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    氣液-壓潰組合式緩沖裝置沖擊吸能特性實(shí)驗(yàn)研究

    2020-05-29 10:12:08車全偉王晉樂(lè)趙士忠于洋洋譚博文
    鐵道學(xué)報(bào) 2020年4期
    關(guān)鍵詞:油腔車鉤緩沖器

    車全偉,許 平,王晉樂(lè),趙士忠,于洋洋,譚博文

    (1.中南大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410075;2.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司,山東 青島 266111;3.中南大學(xué) 軌道交通安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南 長(zhǎng)沙 410075;4.中南大學(xué) 軌道交通安全關(guān)鍵技術(shù)國(guó)際合作聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室,湖南 長(zhǎng)沙 410075;5.中南大學(xué) 軌道交通列車安全保障技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心,湖南 長(zhǎng)沙 410075)

    中間車鉤是軌道車輛上最重要的部件之一,主要由鉤體、緩沖吸能裝置、連接卡環(huán)裝置及車鉤座等構(gòu)成。車輛與車輛之間通過(guò)中間車鉤進(jìn)行連接,實(shí)現(xiàn)整列車編組運(yùn)營(yíng)。在列車運(yùn)行過(guò)程中,車鉤可以傳遞縱向荷載,如牽引力和制動(dòng)力,使車輛之間保持一定距離[1]。車鉤中的緩沖裝置在列車啟動(dòng)、制動(dòng)、調(diào)車作業(yè)以及列車運(yùn)營(yíng)作業(yè)中牽引力發(fā)生變化時(shí)能夠緩和車輛間的縱向沖擊和振動(dòng)[2]。另外車鉤緩沖吸能裝置作為車輛間主要的吸能部件,在列車發(fā)生碰撞時(shí),能吸收大量沖擊動(dòng)能,降低乘員損傷,保護(hù)乘客安全。由此可見(jiàn),車鉤對(duì)于列車的安全運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用,對(duì)其抗沖擊性能的研究已經(jīng)是軌道交通領(lǐng)域的重要研究課題。

    當(dāng)前高速動(dòng)車組快速發(fā)展的大環(huán)境下,作為車輛間重要的連接部件,對(duì)動(dòng)車組車鉤的研究更為迫切。動(dòng)車組中間車鉤緩沖吸能裝置主要有鋼彈簧緩沖器、橡膠緩沖器、液壓緩沖器和氣液緩沖器。如CRH2系列/CRH380 A使用的柴田半永久車鉤采用橡膠緩沖器,其緩沖器容量為10.78 kJ;CRH3/CRH380B使用的福伊特半永久車鉤緩沖吸能裝置由金屬環(huán)簧緩沖器、橡膠緩沖墊以及氣液緩沖器組成,其中,金屬環(huán)簧緩沖器容量為7.8 kJ,氣液緩沖器容量為40 kJ;CRH5使用的丹納半永久車鉤緩沖吸能裝置由金屬環(huán)簧緩沖器、橡膠緩沖墊以及氣液緩沖器組成,金屬環(huán)簧緩沖器容量為2.5 kJ,橡膠緩沖器容量為16 kJ,氣液緩沖器容量為75 kJ;CRH1系列的中間半永久車鉤緩沖吸能裝置由金屬環(huán)簧緩沖器、橡膠緩沖墊、壓潰管組成,其金屬環(huán)簧緩沖器容量為17 kJ,壓潰管容量達(dá)到525 kJ[3]。綜合對(duì)比發(fā)現(xiàn),氣液緩沖器與壓潰管的吸能量明顯高于其他類型的緩沖吸能裝置。同時(shí)氣液緩沖器使用氮?dú)鈴椈珊鸵后w黏滯阻力,具有容量大、性能穩(wěn)定、良好的阻抗特性、無(wú)磨耗和維修量少等特點(diǎn)[4]。因此,新統(tǒng)型的某中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組中間車鉤緩沖吸能裝置采用氣液緩沖器與壓潰管的串聯(lián)結(jié)構(gòu),以滿足更高運(yùn)行速度中的緩沖與耗能需求。同時(shí),既有中間車鉤實(shí)驗(yàn)研究只針對(duì)單獨(dú)的緩沖器或壓潰管,對(duì)于氣液緩沖器與壓潰管串聯(lián)模式的緩沖裝置吸能特性的研究還尚未開(kāi)展。因此,本文將以高速列車中間車鉤為研究對(duì)象,探究其耐沖擊行為。

