高速動(dòng)車(chē)組車(chē)鉤緩沖裝置技術(shù)的發(fā)展

陸青松，李 彬

(中車(chē)青島四方車(chē)輛研究所有限公司,山東 青島 266031)

我國(guó)軌道交通行業(yè)發(fā)展迅速，截至2020年年底，動(dòng)車(chē)組保有量已超過(guò)3 800列，運(yùn)用里程超過(guò)3.8萬(wàn)km。從1996年成功研制第一列時(shí)速160 km動(dòng)車(chē)組開(kāi)始，我國(guó)動(dòng)車(chē)組不斷提速，“大白鯊”高速電力動(dòng)車(chē)組、DJJ1型“藍(lán)箭”電力動(dòng)車(chē)組等時(shí)速200 km動(dòng)車(chē)組相繼問(wèn)世[1]；2002年我國(guó)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的DJJ2型“中華之星”電力動(dòng)車(chē)組創(chuàng)造了當(dāng)時(shí)321.5 km/h的“中國(guó)鐵路第一速”[2]；2004年我國(guó)開(kāi)始引進(jìn)技術(shù)，動(dòng)車(chē)組設(shè)計(jì)制造水平又取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步[3]。我國(guó)的動(dòng)車(chē)組發(fā)展過(guò)程可分為3個(gè)階段：第1階段代表車(chē)型為CRH1A型、CRH2A型、CRH3C型和CRH5A型動(dòng)車(chē)組；第2階段代表車(chē)型有CRH380A、CRH380BH和CRH380CL型動(dòng)車(chē)組，CRH380D型動(dòng)車(chē)組也誕生在這一階段；第3階段動(dòng)車(chē)組是“復(fù)興號(hào)”動(dòng)車(chē)組家族，包括時(shí)速350 km、250 km標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車(chē)組和時(shí)速160 km動(dòng)力集中動(dòng)車(chē)組3個(gè)平臺(tái)產(chǎn)品，該階段的各系列動(dòng)車(chē)組車(chē)鉤緩沖裝置除少部分為技術(shù)轉(zhuǎn)讓外，大部分完全由國(guó)內(nèi)企業(yè)自主研發(fā)和生產(chǎn)。

1 我國(guó)高速動(dòng)車(chē)組鉤緩裝置技術(shù)發(fā)展歷程

我國(guó)2002年研制的DJJ2型電力動(dòng)車(chē)組使用的是擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的鉤緩裝置，2004年開(kāi)始引進(jìn)動(dòng)車(chē)組技術(shù)，初期同時(shí)引進(jìn)了4個(gè)國(guó)外不同主機(jī)廠設(shè)計(jì)生產(chǎn)的動(dòng)車(chē)組[4]，后期在設(shè)計(jì)中對(duì)技術(shù)引進(jìn)的平臺(tái)產(chǎn)品均有一定程度的繼承，“復(fù)興號(hào)”動(dòng)車(chē)組是我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的動(dòng)車(chē)組，可作為單獨(dú)的一個(gè)平臺(tái)，因此，我國(guó)動(dòng)車(chē)組鉤緩裝置可分為CRH1系列、CRH2系列、CRH3系列、CRH5系列和“復(fù)興號(hào)”系列動(dòng)車(chē)組鉤緩裝置5大平臺(tái)[5]。

