軌道交通8編組B型車車鉤系統(tǒng)技術(shù)方案的選型設(shè)計

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2023.32.030

摘" 要：科技的發(fā)展帶動我國軌道交通行業(yè)的不斷進步，為確保車輛編組連掛穩(wěn)定性，保證連掛期間車內(nèi)乘客不受影響，就要結(jié)合車鉤緩沖裝置來減少沖擊影響。該文通過對北京某8編組B型地鐵線路車鉤緩沖器的方案選型設(shè)計進行分析、介紹，對車輛編組連掛過程原理及沖擊特性展開研究，并結(jié)合實際對車鉤緩沖裝置沖擊特性提出個人觀點，希望能夠為鐵路、軌道交通從業(yè)人員提供一些理論上的幫助。

關(guān)鍵詞：軌道交通車輛；編組連掛；車鉤緩沖裝置；沖擊特性；車鉤系統(tǒng)

中圖分類號：U270.34" " " 文獻標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）32-0１２0-0４

Abstract： The development of science and technology has driven the continuous progress of China's rail transit industry. In order to ensure the stability of vehicle formation and coupling， and ensure that passengers in the vehicle are not affected during coupling， it is necessary to combine coupler buffer devices to reduce impact effects. This paper analyzes and introduces the scheme selection and design of the coupler buffer for an 8-car type-B subway line in Beijing， studies the principle and impact characteristics of the vehicle formation coupling process， and proposes personal views on the impact characteristics of the coupler buffer device based on the actual situation. It is hoped to provide some theoretical assistance to railway and rail transit practitioners.

Keywords： rail transit vehicles; marshalling and connecting; coupler buffer device; impact characteristics; coupler system

在鐵路車輛調(diào)車或救援時，兩列車之間帶動力的編組車輛將會與靜止車輛碰撞，碰撞前最先接觸的是列車前部的車鉤緩沖裝置，當(dāng)車鉤緩沖裝置完成連掛時會通過車鉤將力傳導(dǎo)至兩列車上，產(chǎn)生一定程度的縱向沖擊。在沖擊期間出現(xiàn)的沖擊力則會作用于車體底架部位，此時會導(dǎo)致車廂內(nèi)部的物品或者乘客出現(xiàn)晃動的情況。因此，為了降低沖擊力帶來的損傷，提高編組連掛穩(wěn)定性，就必須對編組連掛車鉤緩沖裝置進行研究。

車鉤緩沖裝置作為鐵路車輛最為重要的零部件之一，列車可以利用車鉤緩沖裝置來完成車輛相互之間的連掛，并對列車運行、調(diào)車時產(chǎn)生的作用力進行緩沖，連掛、牽引、緩沖便是車鉤緩沖裝置必須具備的核心基礎(chǔ)功能。在車輛受到?jīng)_擊時，作用力將會按照鉤頭、鉤身、緩沖器、剪切螺栓（安裝螺栓）和牽引梁底架的順序來實現(xiàn)力的傳導(dǎo)，因此車鉤緩沖裝置在面對牽引、沖擊力時都必須通過緩沖器來完成力的緩和與吸收，所以緩沖裝置的重要性毋庸置疑。車鉤緩沖裝置的主要作用就是在車輛連接時對牽引力進行傳遞，降低沖擊力帶來的影響，緩沖裝置通常會安裝在牽引梁內(nèi)底架車鉤安裝座上，為了確保車輛連掛時的安全可靠，車鉤緩沖器的各項性能參數(shù)必須滿足軌道車輛的相關(guān)規(guī)定。車鉤結(jié)構(gòu)類型多樣，要結(jié)合實際需求來選擇不同的結(jié)構(gòu)類型。緩沖器可以在車輛運行中降低由碰撞引發(fā)的各種沖擊與振動，降低沖擊力給車輛結(jié)構(gòu)、乘客帶來的影響。在運行期間，緩沖器將會借助彈性元件的壓縮來降低沖擊力，在彈性元件變形時，則可以利用摩擦、阻尼來降低沖擊能量。不同類型的緩沖設(shè)備轉(zhuǎn)化方式各不相同，無論是哪一種類型的緩沖裝置，其最終目的都是消除車輛撞擊產(chǎn)生的沖擊力，進而保證編組連掛時的安全性與穩(wěn)定性。

本文分析北京某條地鐵線路項目8編組B型地鐵線路車輛車鉤技術(shù)方案，結(jié)合具體項目從車鉤設(shè)計要求到配置選型，再到車鉤模擬仿真分析，從而進一步驗證方案的可行性，為車鉤的詳細設(shè)計提供參考和依據(jù)。