    目前,車鉤耐沖擊性能的研究主要包括數(shù)學(xué)模型、靜壓實(shí)驗(yàn)、落錘實(shí)驗(yàn)與沖擊實(shí)驗(yàn)。文獻(xiàn)[5]推導(dǎo)氣液緩沖器吸能量的計(jì)算公式,結(jié)合實(shí)際車輛連掛給出了緩沖能量的數(shù)值算例。文獻(xiàn)[6]建立車輛連掛沖擊的數(shù)學(xué)模型和緩沖器修正模型,研究了鋼彈簧緩沖器、橡膠緩沖器、液壓緩沖器間的組合對(duì)車輛縱向沖擊特性的影響。文獻(xiàn)[7]采用多體動(dòng)力學(xué)方法,建立包括軌道、輪軌、車鉤等多子系統(tǒng)的列車縱向-垂向平面碰撞動(dòng)力學(xué)模型,研究列車碰撞響應(yīng)機(jī)理。其中在對(duì)車鉤建模時(shí),根據(jù)實(shí)際車鉤的動(dòng)態(tài)特性曲線通過(guò)擬合方法獲得了車鉤的力函數(shù)。文獻(xiàn)[8]建立兩列車的對(duì)撞三維多體動(dòng)力學(xué)模型,分析發(fā)現(xiàn)車鉤作為列車碰撞過(guò)程中第一級(jí)吸能部件,能夠有效保護(hù)車體。文獻(xiàn)[9]對(duì)緩沖器建立一種改進(jìn)的非線性數(shù)學(xué)模型,其中考慮了弧面摩擦的影響,并增加了車鉤轉(zhuǎn)角失效單元,研究了車鉤的穩(wěn)定性與列車運(yùn)行安全。文獻(xiàn)[10]建立考慮不同車鉤和緩沖系統(tǒng)的列車動(dòng)力學(xué)模型,分析車鉤阻抗力和容量對(duì)列車運(yùn)行安全的影響。由于車鉤實(shí)際使用過(guò)程中強(qiáng)烈的非線性特性,采用數(shù)值模型并不能準(zhǔn)確地得到車鉤的力學(xué)特性,因此需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)分析車鉤的力學(xué)行為,并獲取其特性曲線。文獻(xiàn)[11-12]對(duì)車鉤緩沖系統(tǒng)進(jìn)行靜強(qiáng)度實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了車鉤的伸縮性能,并分析了車鉤的靜態(tài)特性。文獻(xiàn)[13]采用落錘實(shí)驗(yàn)研究緩沖器在加載和卸載過(guò)程中的遲滯特性,建立緩沖器非線性遲滯模型。文獻(xiàn)[14]通過(guò)12 t落錘實(shí)驗(yàn)研究車鉤緩沖器的特性曲線,并驗(yàn)證了低速臺(tái)車沖擊實(shí)驗(yàn)的有效性。由于氣液緩沖器的耐碰撞性能受沖擊質(zhì)量、沖擊速度影響較大[15],中間車鉤長(zhǎng)度為2.3 m,落錘高度受到限制,實(shí)驗(yàn)速度無(wú)法滿足實(shí)驗(yàn)要求。而臺(tái)車沖擊實(shí)驗(yàn)由于其更好的靈活性,沖擊速度、沖擊質(zhì)量和能量均能模擬軌道車輛車鉤的撞擊場(chǎng)景需求,因此對(duì)車鉤的動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)采用臺(tái)車沖擊實(shí)驗(yàn)。文獻(xiàn)[16]采用臺(tái)車沖擊實(shí)驗(yàn)研究頭鉤不同速度下的連掛特性,其實(shí)驗(yàn)方法是將一輛臺(tái)車前端安裝車鉤的臺(tái)車沖擊另外一個(gè)安裝在剛性墻上的車鉤,考查其連接特性。然而,中間車鉤與頭鉤不同,在動(dòng)車組實(shí)際運(yùn)營(yíng)過(guò)程中始終處于連掛狀態(tài),其作用特性受前后兩節(jié)車輛狀態(tài)共同影響,其中包括復(fù)雜的輪軌關(guān)系、懸掛特性、動(dòng)力分布等因素;其所受沖擊速度也非列車碰撞速度,而是車輛間的相對(duì)速度。因此,需要對(duì)該種中間車鉤設(shè)計(jì)特定的工裝,來(lái)滿足實(shí)驗(yàn)的要求。

