋管的觸發(fā)力，壓饋管沒有發(fā)生變形，緩沖器也未壓死。壓饋管的行程為0，沒有觸發(fā)變形，緩沖器吸收了全部的沖擊載荷，車體結構受力沒有超過設計載荷，未發(fā)生損壞。

表1 兩列AW0列車以5 km/h撞擊時，各斷面最大車鉤力、緩沖器行程

3.3.2 AW2連掛沖擊速度為5 km/h

一列AW2的6輛編組的地鐵列車以5 km/h速度與另一列靜止并處于停放制動狀態(tài)的AW2的6輛編組的地鐵列車沖擊。

從計算結果可以看出，最大車鉤力發(fā)生在直接沖擊的連掛斷面上，車鉤壓縮力峰值為548 kN，中間斷面緩沖器沒有走完行程，最大撞擊力小于壓潰管的觸發(fā)力。所有斷面車鉤力和緩沖器行程見表2。

表2 兩列AW2列車以5 km/h撞擊時，各斷面最大車鉤力、緩沖器行程

通過分析表2可知，當列車以5 km/h的速度撞擊時，最大斷面的車鉤力未超過600 kN，行程未超過70 mm，表明該斷面間的車鉤力未達到壓饋管的觸發(fā)力，壓饋管沒有發(fā)生變形，緩沖器也未壓死。壓饋管的行程為0，沒有觸發(fā)變形，緩沖器吸收了全部的沖擊載荷，車體結構受力沒有超過設計載荷，未發(fā)生損壞。

3.3.3 AW0列車連掛沖擊速度為15 km/h

一列6輛編組的AW0地鐵列車以15 km/h速度與另一列靜止并處于停放制動狀態(tài)的6輛編組的AW0地鐵列車沖擊。

從計算結果中可以看出，最大車鉤力發(fā)生在直接沖擊的連掛斷面上，車鉤壓縮力峰值為1100 kN，沖擊斷面壓潰管行程281.2 mm，單側壓潰管行程為140.6 mm。所有斷面車鉤力和緩沖器行程見表3。

通過分析斷面的緩沖器阻抗力與行程曲線圖，當列車以15 km/h的速度撞擊時，位于列車的第1和第11斷面的車鉤力較小，未超過600 kN，行程未超過70 mm，表明該斷面間的車鉤力未達到壓饋管的觸發(fā)力，壓饋管沒有發(fā)生變形，緩沖器也未壓死。在第2至第10斷面的車鉤力較大，均超過1000 kN，行程也超過或者接近100 mm，表明該斷面間的車鉤力已達到壓饋管的觸發(fā)力，壓饋管發(fā)生了變形，吸收了沖擊功，車鉤力處于1000 kN的行程越大，壓饋管變形程度越大，吸收的能量越大。壓饋管的變形程度由端部向中部逐步增大。壓饋管的行程未超過設計行程，還留有一定的裕量，吸能裝置吸收了全部的沖擊載荷，車體結構受力沒有超過設計載荷，未發(fā)生損壞。

表3 兩列AW0列車以15 km/h撞擊時，各斷面最大車鉤力、緩沖器行程及壓潰管行程

3.3.4 AW0列車連掛沖擊速度為25 km/h

一列4輛編組的AW0地鐵列車以25 km/h速度與另一列靜止并處于停放制動狀態(tài)的4輛編組的AW0地鐵列車沖擊。

對沖擊過程進行仿真，圖7是各斷面車鉤力的時間歷程曲線，各斷面處緩沖器的位移與車鉤力的關系曲線如圖8所示。

圖7 兩列AW0列車以25 km/h撞擊時車鉤力的時間歷程

圖8 兩列AW0列車以25 km/h撞擊時沖擊斷面緩沖器阻抗力-行程曲線

從計算結果中可以看出，最大車鉤力發(fā)生在直接沖擊的連掛斷面上，車鉤壓縮力峰值為1200 kN，沖擊斷面壓潰管走完行程，防爬器行程為677 mm。所有斷面車鉤力和緩沖器行程見表4。

表4 兩列AW0列車以25 km/h撞擊時，各斷面最大車鉤力、緩沖器行程及壓潰管行程

通過分析斷面的緩沖器阻抗力與行程曲線圖，當列車以25 km/h的速度撞擊時，位于列車的第1和第11斷面的車鉤力較小，未超過600 kN，行程未超過70 mm，表明該斷面間的車鉤力未達到壓饋管的觸發(fā)力，壓饋管沒有發(fā)生變形，緩沖器也未壓死。在第2至第10斷面的車鉤力較大，均超過1000 kN，行程也超過或者接近100 mm，表明該斷面間的車鉤力已達到壓饋管的觸發(fā)力，壓饋管發(fā)生了變形，吸收了沖擊功，車鉤力處于1000 kN的行程越大，壓饋管變形程度越大，吸收的能量越大。壓饋管的變形程度由端部向中部逐步增大。壓饋管的行程未超過設計行程，還留有一定的裕量，吸能裝置吸收了全部的沖擊載荷，車體結構受力沒有超過設計載荷，未發(fā)生損壞。

4 結論

通過對兩輛列車以不同速度連掛時的仿真結果，我們可以得出以下結論：

當兩列AW0列車以5 km/h發(fā)生連掛時，緩沖器系統(tǒng)吸收全部沖擊能量，壓潰管不會被觸發(fā)，沖擊斷面最大車鉤力為507 kN。

當兩列AW2列車以5 km/h發(fā)生連掛時，緩沖器系統(tǒng)能夠全部吸收沖擊能量，沖擊斷面最大車鉤力為548 kN。

當兩列AW0列車以15 km/h發(fā)生連掛時，緩沖器、壓潰管吸收全部能量，沖擊斷面壓潰管行程281.2 mm，單側壓潰管行程為140.6 mm。

當兩列AW0列車以25 km/h發(fā)生連掛時，緩沖器、壓潰管和防爬器能吸收全部能量，沖擊斷面壓潰管走完行程，防爬器行程為677 mm。

通過計算分析，城際動車組車鉤緩沖裝置的碰撞能量吸收配置滿足設計要求。