開(kāi)啟式液壓緩沖擋車(chē)器設(shè)計(jì)應(yīng)用研究

韓鵬賢 中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司上海經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)公司

1 概述

擋車(chē)器一般安裝于軌道盡頭線(xiàn)終端，是為了避免列車(chē)意外失控時(shí)沖出線(xiàn)路，防止人員傷害及車(chē)輛和其他設(shè)施（建筑物、軌道、車(chē)站、遂道等等）的損壞，確保運(yùn)營(yíng)安全的必不可少的安全設(shè)備。

但在某些特殊情況下，擋車(chē)器需要安裝于線(xiàn)路中端區(qū)域而不是軌道盡頭線(xiàn)終端，以達(dá)到阻斷軌道線(xiàn)路的目的，不僅能夠適用于有特殊運(yùn)營(yíng)需求的既有線(xiàn)路，也適用于新建線(xiàn)路的分期、分階段建設(shè)的正線(xiàn)、或與正線(xiàn)接通的聯(lián)絡(luò)線(xiàn)、工程線(xiàn)或營(yíng)業(yè)線(xiàn)改造的臨時(shí)“開(kāi)通”和“遮斷”等有特殊要求的線(xiàn)路。既能保證運(yùn)營(yíng)線(xiàn)路的行車(chē)安全，又能為后續(xù)工程的建造與銜接提供安全的線(xiàn)路運(yùn)行環(huán)境、便利的運(yùn)輸聯(lián)絡(luò)。

為此，需要研究開(kāi)發(fā)一種新型的擋車(chē)器產(chǎn)品，以滿(mǎn)足上述應(yīng)用要求。例如，上海軌道交通二號(hào)線(xiàn)，實(shí)際是分段運(yùn)行，廣蘭路站是分段運(yùn)行的交匯點(diǎn)，所以需要有擋車(chē)器設(shè)備安裝于股道中間，把虹橋站方向和浦東機(jī)場(chǎng)方向的列車(chē)隔開(kāi)，以防止意外發(fā)生。通常情況下，安裝在軌道上的這種擋車(chē)器處于制動(dòng)狀態(tài)，以防止來(lái)自虹橋機(jī)場(chǎng)方向列車(chē)失控，沖撞處于正常運(yùn)營(yíng)、折返浦東機(jī)場(chǎng)方向的列車(chē)。當(dāng)線(xiàn)路需要全線(xiàn)貫通時(shí)，擋車(chē)器則需要開(kāi)啟，處于非制動(dòng)狀態(tài)、矗立于軌道一側(cè)保證線(xiàn)路貫通、列車(chē)安全通過(guò)。

2 開(kāi)啟式擋車(chē)器的設(shè)計(jì)依據(jù)

開(kāi)啟式液壓緩沖擋車(chē)器與普通擋車(chē)器的應(yīng)用場(chǎng)景完全不同，所以其設(shè)計(jì)必須根據(jù)使用場(chǎng)合的實(shí)際工況作為依據(jù)。

2.1 限界要求

根據(jù)建筑限界和設(shè)備限界之間應(yīng)充分考慮建筑物上的設(shè)備和管線(xiàn)安裝位置，在寬度方向上設(shè)備和管線(xiàn)與設(shè)備限界之間應(yīng)留出20 mm～50 mm安全間隙。

線(xiàn)路貫通時(shí)，擋車(chē)器矗立于軌道一側(cè)，設(shè)備內(nèi)側(cè)邊緣距軌道中心≥1750 mm（凈距）。

2.2 擋車(chē)器設(shè)計(jì)參數(shù)

最大撞擊載荷：514 t（8輛、重載）；

最大撞擊速度：5 km/h（惰性速度）；

撞擊中心距軌面高度：720 mm；

鋼軌型號(hào)：60軌；

鋼軌軌距：1435 mm。

2.3 運(yùn)行要求

安裝于鐵路軌道混凝土基礎(chǔ)上，平時(shí)處于制動(dòng)狀態(tài)（中斷線(xiàn)路），可承受失控車(chē)輛的撞擊；當(dāng)線(xiàn)路需要貫通時(shí)，擋車(chē)器開(kāi)啟，處于非制動(dòng)狀態(tài)，并矗立于軌道一側(cè),保證線(xiàn)路貫通，車(chē)輛安全通過(guò)。