    1 氣液-壓潰組合式緩沖裝置吸能特性理論分析

    國(guó)內(nèi)某型號(hào)動(dòng)車組用中間車鉤總長(zhǎng)為2.3 m,結(jié)構(gòu)如圖1所示,由一端帶緩沖器和一端帶壓潰管的兩種車鉤成對(duì)配合,實(shí)現(xiàn)車輛之間的機(jī)械連接。兩種車鉤之間通過(guò)連接卡環(huán)進(jìn)行手工連接,采用易分離式連接卡環(huán)連接,能夠確保連掛牢固、可靠、無(wú)間隙[17]。帶緩沖器中間車鉤內(nèi)裝有環(huán)簧和氣液緩沖器,由安裝座、鉤尾銷、拉環(huán)橡膠軸承、氣液緩沖器、風(fēng)管連接器等零部件組成。帶壓潰管中間車鉤裝有壓潰管裝置,由安裝座、鉤尾銷、拉環(huán)橡膠軸承、壓潰管、連接卡環(huán)及風(fēng)管連接器等組成。

    動(dòng)車組中間車鉤在列車啟動(dòng)、制動(dòng)、調(diào)車作業(yè)以及列車運(yùn)行等低速?zèng)_擊作用下,主要通過(guò)氣液緩沖器吸收沖擊動(dòng)能,緩和車輛間的縱向沖擊和振動(dòng)。配置有該中間車鉤的8編組列車滿足7 km/h正常連掛,確保車體結(jié)構(gòu)不發(fā)生永久變形,其抗拉設(shè)計(jì)載荷不小于1 000 kN,抗壓設(shè)計(jì)載荷不小于1 500 kN。

    1.1 氣液緩沖器吸能特性理論分析

    動(dòng)車組中間車鉤氣液緩沖器結(jié)構(gòu)原理[3]如圖2所示,緩沖器采用拉壓獨(dú)立的緩沖裝置。油腔中注滿液壓油,氣腔中為高壓氮?dú)?,氣腔與油腔間通過(guò)浮動(dòng)活塞隔離。在受壓時(shí),柱塞被壓入油腔,油腔1中的液壓油通過(guò)阻尼環(huán)及阻尼棒形成的環(huán)縫和單向錐閥與柱塞端部形成的錐閥節(jié)流孔流到油腔2中,使得油腔2油量增大,浮動(dòng)活塞向左移動(dòng),氣腔中的氮?dú)獗粔嚎s。當(dāng)沖擊結(jié)束后,高壓氮?dú)鈱⒒钊謴?fù)到原來(lái)的位置[5]。在受拉時(shí),環(huán)彈簧受到擠壓,發(fā)生徑向變形,內(nèi)外環(huán)彈簧之間摩擦吸收沖擊能量[18]。

    圖2 氣液緩沖器主要結(jié)構(gòu)

    壓縮過(guò)程中氣液緩沖器阻抗力可以表示為

    F=A1P1=A1(ΔP+P3)

    (1)

    油腔1的流量連續(xù)性方程為

    (2)

    式中:A1為油腔1有效作用面積;Δx1為阻尼棒行程;Q為油腔1的流量;Δt為單位時(shí)間;V1為壓縮過(guò)程中油腔1油液的體積;P1為油腔1油液壓力;P3為氣腔壓力;K為液壓油體積彈性模量。

    液壓油流經(jīng)阻尼環(huán)與阻尼棒形成縫隙的壓力-流量特性為

    (3)

    式中:Q為通過(guò)縫隙流量;d為阻尼棒直徑;ΔP為縫隙兩端壓差;l為縫隙長(zhǎng)度;δ為縫隙間距;v為阻尼棒與阻尼環(huán)相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度;μ為液壓油動(dòng)力黏度。

    緩沖過(guò)程為絕熱過(guò)程,壓縮氣體的理想狀態(tài)方程為

    (4)

    式中:P0為氮?dú)獬跏級(jí)簭?qiáng);V0為氮?dú)獬跏俭w積;A3為氣腔的有效作用面積;n為氣體多變指數(shù),氮?dú)馐请p原子氣體,n可取為1.40~1.41[4]。

    氣液緩沖器壓縮理論計(jì)算與靜壓實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析如圖3所示。由式(1)得出的氣液緩沖器理論值能夠較好地應(yīng)對(duì)緩沖器的壓縮行程。靜壓實(shí)驗(yàn)得到緩沖器最大壓縮行程為62 mm,最大阻抗力為800 kN。

    圖3 氣液緩沖器壓縮理論計(jì)算與靜壓實(shí)驗(yàn)對(duì)比

    1.2 膨脹壓潰管吸能特性理論分析

    動(dòng)車組中間車鉤膨脹壓潰管主要用來(lái)承受車輛的縱向中高速?zèng)_擊,主要由膨脹錐、套筒以及兩者的連接裝置等結(jié)構(gòu)組成,如圖4所示。在車輛正常運(yùn)行時(shí),依靠連接裝置實(shí)現(xiàn)拉伸縱向載荷的傳遞。當(dāng)沖擊力達(dá)到壓潰管阻抗力閾值,結(jié)構(gòu)縱向壓縮時(shí),膨脹錐擠壓外套筒,外套筒發(fā)生鼓脹變形,沖頭處受到外套筒周向塑性變形的擠壓力與縱向滑動(dòng)摩擦力,通過(guò)膨脹錐與套筒之間的摩擦以及外套筒塑性變形耗散能量[19]。壓潰管內(nèi)套筒設(shè)置有觸發(fā)標(biāo)記。