1.1 CRH1系列動(dòng)車(chē)組鉤緩裝置

我國(guó)早期使用的CRH1A、CRH1B和CRH1E型動(dòng)車(chē)組車(chē)鉤緩沖裝置由國(guó)外公司提供，后期使用的CRH1A-A和CRH380D型動(dòng)車(chē)組車(chē)鉤緩沖裝置由國(guó)內(nèi)外公司共同提供。CRH1A和CRH1B型動(dòng)車(chē)組前端采用了伸縮式車(chē)鉤，以滿足前端開(kāi)閉機(jī)構(gòu)動(dòng)作空間需求；CRH1E型動(dòng)車(chē)組采用固定式前端開(kāi)閉機(jī)構(gòu)，所以車(chē)鉤取消了伸縮功能。該平臺(tái)短編動(dòng)車(chē)組各車(chē)型的全自動(dòng)車(chē)鉤均采用歐式10型車(chē)鉤配上置式電氣連接器的連掛系統(tǒng)，長(zhǎng)編動(dòng)車(chē)組各車(chē)型均使用符合AAR標(biāo)準(zhǔn)要求的D型和H型車(chē)鉤。圖1為CRH1A型動(dòng)車(chē)組前端全自動(dòng)鉤緩裝置，由機(jī)械車(chē)鉤、電氣車(chē)鉤、伸縮鎖定氣缸、伸縮機(jī)構(gòu)、垂向支撐和橡膠餅緩沖器組成[6]。

圖1 CRH1A型動(dòng)車(chē)組前端全自動(dòng)鉤緩裝置

表1為CRH1系列動(dòng)車(chē)組鉤緩裝置配置表。表1可以看出，動(dòng)車(chē)組前端全自動(dòng)鉤緩裝置的機(jī)械車(chē)鉤由原來(lái)的10型、H型和D型逐漸統(tǒng)一為歐式10型車(chē)鉤，緩沖器由橡膠餅緩沖器逐漸演變?yōu)闅庖壕彌_器，但中間鉤緩裝置的結(jié)構(gòu)形式繼承度比較高，均為帶橡膠餅緩沖器的半永久車(chē)鉤。

1.2 CRH2系列動(dòng)車(chē)組鉤緩裝置

CRH2A型動(dòng)車(chē)組采用國(guó)外引進(jìn)技術(shù)，CRH2B型動(dòng)車(chē)組在CRH2A型動(dòng)車(chē)組基礎(chǔ)上擴(kuò)編至16輛編組，最高營(yíng)運(yùn)時(shí)速為250 km。早期的CRH2系列動(dòng)車(chē)組全列車(chē)各個(gè)端面均采用柴田式連掛系統(tǒng)，短編動(dòng)車(chē)組前端車(chē)鉤為自動(dòng)車(chē)鉤，同時(shí)配有上置式電氣連接器，該型車(chē)鉤為分體式車(chē)鉤，機(jī)械車(chē)鉤和緩沖器通過(guò)十字銷(xiāo)連接。由于柱銷(xiāo)式車(chē)鉤和歐式10型車(chē)鉤并不能相互連掛，為了滿足鐵路總公司互聯(lián)互通要求，該平臺(tái)動(dòng)車(chē)組后期普遍采用了統(tǒng)型車(chē)全自動(dòng)車(chē)鉤，主要的變化在于機(jī)械車(chē)鉤由柱銷(xiāo)式車(chē)鉤改為歐式10型車(chē)鉤，橡膠緩沖器改為氣液緩沖器，分體式車(chē)鉤改為一體式車(chē)鉤。圖2為 CRH2A型動(dòng)車(chē)組前端全自動(dòng)鉤緩裝置，圖3 為CRH2A(統(tǒng))和CRH380A型動(dòng)車(chē)組前端全自動(dòng)鉤緩裝置。

表1 CRH1系列動(dòng)車(chē)組鉤緩裝置配置

圖2 CRH2A型動(dòng)車(chē)組前端全自動(dòng)鉤緩裝置

圖3 CRH2A(統(tǒng))和CRH380A型動(dòng)車(chē)組前端全自動(dòng)鉤緩裝置

表2為CRH2系列動(dòng)車(chē)組鉤緩裝置配置表。由表2可見(jiàn)，CRH2系列動(dòng)車(chē)組前端全自動(dòng)鉤緩裝置機(jī)械車(chē)鉤由原來(lái)的柱銷(xiāo)式車(chē)鉤逐漸演變?yōu)闅W式10型車(chē)鉤，緩沖器逐漸統(tǒng)一為橡膠/氣液緩沖器，中間鉤緩裝置的結(jié)構(gòu)形式繼承度比較高，均為帶疊層橡膠緩沖器的半自動(dòng)鉤緩裝置。

