柴田式车钩缓冲装置过载保护功能研究

郑 伟，鲁青君，陈书翔

（南车青岛四方机车车辆股份有限公司 技术中心，山东青岛266111）

柴田式车钩缓冲装置过载保护功能研究

郑 伟，鲁青君，陈书翔

（南车青岛四方机车车辆股份有限公司 技术中心，山东青岛266111）

根据柴田式车钩缓冲装置设计原理、安装结构，结合车钩缓冲装置的使用情况，提出了在柴田式车钩缓冲装置后方增加折叠式压溃吸能装置的方案。通过仿真计算分析，在钩缓装置后方安装折叠式压溃管之后，由于调车人员误操作导致车辆连挂速度超出规定的范围而引起的车辆受损情况将大大降低，提升了动车组的过载保护功能。

柴田式车钩缓冲装置；CRH2动车组；CRH380A/AL动车组；折叠式压溃管；吸能

随着国内CRH2及CRH380A/AL型动车组数量的增多，动车组在重联、救援运用过程中，由于连挂速度超出规定的范围（大于5 km/h）造成动车组车体结构受损的情况时有发生。主要原因是在这种工况下动车组安装的柴田式车钩缓冲器被全部压死，车钩力直接传递给车体底架造成刚性冲击，对车体结构和人员安全造成一定伤害［1］。CRH1/CRH3/CRH5型动车组车钩缓冲装置设置了压溃吸能过载保护装置，如果动车组连挂速度超出规定的范围，此结构能够有效的吸收超出缓冲器吸收范围之外的能量，保护车体结构，提升动车组的过载保护功能。为了提升CRH2及CRH380A/AL型动车组的过载保护功能，保证动车组在超过规定的连挂速度时车体结构不受损坏，有必要研究柴田式车钩缓冲装置增加压溃吸能装置的可行性。

通过对柴田式车钩缓冲装置的结构分析，结合动车组和机车设置压溃吸能装置的实例，提出了在缓冲器后方设置折叠式压溃管的方案，并进行仿真分析计算，验证了方案的合理性。

1 动车组车钩缓冲装置简介

（1）柴田式车钩缓冲装置结构

柴田式车钩缓冲装置由柴田式车钩和橡胶缓冲器组成。柴田式车钩包括钩体、钩舌、横销等零部件，橡胶缓冲器包括橡胶缓冲元件、缓冲器框体、纵销、框接头等零部件。车钩缓冲装置受到纵向冲击时，通过橡胶缓冲元件的压缩变形实现缓冲和能量吸收功能，从而达到保护车辆的目的。柴田式车钩缓冲装置结构见图1。

柴田式车钩缓冲装置的性能参数见表1。

（2）其他类型动车组车钩缓冲装置

CRH1/CRH3/CRH5型动车组车钩缓冲装置为整体式结构，除了满足正常的连挂功能外，还设置了压溃管进行过载吸能，可以实现在较高连挂速度下（5～10 km/h）吸收能量保护车体结构的功能。如CRH380D/CRH380BL/CRH380CL等动车组钩缓装置上设置了压溃管，满足动车组在超过5 km/h速度连挂、撞击时车体主结构不受损伤的要求，提高了车辆的被动防护功能。上述车型的车钩缓冲装置结构示意图见图2，图3。

CRH1/CRH3/CRH5型动车组车钩缓冲装置的性能参数见表2。

（3）各类型动车组车钩缓冲装置对比分析

CRH1/CRH3/CRH5型动车组车钩缓冲装置在设计时比较侧重“碰撞”工况下“能量管理”的概念。在对列车因意外事故不同工况下碰撞过程中各断面纵向力、纵向加速度历程进行动力学仿真的基础上，通过对列车不同断面位置能量吸收能力和变形方向的控制，达到在碰撞时最大限度吸收能量和保护车体的目的［3］。因此动车组车钩缓冲装置在设计上主要考虑的是碰撞保护，各个断面缓冲设备的容量和行程普遍较大，特别是动车组头尾车缓冲器的容量更大，通常都采用气液缓冲器等大容量缓冲设备，并采用金属或非金属压溃管作为吸能元件，这是一种一次性的吸能元件，可吸收较大冲击能量，多用于过载保护［4］。在发生碰撞时能够有效保护车体结构和乘客安全。CRH2及CRH380A/AL型动车组的车钩缓冲装置采用橡胶缓冲器，容量、刚度和初压力较低，可以有效的吸收正常运营过程中纵向冲动，但在超过5 km/h的连挂工况下不能完全为车体提供保护。

2 压溃吸能装置选型

压溃装置主要采用方形、圆形结构的薄壁管作为吸能元件，当作用于车辆的纵向冲击力达到压溃装置的触发力后，压溃装置便会发生塑性变形，吸收能量，将意外冲击引发的损失降低到最小程度［5］。目前轨道车辆上使用的压溃吸能装置主要有防爬吸能装置、车钩上安装膨胀式压溃管（多见于欧系动车组和地铁车辆）、车钩缓冲器后方设置折叠式压溃管等。

当动车组以超过5 km/h的速度连挂时，可恢复性吸能装置达到最大的能量吸收后，车钩力超过压溃吸能装置的触发力，变形部分发生动作并吸收较大能量，最大程度的保护了车体结构不受损坏。压溃吸能装置发生动作后，需要将此装置进行更换，车钩缓冲装置可恢复到正常状态。

（1）增加防爬吸能装置分析

防爬吸能装置的作用原理为车辆受到撞击时，连接车辆的车间距由于缓冲器的作用急剧变小，随着车辆间距的缩小，防爬装置接触，吸能结构产生变形并吸收能量。防爬吸能装置的结构示意图如图4所示。