    圖4 壓潰管主要結(jié)構(gòu)

    壓縮過(guò)程中,外套筒膨脹塑性變形,總軸向力可以表示為[20]

    F=2πr0t0σx

    (5)

    式中:r0為外套筒原始內(nèi)徑;t0為外套筒壁厚;σx為軸向應(yīng)力。

    其中軸向應(yīng)力σx可以表示為

    (6)

    參數(shù)a,b,c為

    式中:β來(lái)自塑性屈服準(zhǔn)則,對(duì)于平面應(yīng)力狀態(tài)β為1.15;σs為鋼塑性材料模型中的屈服應(yīng)力;B為鋼塑性材料模型中的塑性強(qiáng)化系數(shù);α為沖頭膨脹角;μ為摩擦系數(shù);r′為外套管最終膨脹半徑。

    膨脹管最終膨脹內(nèi)徑r′為

    r′=ktanα+r1

    (7)

    式中:r1為內(nèi)套筒外徑。

    壓潰管理論計(jì)算與靜壓實(shí)驗(yàn)對(duì)比如圖5所示,壓潰管最大壓縮行程為350 mm,阻抗力為1 470 kN。由式(5)理論計(jì)算結(jié)果為1 228 kN。

    2 臺(tái)車沖擊實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

    動(dòng)車組用中間車鉤為半永久車鉤,在實(shí)際運(yùn)營(yíng)過(guò)程中始終處于連掛狀態(tài),并緩沖相鄰車輛間速度差異導(dǎo)致的縱向沖擊載荷。為模擬中間車鉤的真實(shí)連掛狀態(tài),本次實(shí)驗(yàn)將臺(tái)車1與臺(tái)車2通過(guò)動(dòng)車組用中間車鉤進(jìn)行固連,并沖擊剛性墻,其中,臺(tái)車1前端布置吸能元件以緩解與剛性墻的剛性沖擊,沖擊實(shí)驗(yàn)方法如圖6(a)所示。

    測(cè)量?jī)x器布置如圖6(b)所示,在臺(tái)車2端面車鉤座中間處安裝有縱向加速度傳感器,用以獲取沖擊過(guò)程中中間車鉤輸出阻抗力所造成臺(tái)車2加速度變化情況。通過(guò)高速攝影機(jī)獲取碰撞過(guò)程中中間車鉤兩車鉤座間位移變化情況。綜合碰撞過(guò)程中臺(tái)車2加速度計(jì)導(dǎo)出的車鉤力變化情況與中間車鉤兩車鉤座間位移變化來(lái)分析中間車鉤的作用性能。

    圖6 中間車鉤沖擊實(shí)驗(yàn)方法

    中間車鉤沖擊實(shí)驗(yàn)裝置如圖7所示。車鉤設(shè)計(jì)吸能量550 kJ,考慮最大實(shí)驗(yàn)速度30 km/h,安全系數(shù)為1.5。現(xiàn)有臺(tái)車質(zhì)量分別為26、13.5 t,前后臺(tái)車質(zhì)量應(yīng)盡量保持一致,則臺(tái)車1質(zhì)量設(shè)置為26 t,臺(tái)車2質(zhì)量配置為30 t。中間車鉤質(zhì)量450 kg,在臺(tái)車1沖擊端安裝有蜂窩鋁吸能元件,避免臺(tái)車1與剛性墻的剛性碰撞。實(shí)驗(yàn)中,蜂窩鋁力級(jí)大小對(duì)臺(tái)車1減速度值影響顯著,進(jìn)而對(duì)臺(tái)車1與臺(tái)車2 的速度差值變化產(chǎn)生較大影響。因此,臺(tái)車1前端吸能元件選定應(yīng)盡量靠近動(dòng)車組相應(yīng)位置的吸能配置,為真實(shí)再現(xiàn)臺(tái)車1與臺(tái)車2之間速度差值,為中間車鉤的力變化關(guān)系提供良好的外部條件,本實(shí)驗(yàn)選用壓縮行程300 mm,力級(jí)3 000 kN的蜂窩鋁塊。