1.3 CRH3系列動(dòng)車(chē)組鉤緩裝置

CRH3C型動(dòng)車(chē)組是我國(guó)引入的唯一一個(gè)時(shí)速300 km以上速度級(jí)的車(chē)型。CRH3C型和CRH380B型動(dòng)車(chē)組鉤緩裝置是目前國(guó)內(nèi)動(dòng)車(chē)組用的車(chē)鉤中技術(shù)復(fù)雜程度最高的產(chǎn)品，圖4為CRH380B型動(dòng)車(chē)組前端全自動(dòng)鉤緩裝置，由機(jī)械車(chē)鉤、電氣車(chē)鉤、緩沖器、緩沖壓潰裝置、伸縮裝置和安裝吊掛裝置組成，其中伸縮系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)車(chē)鉤200 mm的伸縮量。

表2 CRH2系列動(dòng)車(chē)組鉤緩裝置配置

圖4 CRH380B型動(dòng)車(chē)組前端全自動(dòng)鉤緩裝置

CRH3系列動(dòng)車(chē)組鉤緩裝置統(tǒng)一性較高，前端全自動(dòng)鉤緩裝置均配有伸縮裝置，長(zhǎng)編動(dòng)車(chē)組僅在短編動(dòng)車(chē)組基礎(chǔ)上取消了電氣車(chē)鉤。表3為CRH3系列動(dòng)車(chē)組鉤緩裝置配置。

1.4 CRH5系列動(dòng)車(chē)組鉤緩裝置

CRH5A型動(dòng)車(chē)組設(shè)計(jì)營(yíng)運(yùn)速度為250 km/h，前端全自動(dòng)鉤緩裝置由機(jī)械車(chē)鉤、電氣車(chē)鉤、緩沖器和安裝吊掛裝置組成(圖5)。電氣車(chē)鉤兩側(cè)放置，為2×98芯，采用200 mm的超大行程氣液緩沖器。

圖5 CRH5A型動(dòng)車(chē)組前端全自動(dòng)鉤緩裝置

CRH5系列動(dòng)車(chē)組鉤緩裝置統(tǒng)一性較高，長(zhǎng)編動(dòng)車(chē)組僅在短編動(dòng)車(chē)組基礎(chǔ)上取消了電氣車(chē)鉤。CRH5A型動(dòng)車(chē)組中間鉤緩裝置采用擺動(dòng)螺栓方式連接，為剛性連接。表4為CRH5系列動(dòng)車(chē)組鉤緩裝置配置。

表3 CRH3系列動(dòng)車(chē)組鉤緩裝置配置

表4 CRH5系列動(dòng)車(chē)組鉤緩裝置配置

1.5 “復(fù)興號(hào)”系列動(dòng)車(chē)組鉤緩裝置

動(dòng)車(chē)組發(fā)展的第3階段是我國(guó)動(dòng)車(chē)組技術(shù)全面走向自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)關(guān)鍵階段，成功研制了“復(fù)興號(hào)”系列動(dòng)車(chē)組?！皬?fù)興號(hào)”系列動(dòng)車(chē)組3個(gè)平臺(tái)產(chǎn)品中，每個(gè)速度級(jí)平臺(tái)下不同車(chē)型的車(chē)鉤緩沖裝置技術(shù)特征完全相同，不僅可以無(wú)障礙地實(shí)現(xiàn)相互救援，還可以實(shí)現(xiàn)重連運(yùn)行。同時(shí)各平臺(tái)產(chǎn)品技術(shù)高度統(tǒng)一，重聯(lián)端車(chē)鉤均為歐式10型車(chē)鉤，電氣車(chē)鉤統(tǒng)一為上置式196芯大容量電氣車(chē)鉤，CR400型動(dòng)車(chē)組和CR300型動(dòng)車(chē)組平臺(tái)相同端面的緩沖器相同，且參數(shù)一致，僅在壓潰管配置上有所區(qū)別。另外“復(fù)興號(hào)”系列動(dòng)車(chē)組鉤緩裝置完全由國(guó)內(nèi)企業(yè)自主設(shè)計(jì)和生產(chǎn)。