3 開(kāi)啟式液壓緩沖擋車(chē)器的設(shè)計(jì)

開(kāi)啟式液壓緩沖擋車(chē)器的設(shè)計(jì)分兩大部分，即擋車(chē)器主機(jī)設(shè)計(jì)和安裝基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。

3.1 擋車(chē)器主機(jī)設(shè)計(jì)

3.1.1 結(jié)構(gòu)特征

主機(jī)由鋼結(jié)構(gòu)主架、液壓緩沖器、鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)、卷?yè)P(yáng)機(jī)開(kāi)啟牽引系統(tǒng)、電路控制系統(tǒng)等五大部分組成。擋車(chē)器結(jié)構(gòu)如圖1所示。擋車(chē)器的主要受力部件主架三維圖如圖2所示。

圖1 擋車(chē)器結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 擋車(chē)器主架三維圖

鋼結(jié)構(gòu)主架上部安裝液壓緩沖器，液壓緩沖器定位于線(xiàn)路中心位置，液壓緩沖器的前端裝有旋轉(zhuǎn)撞擊頭，鋼結(jié)構(gòu)主架的下部通過(guò)前后支撐座鉸接于鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，同時(shí)鋼結(jié)構(gòu)主架內(nèi)部會(huì)自動(dòng)伸出支腿支撐于軌道中間，使鋼結(jié)構(gòu)主架保持工作時(shí)的穩(wěn)定性。

卷?yè)P(yáng)機(jī)開(kāi)啟牽引系統(tǒng)由固定于鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)后部的卷?yè)P(yáng)機(jī)、鋼絲繩、固定于墻壁上的定滑輪、固定于主架上的動(dòng)滑輪和固定于墻壁上的復(fù)位緩沖器組成。3.1.2受力分析和液壓緩沖器的選取

根據(jù)工況要求，設(shè)備須滿(mǎn)足車(chē)輛撞擊動(dòng)能：

需要選用一種制動(dòng)能力不小于上述撞擊動(dòng)能的液壓緩沖器，可滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

3.1.3 擋車(chē)器的工作原理

開(kāi)啟式液壓緩沖擋車(chē)器定位于線(xiàn)路中心位置。當(dāng)失控車(chē)輛沖撞擋車(chē)器時(shí)，車(chē)輛與旋轉(zhuǎn)撞擊頭接觸，承受失控車(chē)輛的慣性撞擊，并將失控車(chē)輛的慣性動(dòng)能傳遞給液壓緩沖器。液壓緩沖器吸收車(chē)輛撞擊動(dòng)能的同時(shí)，將撞擊力通過(guò)主架傳遞至鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，從而達(dá)到止停車(chē)輛的目的。鋼結(jié)構(gòu)主架的下部通過(guò)前后支撐座鉸接于鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，同時(shí)鋼結(jié)構(gòu)主架內(nèi)部會(huì)自動(dòng)伸出支腿支撐于軌道中間，使鋼結(jié)構(gòu)主架保持工作時(shí)的穩(wěn)定性。

當(dāng)需要線(xiàn)路貫通時(shí)，卷?yè)P(yáng)機(jī)通過(guò)鋼絲繩，經(jīng)過(guò)多組定滑輪和動(dòng)滑輪，提升鋼結(jié)構(gòu)主架到垂直位置，此時(shí)擋車(chē)器結(jié)構(gòu)部分處于鐵路機(jī)車(chē)車(chē)輛限界條件（距軌道中心1750 mm）以外，復(fù)位緩沖器被壓縮，此時(shí)車(chē)輛可以安全通行；當(dāng)需要阻斷線(xiàn)路時(shí)，卷?yè)P(yáng)機(jī)反轉(zhuǎn)，復(fù)位緩沖器推動(dòng)鋼結(jié)構(gòu)主架至一定角度，使其可以靠自身重力使液壓緩沖器定位于軌道中心位置，中斷線(xiàn)路。