    圖7 中間車鉤沖擊實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景

    蜂窩鋁力級(jí)大小直接影響臺(tái)車1的加速度,臺(tái)車2加速度恒定,進(jìn)而影響車鉤壓縮速度。蜂窩鋁吸能元件安裝時(shí)與臺(tái)車1重心對(duì)齊,中間車鉤安裝時(shí)與臺(tái)車1、臺(tái)車2重心對(duì)齊。使用高速攝影機(jī)(NAC MEMRECAM HX-3)記錄中間車鉤區(qū)域(圖1)變形情況,高速攝影機(jī)每秒拍攝張數(shù)為5 000 fps。使用加速度傳感器(Endevco 7264H-1KTZH-300)記錄碰撞過(guò)程中臺(tái)車2的加速度變化情況,加速度傳感器采樣頻率為20 kHz。

    中間車鉤作用分為兩個(gè)階段,第一階段對(duì)應(yīng)列車正常運(yùn)作,沖擊速度為7 km/h及以下,即正常運(yùn)行、制動(dòng)和調(diào)車作業(yè)等,車鉤承受沖擊力低于壓潰管觸發(fā)閾值,只有氣液緩沖器發(fā)生作用;第二階段為列車意外工況出現(xiàn),沖擊速度超過(guò)7 km/h,車鉤承受沖擊力達(dá)到1 500 kN,壓潰管觸發(fā)閾值,壓潰管持續(xù)作用為車鉤提供穩(wěn)定的阻抗力,這時(shí)氣液緩沖器與壓潰管共同作用[21]。

    進(jìn)行實(shí)驗(yàn)速度為7.19 km/h的剛性墻沖擊實(shí)驗(yàn),以對(duì)應(yīng)于車輛調(diào)車作業(yè)速度。進(jìn)行實(shí)驗(yàn)速度分別為18.72和25.68 km/h的剛性墻沖擊實(shí)驗(yàn),以對(duì)應(yīng)于EN 15227標(biāo)準(zhǔn)中的36 km/h對(duì)撞實(shí)驗(yàn)。其中采用18 km/h剛性墻碰撞實(shí)驗(yàn)可以模擬36 km/h對(duì)撞實(shí)驗(yàn)的原因?yàn)椋喝魞闪熊囐|(zhì)量相同,列車之間的碰撞是完全非彈性碰撞,碰撞后兩列車以相同速度運(yùn)行,則由動(dòng)量守恒可得

    M1v0=(M1+M2)v1

    (8)

    則碰撞過(guò)程中總動(dòng)能耗散為

    (9)

    碰撞過(guò)程中的動(dòng)能完全由吸能元件耗散,則兩列車吸能部件共同耗散初始動(dòng)能的一半。其中單輛車碰撞過(guò)程耗散的動(dòng)能為

    (10)

    單輛車吸能元件耗散總動(dòng)能的1/4,即兩列車對(duì)撞實(shí)驗(yàn)耗散總能量相當(dāng)于以對(duì)撞速度的1/2撞擊剛性墻實(shí)驗(yàn)所耗散的總能量。

    3 臺(tái)車沖擊實(shí)驗(yàn)結(jié)果

    3.1 速度7.19 km/h沖擊吸能特性

    中間車鉤變形情況如圖8所示。中間車鉤初始時(shí)刻結(jié)構(gòu)如圖8(a)所示。碰撞發(fā)生后,緩沖器開(kāi)始?jí)嚎s變形,到0.073 s時(shí)壓縮到最大行程,壓潰管未發(fā)生塑性變形,如圖8(b)所示。后車鉤中的緩沖器開(kāi)始卸載,到0.22 s車鉤恢復(fù)原長(zhǎng),車鉤未發(fā)生永久變形,如圖8(c)所示。壓潰管在車鉤實(shí)驗(yàn)速度為7.19 km/h時(shí)可以恢復(fù)原長(zhǎng),滿足了動(dòng)車組正常連掛設(shè)計(jì)要求。

    圖8 實(shí)驗(yàn)速度7.19 km/h車鉤變形序列圖

    車鉤力學(xué)特性曲線如圖9所示。

    車鉤在最大行程50 mm時(shí),具有阻抗力489 kN的原因?yàn)椋壕彌_器內(nèi)采用高壓氮?dú)鈴椈?,車鉤開(kāi)始?jí)嚎s時(shí)提供向后的阻抗力,使臺(tái)車2減速運(yùn)行;當(dāng)車鉤到達(dá)最大行程時(shí),臺(tái)車2速度降為零,這時(shí)氮?dú)鈴椈苫貜?,依然提供給臺(tái)車2向后的作用力,這個(gè)作用力的方向與車鉤壓縮阻抗力方向一致,將臺(tái)車2加速推回,隨后臺(tái)車2牽引緩沖器完成卸載。