1" 需求分析

根據(jù)8編組B型車設(shè)計需要，車鉤系統(tǒng)需滿足：①帶司機室車的前端設(shè)半自動密接式車鉤及緩沖裝置，采用330型鉤頭設(shè)計；后端及中間各車的兩端設(shè)半永久分體式棒式車鉤及緩沖裝置。②列車應(yīng)能承受8輛編組不大于5 km/h的聯(lián)掛速度。③車鉤在線路最小曲線半徑區(qū)段上應(yīng)能滿足車輛的摘掛作業(yè)。④半自動車鉤應(yīng)設(shè)有吸收能量的可壓潰變形管，具有自動對中功能。⑤車鉤應(yīng)能承受全編組列車在坡道救援時，因突然實施緊急制動，救援列車與AW3的被救援列車間所產(chǎn)生的最不利的作用力。⑥緩沖裝置應(yīng)能有效地吸收撞擊能量，緩和沖擊，不損壞車輛。該裝置能承受的不產(chǎn)生永久變形的最大沖擊速度為5 km/h。⑦車鉤緩沖器的特性應(yīng)保證能吸收撞擊能量，不損壞車輛。

基于上述設(shè)計要求，車鉤及緩沖裝置需要滿足以下2個基本要求：①1列8節(jié)編組AW0車與1列施加停放制動的8節(jié)編組AW3車以5 km/h的速度連掛（5 km/h連掛）。②1列8節(jié)編組AW0車在35‰坡道上救援1列8節(jié)編組AW0車，在坡道上救援車施加緊急制動（基于B型車車體強度，需要滿足緊急救援要求）。

針對上述要求的技術(shù)難點進行分析：本項目車輛為8編組B型車，較以往北京常用的6編組車輛，列車在連掛沖擊時受力情況較為復(fù)雜，需要結(jié)合車體強度及列車吸能要求綜合考慮配置車鉤緩沖裝置方案及吸能原件。并通過仿真計算驗證車鉤緩沖裝置方案的可行性。

2" 可行性方案分析

本項目為8編組B型車，車體強度需要按EN12663-1中P-Ⅲ類設(shè)計，車體壓縮屈服強度800 kN，拉伸屈服強度640 kN。車鉤吸能原件觸發(fā)力需基于車體強度設(shè)計，在滿足吸能的基礎(chǔ)上最大限度地保護車體。針對P-Ⅲ車，車鉤常用吸能方案主要有2種：一種是可恢復(fù)緩沖器+球橡膠底座；另一種是壓潰管單元+橡膠緩沖底座。

對于第一種可恢復(fù)緩沖器+球橡膠底座方案?？苫謴?fù)緩沖器主要分為2類：氣液緩沖器和膠泥緩沖器。這2種緩沖器在低速下可有效地吸收列車連掛及撞擊產(chǎn)生的能量，但是在高速情況下（比如25 km/h及以上速度撞擊），可恢復(fù)緩沖器會表現(xiàn)出很強的遲滯性。在此情況下，可恢復(fù)緩沖器無法有效吸能，會將吸能壓力轉(zhuǎn)移到防爬器或車體上。對于P-Ⅲ車，車體強度較低，很難在有限的空間內(nèi)設(shè)置大容量的緩沖吸能單元。

對于第二種壓潰管單元+橡膠緩沖底座方案。橡膠緩沖底座與可恢復(fù)緩沖器作用類似，吸收低速下兩列車連掛、調(diào)車及救援過程中產(chǎn)生的能量。壓潰管單元為非可再生吸能單元，能有效吸收列車高速撞擊產(chǎn)生的能量。壓潰管吸能量可近似認為是壓潰管觸發(fā)力與壓潰管行程的成績，因此壓潰管單元吸能效率極高。

本項目列車日常連掛速度為5 km/h，撞擊吸能滿足EN15227 C-Ⅱ類要求，即25 km/h吸能。針對5 km/h日常連掛，列車連掛產(chǎn)生的能量應(yīng)有車鉤完全吸收，車鉤及車體沒有任何損壞。上述2種方案均配置有吸收連掛能量的緩沖器，2種方案均滿足要求。但是針對25 km/h撞擊，考慮到氣液緩沖器及膠泥緩沖器在高速撞擊時的遲滯性，高速下橡膠緩沖器及膠泥緩沖器吸能效率小于壓潰管單元吸能效率，因此該項目選用壓潰管單元+橡膠緩沖底座方案。