開(kāi)啟式液壓緩沖擋車(chē)器的開(kāi)啟和中斷的極限位置由位置開(kāi)關(guān)通過(guò)電控箱控制，并由保險(xiǎn)銷(xiāo)鎖定。

手動(dòng)葫蘆用于斷電狀態(tài)下的應(yīng)急操作。當(dāng)出現(xiàn)電力故障或其他不可估計(jì)的問(wèn)題時(shí)，只能采取人工操作，可利用手動(dòng)葫蘆，以保證線(xiàn)路的正常使用，確保安全運(yùn)輸。

該擋車(chē)器操作簡(jiǎn)單、可在車(chē)控室和現(xiàn)場(chǎng)分別操作或組合操作，以保證操作過(guò)程的安全性。設(shè)備中通過(guò)手拉葫蘆、保險(xiǎn)銷(xiāo)、限位開(kāi)關(guān)的組合應(yīng)用保證了設(shè)備使用的安全性。

液壓緩沖器是擋車(chē)器的核心部件，用于吸收撞擊列車(chē)的動(dòng)能。其為一閉式液壓系統(tǒng)，其油缸體內(nèi)填充有一定壓力的氮?dú)饧耙欢康囊簤河汀５獨(dú)馀c液壓油被一活塞分別隔離于兩個(gè)密閉空間內(nèi)。由于氮?dú)饩哂锌蓧嚎s的特性，故而失控車(chē)輛撞擊液壓緩沖器的緩沖過(guò)程顯而易見(jiàn)，然后在失控車(chē)輛持續(xù)作用下液壓油從油缸體內(nèi)的一腔通過(guò)閥孔排向另一腔，此時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱量。這一過(guò)程是液壓緩沖擋車(chē)器作制動(dòng)功的過(guò)程，即消耗失控車(chē)輛慣性動(dòng)能的過(guò)程。

液壓緩沖器在被壓縮的同時(shí)，油缸體內(nèi)的總?cè)莘e在縮小、氮?dú)獾膲毫υ谠龃?，液壓緩沖器內(nèi)腔積聚了大量的壓力能，當(dāng)列車(chē)撤離后，液壓緩沖器可通過(guò)壓力能的自動(dòng)釋放幫助其自動(dòng)復(fù)位至原始工作位。液壓緩沖擋車(chē)器自動(dòng)復(fù)位功能將大大縮短事故處理時(shí)間，盡快恢復(fù)運(yùn)營(yíng)通車(chē)。

3.2 擋車(chē)器的安裝基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

安裝基礎(chǔ)是連接擋車(chē)器主機(jī)和道床的部件，除了起到連接的作用，也承受來(lái)自車(chē)輛的撞擊力和扭矩，安裝基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)必須根據(jù)擋車(chē)器的受力狀況來(lái)決定。

為滿(mǎn)足軌道交通的要求，擋車(chē)器和土建結(jié)構(gòu)接口采取防迷流的絕緣措施，即中間增加10 mm厚的橡膠絕緣板。

3.2.1 擋車(chē)器安裝基礎(chǔ)的受力分析

根據(jù)上述對(duì)擋車(chē)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，分析擋車(chē)器基礎(chǔ)的受力狀況。擋車(chē)器需承受F＝700 kN的水平撞擊力，其撞擊中心距軌面高度為720 mm，由于受到限界的控制，擋車(chē)器的設(shè)計(jì)主要尺寸如圖3和圖4所示。

圖3 擋車(chē)器安裝基礎(chǔ)示意圖

圖4 擋車(chē)器安裝基礎(chǔ)受力圖

擋車(chē)器安裝基礎(chǔ)分為基礎(chǔ)A和基礎(chǔ)B。

基礎(chǔ)A位于軌道路基上，與擋車(chē)器的鋼板基座通過(guò)螺栓連接，與隧道底板通過(guò)鋼筋連接，由于擋車(chē)器的水平撞擊力為700 kN，基礎(chǔ)A需承受的扭矩可分為水平面和垂直面的扭矩。計(jì)算中擋車(chē)器自重較小，可忽略不計(jì)。