    圖9 速度7.19 km/h車鉤力學(xué)特性曲線

    3.2 速度18.72 km/h沖擊吸能特性

    中間車鉤變形情況如圖10所示。中間車鉤初始時(shí)刻結(jié)構(gòu)如圖10(a)所示。碰撞發(fā)生后,緩沖器首先開(kāi)始?jí)嚎s變形,到0.03 s時(shí)壓潰管開(kāi)始?jí)嚎s變形,如圖10(b)所示。然后緩沖器與壓潰管同時(shí)壓縮變形,如圖10(c)所示。到0.092 s時(shí)中間車鉤達(dá)到最大壓縮距離,如圖10(d)所示,此時(shí)緩沖器與壓潰管同時(shí)到達(dá)最大壓縮距離。之后車鉤中的緩沖器開(kāi)始卸載,到0.22 s車鉤中的緩沖器恢復(fù)到初始狀態(tài),如圖10(e)所示。

    車鉤力學(xué)特性曲線如圖11所示。

    車鉤力達(dá)到1 461 kN后不再繼續(xù)上升的原因?yàn)椋捍藭r(shí)壓潰管與緩沖器已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)入穩(wěn)定作用階段,如圖10(c)所示,壓潰管將車鉤作用力限制在1 470 kN附近,緩沖器使車鉤作用力上下波動(dòng)。車鉤在最大行程147 mm時(shí),如圖10(d)所示,依然具有阻抗力1 464 kN的原因?yàn)椋壕彌_器內(nèi)采用高壓氮?dú)鈴椈桑囥^到達(dá)最大行程后氮?dú)鈴椈砷_(kāi)始回彈,提供給臺(tái)車2向后的作用力,將臺(tái)車2加速推回,隨后臺(tái)車2牽引緩沖器完成卸載。

    圖10 實(shí)驗(yàn)速度18.72 km/h車鉤變形序列圖

    3.3 速度25.68 km/h沖擊吸能特性

    中間車鉤變形情況如圖12所示。中間車鉤初始時(shí)刻結(jié)構(gòu)如圖12(a)所示。碰撞發(fā)生后,緩沖器首先開(kāi)始?jí)嚎s變形,到0.034 s時(shí)壓潰管開(kāi)始?jí)嚎s變形,如圖12(b)所示。然后緩沖器與壓潰管同時(shí)壓縮變形,如圖12(c)所示。到0.106 s時(shí)中間車鉤中的緩沖器達(dá)到最大壓縮距離,如圖12(d)所示,此時(shí)壓潰管繼續(xù)壓縮,到0.126 s壓潰管到達(dá)最大壓縮距離,車鉤停止壓縮,如圖12(e)所示。之后車鉤中的緩沖器開(kāi)始卸載,到0.23 s車鉤中的緩沖器恢復(fù)到初始狀態(tài),如圖12(f)所示。

    圖11 速度18.72 km/h車鉤力學(xué)特性曲線

    圖12 實(shí)驗(yàn)速度25.68 km/h車鉤變形序列圖

    車鉤力學(xué)特性曲線如圖13所示。

    車鉤力達(dá)到1 467 kN后不再繼續(xù)上升的原因?yàn)椋簤簼⒐芘c緩沖器已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)入穩(wěn)定的作用階段,如圖12(c)所示,壓潰管將車鉤作用力限制在1 470 kN附近,緩沖器使車鉤作用力上下波動(dòng)。車鉤在最大行程338 mm時(shí),如圖12(e)所示,阻抗力為1 499 kN,緩沖器內(nèi)采用高壓氮?dú)鈴椈砷_(kāi)始回彈,將臺(tái)車2加速推回,隨后臺(tái)車2牽引緩沖器完成卸載。

    4 結(jié)果討論

    4.1 緩沖裝置靜態(tài)與動(dòng)態(tài)吸能特性對(duì)比

    當(dāng)實(shí)驗(yàn)速度為7.19 km/h時(shí),車鉤阻抗力低于壓潰管觸發(fā)閾值,只有氣液緩沖器作用,耗散沖擊能量。氣液緩沖器作用力來(lái)自兩個(gè)方面,一是液壓油流經(jīng)孔縫時(shí)產(chǎn)生的阻尼力,和流量有關(guān),即與車鉤壓縮速度有關(guān),車鉤壓縮速度越大,產(chǎn)生的阻尼力越大;二是與高壓氮?dú)鈴椈蓧嚎s距離有關(guān),緩沖器壓縮距離越長(zhǎng),氮?dú)鈴椈煞醋饔昧υ酱蟆?/p>