CR400型動(dòng)車(chē)組前端全自動(dòng)鉤緩裝置主要由機(jī)械車(chē)鉤、電氣車(chē)鉤、后置式壓潰裝置、安裝吊掛裝置和緩沖器組成(圖6)，采用100 mm長(zhǎng)行程氣液緩沖器、600 mm長(zhǎng)行程壓潰管、上置式電氣車(chē)鉤，電氣車(chē)鉤動(dòng)作可在車(chē)上單獨(dú)控制。表5 為“復(fù)興號(hào)”平臺(tái)動(dòng)車(chē)組鉤緩裝置配置。

圖6 CR400型動(dòng)車(chē)組前端全自動(dòng)鉤緩裝置

表5 “復(fù)興號(hào)”平臺(tái)動(dòng)車(chē)組鉤緩裝置配置

2 設(shè)計(jì)理念

由于動(dòng)車(chē)組均設(shè)有流線型的前端開(kāi)閉機(jī)構(gòu)，同時(shí)，為提高其被動(dòng)碰撞安全防護(hù)能力，部分車(chē)型車(chē)端還設(shè)有防爬吸能裝置，車(chē)鉤緩沖裝置、防爬吸能裝置和前端開(kāi)閉機(jī)構(gòu)組成了有機(jī)的整體，在設(shè)計(jì)階段不僅要系統(tǒng)考慮車(chē)端能量分配及動(dòng)作順序，還需全面考慮其運(yùn)動(dòng)和空間的關(guān)系。因此，鉤緩裝置遵循了車(chē)端部件協(xié)同設(shè)計(jì)理念(圖7)，即在設(shè)計(jì)階段車(chē)鉤、前端開(kāi)閉機(jī)構(gòu)、防爬器和主吸能結(jié)構(gòu)同步進(jìn)行協(xié)同交互設(shè)計(jì)，未來(lái)將發(fā)展成為列車(chē)前端一體化設(shè)計(jì)，可對(duì)列車(chē)前端系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)關(guān)系和位置關(guān)系校核，以提高設(shè)計(jì)的科學(xué)性和準(zhǔn)確性[7]。

圖7 車(chē)端部件協(xié)同設(shè)計(jì)理念

3 碰撞試驗(yàn)及仿真分析

3.1 實(shí)車(chē)碰撞試驗(yàn)

針對(duì)列車(chē)碰撞設(shè)計(jì)了3個(gè)階段的碰撞吸能分配：列車(chē)發(fā)生碰撞時(shí)，其前端開(kāi)閉機(jī)構(gòu)碎裂，前端車(chē)鉤連掛，車(chē)鉤上的緩沖器、壓潰管等吸能機(jī)構(gòu)受到撞擊后發(fā)生動(dòng)作，完成列車(chē)的第一級(jí)吸能；當(dāng)碰撞產(chǎn)生的能量高于車(chē)鉤的吸收能力時(shí)，主吸能結(jié)構(gòu)觸發(fā)并與車(chē)鉤一同變形后退，完成第二級(jí)吸能；若碰撞沒(méi)有結(jié)束，碰撞界面后退至防爬器端面時(shí)，防爬器被觸發(fā)變形并與主吸能結(jié)構(gòu)一同后退，完成第三級(jí)吸能。該設(shè)計(jì)提高了列車(chē)碰撞時(shí)能量吸收能力和效率，降低了列車(chē)爬車(chē)或脫軌的風(fēng)險(xiǎn)，大大提高了列車(chē)的安全性。圖8為針對(duì)動(dòng)車(chē)組列車(chē)前端系統(tǒng)進(jìn)行的實(shí)車(chē)碰撞試驗(yàn)[8]。