水平面（側(cè)向）扭矩：M=700 kN×1.9 m=1330 kN·m

垂直面（縱向）扭矩：M=700 kN×0.861 m=603 kN·m

基礎(chǔ)B位于整體道床上，與擋車(chē)器通過(guò)銷(xiāo)釘連接，需承受垂直上拔力，其上拔力約為F=100 kN。

3.2.2 基礎(chǔ)A設(shè)計(jì)

基礎(chǔ)A采用C50鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)度為6 450 mm，寬度為450 mm。為保證基礎(chǔ)A能承受并傳遞擋車(chē)器巨大的縱向力和扭矩至矩形隧道底板上，通過(guò)植筋膠在矩形隧道底版上植入55根HRB500級(jí)φ20 mm鋼筋，鋼筋縱向布置間隔為350 mm，以保證基礎(chǔ)和底版的整體性，使基礎(chǔ)A和底板能錨固為一體；在基礎(chǔ)兩端設(shè)置高為300 mm的混凝土擋肩，以抵抗縱向撞擊力和水平扭矩。

擋車(chē)器鋼板基座和基礎(chǔ)的連接采用預(yù)埋尼龍?zhí)坠芎吐菪泪斁o固連接，并在基座和基礎(chǔ)間設(shè)置10 mm厚橡塑絕緣墊板，要求絕緣墊板與混凝土基礎(chǔ)及鋼板的摩擦系數(shù)大于0.55，并滿(mǎn)足絕緣電阻大于108 Ω，預(yù)埋套管和螺旋道釘?shù)目拱瘟Υ笥?00 kN。圖5為基座鋼板和基礎(chǔ)連接設(shè)計(jì)示意圖。

3.2.3 基礎(chǔ)B設(shè)計(jì)

基礎(chǔ)B長(zhǎng)度為600 mm，寬度為600 mm?；A(chǔ)B直接在原整體道床上鉆孔通過(guò)植筋膠植入4個(gè)尼龍?zhí)坠?，采用螺旋道釘緊固連接，并在鋼板基座和道床間設(shè)置10mm厚橡塑絕緣墊板，并滿(mǎn)足絕緣電阻大于108 Ω，預(yù)埋套管和螺旋道釘?shù)目拱瘟Υ笥?0 kN。圖6為基礎(chǔ)B和道床連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖。

3.2.4 其他配套設(shè)計(jì)

擋車(chē)器用電功率約2 kW，在安裝現(xiàn)場(chǎng)需配套380 V動(dòng)力電源，用于開(kāi)啟擋車(chē)器。車(chē)站控制室與擋車(chē)器安裝現(xiàn)場(chǎng)間需敷設(shè)控制電纜。

4 結(jié)束語(yǔ)

開(kāi)啟式液壓緩沖擋車(chē)器屬于國(guó)內(nèi)首創(chuàng)，填補(bǔ)了軌道交通行業(yè)內(nèi)開(kāi)、啟合一擋車(chē)器的又一空白，為軌道交通的安全運(yùn)營(yíng)提供了又一新型保障設(shè)備。

安裝于上海軌道交通二號(hào)線(xiàn)東延伸段工程廣蘭路站地下隧道內(nèi)的GYKQ720712型開(kāi)啟式液壓緩沖擋車(chē)器，經(jīng)過(guò)幾年的正常使用，目前狀態(tài)良好，受到用戶(hù)好評(píng)。

隨著軌道交通的高速發(fā)展，對(duì)軌道交通運(yùn)行的安全設(shè)施要求越來(lái)越高，同時(shí)軌道交通形式多樣，應(yīng)用場(chǎng)景層出不窮，由此需要性能優(yōu)良高質(zhì)量擋車(chē)器滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用要求。開(kāi)啟式液壓緩沖擋車(chē)器的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，對(duì)保證軌道交通運(yùn)營(yíng)安全暢通具有十分重要的意義。