3" 車鉤系統(tǒng)技術(shù)方案

3.1" 車鉤技術(shù)方案

本項目為8編組B型車，列車兩端為拖車，在拖車端部配置半自動車鉤；中間為動車，配置2種形式的半永久車鉤，車鉤配置情況如圖1所示。

車鉤吸能原件包括：半自動車鉤的吸能原件為行程330 mm壓潰管（觸發(fā)力700±7.5% kN）+后置式EFG3橡膠緩沖底座（配置剪切螺栓）；半永久車鉤A的吸能原件為前置式EFG3橡膠緩沖底座；半永久車鉤B的吸能原件為行程200 mm壓潰管（觸發(fā)力680±7.5% kN）+前置式EFG3橡膠緩沖底座。

從圖1車鉤配置圖可以看出，Tc車與Mp車間端面配置有雙側(cè)壓潰管的半永久車鉤，其余端面配置的是單側(cè)壓潰管半永久車鉤。這種配置方式在減重的同時可有效地吸收列車撞擊產(chǎn)生的能量。

3.2" 車鉤系統(tǒng)功能

半自動車鉤配有330密接式機械車鉤，機械鉤頭前端面設(shè)有配對使用的凸錐和凹錐。當(dāng)兩連掛車輛由于空簧泄露、輪緣磨損、車體撓度變形和車鉤橡膠蠕變等因素導(dǎo)致連掛車輛存在高度差時，車鉤依然可以通過凸錐與凹錐導(dǎo)向連掛。330密接車鉤連掛范圍為垂向±90 mm，橫向±170 mm。

機械鉤頭配有主風(fēng)管閥及列車管連接器，主風(fēng)管閥為常閉設(shè)計，列車管連接器為常開設(shè)計。機械車鉤連掛好后，主風(fēng)管連接器自動打開，機械車鉤解鉤后主風(fēng)管閥自動關(guān)閉。

半永久車鉤通過連接卡環(huán)連接在一起，車鉤下側(cè)設(shè)有主風(fēng)管連接器?？ōh(huán)連接完成后，主風(fēng)連接器自動連接并密封。車鉤方案如圖2所示。

上述車鉤方案具有以下技術(shù)優(yōu)點：①車鉤結(jié)合面的凸錐和凹錐具有大的對接范圍，即使相聯(lián)掛的車鉤在不完全平行的小半徑曲線上也可完成聯(lián)掛。330型車鉤具有較大的連掛范圍，且滿足與其他北京地鐵項目車輛互聯(lián)互通的連掛要求。②牽引力通過平行四邊形的聯(lián)掛機構(gòu)，形成安全、可靠、無間隙的聯(lián)掛。③車鉤結(jié)構(gòu)簡單可靠，解鉤方便，解鉤只需從一側(cè)完成。④車鉤可在低速下聯(lián)掛（5 km/h），滿足連掛要求。⑤車鉤采用模塊化集成的系統(tǒng)設(shè)計，方便安裝、拆卸和維護。

4" 車鉤系統(tǒng)仿真模擬分析

車鉤系統(tǒng)布置于列車車輛間，主要有3個功能：傳遞列車運行期間產(chǎn)生的載荷；緩和列車沖擊，提升乘坐舒適性；吸收列車連掛、調(diào)車、碰撞等產(chǎn)生的能量。針對車鉤功能，本文將對列車碰撞吸能、列車緊急救援能力進行仿真分析。

當(dāng)兩列車發(fā)生相對碰撞時，假設(shè)一列車靜止并施加了停放制動，碰撞吸能時車鉤主要承受壓縮載荷，需要驗證車鉤在壓縮載荷下滿足吸能特性的要求；當(dāng)一列車發(fā)生故障時，按照AW0載荷考慮，對被救援車輛分別在牽引及推送2種不同的救援工況下，考慮車鉤及緩沖裝置所能承受的最大載荷極限。緊急救援時車鉤主要承受拉伸載荷，驗證車鉤在拉伸載荷作用下不會產(chǎn)生屈服變形。