    圖13 速度25.68 km/h車鉤力學(xué)特性曲線

    氣液緩沖器沖擊實(shí)驗(yàn)與靜壓實(shí)驗(yàn)性能曲線對(duì)比如圖14所示。其中沖擊實(shí)驗(yàn)曲線在靜壓實(shí)驗(yàn)曲線上方區(qū)域?yàn)闆_擊速度對(duì)緩沖器阻抗力的影響,其阻抗力隨沖擊速度增加而升高;沖擊速度降低后,其阻抗力降低到靜態(tài)阻抗力值,即高壓氮?dú)鈴椈蓭?lái)的阻抗力,其值只與壓縮位移有關(guān)。

    圖14 氣液緩沖器動(dòng)靜態(tài)性能對(duì)比

    壓潰管沖擊實(shí)驗(yàn)與靜壓實(shí)驗(yàn)性能曲線對(duì)比如圖15所示,壓潰管靜態(tài)壓縮曲線中壓潰管靜態(tài)阻抗力從0 kN經(jīng)壓縮5 mm后才達(dá)到設(shè)計(jì)阻抗力,并且在達(dá)到設(shè)計(jì)阻抗力時(shí)有較高的峰值力。雙臺(tái)車沖擊實(shí)驗(yàn)中壓潰管觸發(fā)時(shí),緩沖器還未完全壓縮,如圖10(b)所示,受緩沖器影響,車鉤阻抗力曲線較靜壓曲線有明顯的波動(dòng)。壓潰管動(dòng)態(tài)沖擊力值與靜壓實(shí)驗(yàn)力值基本一致。

    圖15 壓管動(dòng)、靜態(tài)性能對(duì)比

    在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中壓潰管觸發(fā)時(shí)刻在緩沖器完全壓實(shí)前的原因主要是:

    (1)車鉤力受車鉤壓縮速度影響,當(dāng)碰撞發(fā)生時(shí),由于沖擊端臺(tái)車承受撞擊力遠(yuǎn)大于車鉤緩沖器的作用力,造成前后臺(tái)車所受減速度差異較大,前后臺(tái)車相對(duì)速度迅速出現(xiàn)差異,車鉤壓縮速度較高導(dǎo)致緩沖器作用力提前達(dá)到壓潰管的觸發(fā)值。

    (2)初始時(shí)刻壓潰管沖頭處于部分接觸沒(méi)有完全貼合外管,碰撞發(fā)生后沖頭處損失了一部分滑動(dòng)摩擦力,同樣導(dǎo)致了壓潰管觸發(fā)的提前出現(xiàn),這種情況也出現(xiàn)在了靜壓實(shí)驗(yàn)中。這種特性使得壓潰管觸發(fā)時(shí)處于緩沖器的作用范圍,減緩了觸發(fā)初始時(shí)刻的峰值力,如圖15所示,避免了壓潰管出現(xiàn)剛性沖擊,有利于車鉤作用的穩(wěn)定和安全。

    4.2 沖擊速度對(duì)吸能特性的影響

    4.2.1 壓縮行程

    不同沖擊速度下車鉤壓縮行程對(duì)比如圖16所示。隨沖擊速度提高,中間車鉤最大行程由7.19 km/h時(shí)只有緩沖器壓縮的50 mm,增長(zhǎng)到18.72 km/h時(shí)緩沖器與壓潰管同時(shí)壓縮的123 mm,再到25.68 km/h時(shí)緩沖器與壓潰管同時(shí)壓縮的338 mm。中間車鉤沖擊過(guò)程中,其位移曲線過(guò)渡平滑,其行程從初始值到最大值經(jīng)歷的時(shí)間低于從最大值到恢復(fù)原長(zhǎng)經(jīng)歷的時(shí)間,其加載時(shí)間與卸載時(shí)間比值由7.19 km/h時(shí)的1/3降低到25.68 km/h時(shí)的1/4,即壓潰管的使用延長(zhǎng)了中間車鉤的卸載時(shí)間。

    圖16 三種沖擊速度下車鉤行程-時(shí)間曲線

    4.2.2 阻抗力

    不同沖擊速度下車鉤阻抗力對(duì)比如圖17所示。隨著沖擊速度增加,中間車鉤達(dá)到最大阻抗力所需時(shí)間減少,其加載過(guò)程經(jīng)歷時(shí)間增加。中間車鉤沖擊過(guò)程中,隨沖擊速度提高,緩沖器最大阻抗力升高,但阻抗力到達(dá)1 500 kN后不再繼續(xù)增加,即壓潰管的使用避免了緩沖器阻抗力無(wú)限制升高,保證了中間車鉤具有1 500 kN的穩(wěn)定阻抗力。