圖8 動(dòng)車(chē)組列車(chē)實(shí)車(chē)碰撞試驗(yàn)

試驗(yàn)由一列動(dòng)車(chē)組列車(chē)以36 km/h的速度與另一列相同動(dòng)車(chē)組的前端系統(tǒng)發(fā)生碰撞。試驗(yàn)結(jié)果顯示，列車(chē)前端開(kāi)閉機(jī)構(gòu)發(fā)生碎裂，兩側(cè)車(chē)鉤連掛并發(fā)生變形后退，主吸能結(jié)構(gòu)與防爬器發(fā)生變形后退。碰撞過(guò)程中所產(chǎn)生的總能量E利用動(dòng)量定理計(jì)算，即：

(1)

式中：m——沖擊列車(chē)質(zhì)量；

v——沖擊列車(chē)速度。

前端系統(tǒng)吸能結(jié)構(gòu)吸收的能量EK根據(jù)動(dòng)能定理計(jì)算，即：

(2)

式中：F——被沖擊車(chē)受力；

S——變形位移。

選取動(dòng)車(chē)組碰撞試驗(yàn)前2 s試驗(yàn)結(jié)果對(duì)其能量變化進(jìn)行分析。分析結(jié)果顯示，在碰撞過(guò)程中，列車(chē)碰撞產(chǎn)生的總能量保持不變，總動(dòng)能不斷降低，總內(nèi)能不斷增加，如圖9所示。總內(nèi)能主要包括：前端開(kāi)閉機(jī)構(gòu)、車(chē)鉤、防爬器、主吸能結(jié)構(gòu)等吸能結(jié)構(gòu)吸收的能量。隨著碰撞過(guò)程的深入，在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)總內(nèi)能超過(guò)總動(dòng)能，總動(dòng)能為0時(shí)整個(gè)碰撞過(guò)程結(jié)束。列車(chē)的耐碰撞性能主要取決于列車(chē)前端吸能機(jī)構(gòu)的能量吸收能力，如果吸能機(jī)構(gòu)的能量吸收能力大于發(fā)生碰撞時(shí)產(chǎn)生的總內(nèi)能，表明列車(chē)的耐撞性良好，列車(chē)上乘客的安全性高。

圖9 碰撞試驗(yàn)?zāi)芰孔兓瘓D

3.2 仿真分析

隨著我國(guó)對(duì)動(dòng)車(chē)組技術(shù)的深度掌握和計(jì)算能力的提升，針對(duì)動(dòng)車(chē)組的被動(dòng)安全性能，部分車(chē)型在設(shè)計(jì)階段就參考國(guó)內(nèi)外行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、結(jié)合我國(guó)實(shí)際情況設(shè)置碰撞場(chǎng)景，通過(guò)理論計(jì)算系統(tǒng)地對(duì)整列車(chē)能量吸收能力進(jìn)行分配[9]。而車(chē)鉤緩沖裝置作為整車(chē)碰撞時(shí)最早參與能量吸收的部件，其緩沖器和壓潰管參數(shù)的選擇尤為關(guān)鍵，國(guó)內(nèi)鉤緩裝置生產(chǎn)企業(yè)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了列車(chē)縱向動(dòng)力學(xué)計(jì)算軟件，利用列車(chē)縱向動(dòng)力學(xué)計(jì)算軟件進(jìn)行一體化協(xié)同仿真得到每個(gè)端面車(chē)鉤能量吸收參數(shù)的配置，為科學(xué)配置列車(chē)級(jí)能量吸收提供了理論支撐。計(jì)算時(shí)，對(duì)列車(chē)參數(shù)、車(chē)鉤參數(shù)以及防爬器參數(shù)進(jìn)行配置，可通過(guò)列車(chē)縱向動(dòng)力學(xué)計(jì)算軟件計(jì)算出列車(chē)各個(gè)斷面的車(chē)鉤力，并與其設(shè)計(jì)值進(jìn)行對(duì)比，以判斷列車(chē)是否發(fā)生斷裂[10]。圖10為鉤緩系統(tǒng)列車(chē)級(jí)能量吸收仿真結(jié)果。圖10可見(jiàn)，設(shè)置相應(yīng)參數(shù)后，通過(guò)列車(chē)縱向動(dòng)力學(xué)計(jì)算軟件計(jì)算出最大車(chē)鉤力為623 kN，可將最大車(chē)鉤力與設(shè)計(jì)的車(chē)鉤力進(jìn)行對(duì)比分析，判斷車(chē)鉤是否發(fā)生斷裂。