4.1" 碰撞吸能

當(dāng)列車發(fā)生碰撞時，碰撞吸能需要分為2種情況進行討論，即可恢復(fù)吸能及破壞吸能?？苫謴?fù)吸能指的是列車在撞擊過程中車鉤及車體沒有任何損壞的吸能，通?？苫謴?fù)吸能對應(yīng)列車日常連掛吸能，在日常使用過程中，列車的連掛速度通常不大于5 km/h。破壞吸能指的是列車意外撞擊過程的吸能，屬于不可恢復(fù)吸能過程。對于車鉤系統(tǒng)，主要分析車鉤損壞（壓潰管觸發(fā)）且車體沒有任何永久性變形的工況。根據(jù)EN15227，軌道交通B型車輛編組最高可考慮25 km/h撞擊吸能，但考慮到車體前端安裝空間及車鉤緩沖裝置的極限長度尺寸，單純依靠車鉤緩沖裝置難以實現(xiàn)列車在25 km/h速度沖擊下的工況要求，因此，在列車以25 km/h速度進行碰撞時，整個吸能過程分為3個等級，第一級為車鉤緩沖器，第二級為車鉤壓潰管，第三級為防爬器與車體吸能區(qū)。整體過程吸能需防爬器及車體配合吸能。車鉤系統(tǒng)本身對5 km/h連掛及15 km/h撞擊進行仿真計算分析。仿真結(jié)果顯示，車鉤方案滿足該項目列車吸能要求。車輛參數(shù)及仿真工況如圖3及表1所示。

工況一：兩列車以5 km/h的速度連掛時，車鉤最大受力為523.2 kN（發(fā)生在端面8），車鉤受力小于壓潰管觸發(fā)力700 kN，連掛產(chǎn)生的能量由EFG3內(nèi)的緩沖橡膠吸收，車緩沖橡膠為可恢復(fù)彈性吸能原件，車鉤及車體沒有任何永久性變形。

工況二：兩列車15 km/h速度撞擊時，車鉤受力大于車鉤壓潰管觸發(fā)力，壓潰管膨脹吸能，車鉤壓潰管損壞，撞擊產(chǎn)生的能量完全由車鉤吸收，車鉤剪切螺栓不會觸發(fā)，車體沒有永久性變形。

4.2" 緊急救援

列車緊急救援一般以最惡劣工況（表2）進行校核。當(dāng)車鉤由壓縮狀態(tài)轉(zhuǎn)化為拉伸狀態(tài)時，車鉤及車體承受的拉伸力最大。從列車操控角度考慮，列車施加全牽引，待所有車廂速度穩(wěn)定后，列車去除牽引并施加緊急制動，此工況最為惡劣。以下仿真校核基于以上工況假設(shè)。

8節(jié)編組AW0列車最大牽引力340.4 kN，緊急制動力396.2 kN，制動響應(yīng)時間1.5 s，力值分布見表3。

牽引救援模擬工況8編組車在故障車前拉伸救援8編組故障車，推送救援工況模擬8編組車在故障車后面推送救援8編組故障車。牽引救援時，車鉤在救援車牽引力的作用下，車鉤處于拉伸狀態(tài)。待救援車施加緊急制動后，車鉤由拉伸狀態(tài)轉(zhuǎn)換為壓縮狀態(tài)。而推送救援時，車鉤受力狀態(tài)與牽引狀態(tài)相反，車鉤由壓縮狀態(tài)轉(zhuǎn)為拉伸狀態(tài)。由仿真分析計算可得，牽引救援車鉤承受最大力為壓力，力值為493.9 kN；緊急救援車鉤承受最大力為拉力，力值為501 kN，2種工況車鉤受力均滿足車體強度設(shè)計要求。但對于緊急救援工況，推送救援對車鉤的影響比牽引救援要惡劣得多。

5" 結(jié)束語

本文對北京地鐵某8編組B型車車輛車鉤系統(tǒng)的需求進行分析，提出了滿足需求可行的B型車車鉤常用解決方案。對車鉤連掛及碰撞吸能進行了分析，仿真模擬了車鉤力與行程特性關(guān)系、力與時間特性關(guān)系，對列車連掛及碰撞過程中車鉤受力進行了充分分析；從牽引及推送2種工況對車鉤緊急救援能力進行了分析，得出了救援過程中的力與時間曲線，得出了推送救援模式比牽引救援模式對車鉤影響較大的結(jié)論。

本文通過對8編組B型車車鉤方案進行分析及仿真驗證，為8編組B型車車鉤方案設(shè)計提供了技術(shù)參考。

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第一作者簡介：孫中原（1988-），男，機械工程師，主管設(shè)計師。研究方向為軌道交通車輛。

*通信作者：李茁（1998-），男，助理工程師。研究方向為列車車端系統(tǒng)。