    圖17 三種沖擊速度下車鉤阻抗力-時(shí)程曲線

    4.2.3 吸能特性

    不同沖擊速度下車鉤吸能特性曲線如圖18所示,沖擊速度為7.19 km/h時(shí),氣液緩沖器沖擊特性曲線可分為4段,第一段為作用力從0點(diǎn)增加到峰值點(diǎn)的OA段,此段車鉤力單調(diào)遞增;在相同壓縮位移下,車鉤相對(duì)壓縮速度越高,車鉤力越大。第二段為作用力峰值點(diǎn)到最大行程的AB段,此段作用力迅速降低是由于車鉤壓縮速度降低造成液壓油流經(jīng)孔縫時(shí)產(chǎn)生的阻尼力降低,B點(diǎn)時(shí)緩沖器停止壓縮,作用力只存在氮?dú)鈴椈蓧嚎s阻力,與壓縮距離有關(guān)。第三段為最大行程到作用力降為0的BC段,此段氮?dú)鈴椈苫貜楉旈_(kāi)單向錐閥,液壓油由油腔2回到油腔1,液體壓力經(jīng)緩沖器傳遞到后臺(tái)車,將后臺(tái)車推出。第四段為作用力降為0到緩沖器回復(fù)原長(zhǎng)的CO段,臺(tái)車后退牽引車鉤緩沖器完成卸載。

    圖18 三種沖擊速度下車鉤阻抗力-行程曲線

    由圖18可見(jiàn),沖擊速度在18 km/h以上時(shí),中間車鉤除了具備緩沖器的特性外,壓潰管觸發(fā)后,車鉤力繼續(xù)上升,其增長(zhǎng)率小于觸發(fā)前。車鉤力達(dá)到1 460 kN后沿此值上下波動(dòng),波動(dòng)幅值為20~40 kN。車鉤卸載時(shí),車鉤力在10 mm行程內(nèi)由1 460 kN降低到0 kN。壓潰管觸發(fā)后力值穩(wěn)定,受沖擊速度影響較小,高速?zèng)_擊降低車鉤力的波動(dòng)頻率。臺(tái)車沖擊動(dòng)能耗散完全后,車鉤力低于壓潰管壓縮閾值,壓潰管停止作用,導(dǎo)致車鉤結(jié)束壓縮,車鉤相對(duì)壓縮速度迅速降低到零。

    5 結(jié)論

    本文對(duì)氣液緩沖器和壓潰管串聯(lián)形式的動(dòng)車組中間車鉤的動(dòng)態(tài)吸能特性展開(kāi)研究。實(shí)驗(yàn)中,將兩輛沖擊臺(tái)車用中間車鉤進(jìn)行連掛并沖擊剛性墻。實(shí)驗(yàn)針對(duì)氣液緩沖器動(dòng)態(tài)吸能特性及氣液緩沖器和壓潰管組合動(dòng)態(tài)吸能特性開(kāi)展了沖擊實(shí)驗(yàn)研究,速度分別為7.19、8.72、25.68 km/h。該實(shí)驗(yàn)方法對(duì)中間車鉤進(jìn)行動(dòng)態(tài)沖擊進(jìn)行了有效模擬,結(jié)論如下:

    (1)氣液緩沖器動(dòng)態(tài)最大阻抗力1 500 kN,遠(yuǎn)高于其靜壓最大阻抗力800 kN,其動(dòng)態(tài)阻抗力與車鉤壓縮位移和壓縮速度相關(guān),而壓縮位移又與緩沖器內(nèi)部高壓氮?dú)鈴椈上嚓P(guān),其動(dòng)態(tài)特性滿足理想氣體絕熱壓縮方程,動(dòng)態(tài)阻抗力在靜壓阻抗力基礎(chǔ)上增加了壓縮速度導(dǎo)致油液流經(jīng)環(huán)縫帶來(lái)的黏滯阻力,隨壓縮速度的增加而升高,沖擊速度降低后,其阻抗力降低到靜態(tài)阻抗力值。

    (2)動(dòng)態(tài)沖擊過(guò)程中,車鉤壓潰管觸發(fā)后的力值變化較為穩(wěn)定,波動(dòng)范圍保持在1 470~1 490 kN之間,其動(dòng)態(tài)沖擊平臺(tái)力值與靜壓實(shí)驗(yàn)力值基本一致,進(jìn)一步證明其力級(jí)變化對(duì)速率不敏感。此外,壓潰管與膨脹管的膨脹角設(shè)計(jì)導(dǎo)致了壓潰管觸發(fā)力為1 200 kN,略低于其設(shè)計(jì)數(shù)值1 500 kN。

    (3)動(dòng)態(tài)沖擊過(guò)程中,氣液緩沖器與壓潰管相互耦合,共同作用。氣液緩沖器的存在有效降低了壓潰管初始峰值力,但帶來(lái)其阻抗力的上下波動(dòng)。隨著沖擊速度增加,在相同的壓縮位置下,車鉤阻抗力提高較為明顯。

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