圖10 鉤緩系統(tǒng)列車(chē)級(jí)能量吸收及仿真結(jié)果

4 結(jié)論與展望

從我國(guó)動(dòng)車(chē)組發(fā)展歷程來(lái)看，動(dòng)車(chē)組鉤緩技術(shù)將把連掛接口統(tǒng)一為歐式10型車(chē)鉤，車(chē)鉤高度統(tǒng)一為1 000 mm，電氣車(chē)鉤統(tǒng)一為196芯，緩沖器統(tǒng)一為氣液緩沖器，且同平臺(tái)動(dòng)車(chē)組其參數(shù)也有統(tǒng)一的趨勢(shì)?！皬?fù)興號(hào)”動(dòng)車(chē)組研制成功后，時(shí)速350 km、250 km和160 km動(dòng)力集中動(dòng)車(chē)組鉤緩裝置產(chǎn)品顯現(xiàn)出明顯的平臺(tái)特征，即“復(fù)興號(hào)”動(dòng)車(chē)組平臺(tái)下全自動(dòng)鉤緩裝置技術(shù)非常接近，且同速度級(jí)平臺(tái)、不同廠家生產(chǎn)的動(dòng)車(chē)組可以互聯(lián)互通，重聯(lián)運(yùn)行。

智能化是將來(lái)技術(shù)發(fā)展的方向，基于故障預(yù)判和大數(shù)據(jù)管理的智能化鉤緩裝置能顯著提高高速動(dòng)車(chē)組車(chē)鉤緩沖裝置的技術(shù)水平。隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，以高帶寬、低延時(shí)等高速傳輸技術(shù)，高精度、小型化傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)控為基礎(chǔ)的鉤緩裝置智能化和健康管理將成為技術(shù)發(fā)展的方向之一。同時(shí)，鉤緩裝置的發(fā)展離不開(kāi)裝備技術(shù)的進(jìn)步，研究能夠高效模擬實(shí)車(chē)運(yùn)行的新試驗(yàn)裝備，能夠促進(jìn)鉤緩技術(shù)的進(jìn)步，為鉤緩行業(yè)注入新的發(fā)展契機(jī)。列車(chē)前端一體化設(shè)計(jì)將提高設(shè)計(jì)的科學(xué)性和準(zhǔn)確性，同時(shí)也將縮短列車(chē)的設(shè)計(jì)周期。目前國(guó)內(nèi)的各大廠家正在投入試點(diǎn)一體化設(shè)計(jì)，未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)，列車(chē)前端一體化的設(shè)計(jì)方式將被廣泛推廣、應(yīng)用。

總之，近年來(lái)由于以標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車(chē)組為代表的技術(shù)研發(fā)和多年的技術(shù)積累，通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新，自主開(kāi)發(fā)研制的

鉤緩裝置產(chǎn)品全面覆蓋高速動(dòng)車(chē)組、城市軌道交通車(chē)輛、干線機(jī)客車(chē)，其性能和壽命均達(dá)到了國(guó)外同行的水平。國(guó)內(nèi)動(dòng)車(chē)組鉤緩技術(shù)將朝著簡(jiǎn)統(tǒng)化、平臺(tái)化、譜系化、數(shù)據(jù)互聯(lián)和智能化方向發(fā)展。