通过对CRH2及CRH380A/AL动车组曲线通过计算分析，计算条件：车辆长度24 500 mm，车辆定距17 500 mm，车辆间距500 mm。动车组在通过R180 m的曲线时，车辆间最小的距离已达到268.8 mm，最大间距达到737.7 mm。此外车端还安装有风挡，车间减振器等设备，车辆通过曲线时防爬装置在还未进行能量吸收时就已经发生干涉，不适合安装防爬吸能装置。动车组车辆曲线通过分析见图5。

（2）增加膨胀式压溃管分析

轨道车辆车钩上多采用图6所示的膨胀式压溃管结构。当车辆发生较高速度冲击时，牵引杆将沿着导向杆向前滑动，压溃管被胀套撑开压入，发生塑性变形，吸收冲击能量［1］。CRH1/CRH3/CRH5型动车组上安装的压溃吸能装置结构便是这种原理。由于CRH2及CRH380A/AL动车组车钩缓冲装置为分体式结构，不能安装膨胀式压溃管。

（3）在缓冲器尾部增加折叠式压溃管分析

机车压溃管放置于车钩缓冲器的后方，在相应位置上设有压溃诱导结构。在连挂开始时产生了一个峰值，该峰值对应的力就是压溃管的触发力，而后由于褶皱处管壁的渐进屈曲致使压溃管的纵向承载能力迅速下降，压缩力也开始下降，当压缩力下降到最低点时第1个褶皱折叠完成。随着压缩行程的继续，压溃管管壁继续屈曲，同时压缩力也再次上升，由此发生管壁产生第2个褶皱的过程。同样，管壁相继产生第3个、第4个褶皱，发生了有规律的渐进的压缩变形过程，在压溃管被压缩的过程中，结构整体的塑性变形逐步增大，压溃管结构因发生塑性变形消耗了能量［6］。折叠式压溃管的受压弯曲变形后的实物如图7所示，变形过程的受力情况如图8所示［7］。

目前在国内的HXD1、HXD3等客运机车上均安装了折叠式压溃管。在某些超过规定速度的调车作业过程中折叠式压溃吸能装置发生动作，压溃管变形吸能，起到了保护车辆结构和车钩缓冲装置的作用。机车上使用的折叠式压溃管的安装结构示意图（图9）和基本参数如表3所示［8］。

通过以上压溃吸能装置原理、结构、实际使用情况分析，只有机车车辆用折叠式压溃管经过改进可以应用于装有柴田式车钩缓冲装置的CRH2及CRH380A/AL动车组上。

3 压溃装置方案设计

（1）安装位置分析

通过对机车车钩缓冲装置和CRH2及CRH380A/AL型动车组车钩缓冲装置的分析，动车组用折叠式压溃管与机车压溃管安装方式相同，即将折叠式压溃管安装在柴田式车钩缓冲装置的后方，压溃管后方的连接板上设置螺栓安装孔，可通过螺栓将折叠式压溃管安装在车钩从板座上，此种结构维护、拆卸方便。安装示意图如图10所示。

（2）参数、安装方法的基本确定

由于压溃装置只有在列车超出规定的连挂速度，发生意外撞击时才能发挥作用，因此其压溃触发力与缓冲器的最大阻抗力相匹配，否则将会因压溃装置频繁触发而造成不应有的车辆故障。但是压溃触发力又不能高于车辆纵向强度，否则压溃装置将难以保护车辆［2］。

参考机车车辆Z-3型压溃管的参数，设置柴田式车钩缓冲装置用折叠式压溃管的参数如下：触发力为1 100 k N，行程80 mm，吸收能量80 kJ。

4 仿真计算

由于CRH2及CRH380A/AL型动车组上安装了柴田式车钩缓冲装置，并且CRH380A动车组轴重较CRH2型动车组重，且长编组动车组在重联时有较多的缓冲器实现能力吸收，所以只进行8辆编组的CRH380A动车组的理论仿真分析。

按照列车纵向动力学理论，将整列车视为由钩缓装置连接的若干单自由度（纵向）质点，通过对质点系运动微分方程组的逐步求解计算整个碰撞过程各个车位的加速度、车钩力、速度及钩缓装置的受力变化。CRH380A动车组各车质量参数如表4所示。

结合实际情况，一列8辆编组的CRH380A动车组以一定速度与另一列静止并处于停放制动状态的8辆编组的CRH380A列车以一定的速度进行连挂，参见图11。计算时停放制动系数取0.13，动车行驶时摩擦系数取0.003。

（1）CRH380A动车组5 km/h速度连挂分析

通过计算分析，在连挂过程中最大车钩力发生在第9冲击的连挂断面上，车钩压缩力峰值为507 k N，单侧缓冲器行程39.6 mm。直接冲击断面车钩力为

487 k N，缓冲器行程为67.5 mm，断面8和断面9车钩力和缓冲器行程见表5，曲线见图12。

由于压溃管的行程为80 mm，仿真计算结果中压溃管均未触发，最大车钩力为507 k N，既小于车钩压缩强度3 040 k N，又小于压溃管的触发力1 100 k N。说明该缓冲器的配置能够吸收列车5 km/h速度连挂的能量。

（2）CRH380A动车组7 km/h速度连挂分析

通过计算分析，最大车钩力发生在第9冲击的连挂断面上，车钩压缩力峰值为903 k N，单侧缓冲器行程49.1 mm。直接冲击断面车钩力为841 k N，缓冲器行程为83.6 mm，断面8、9车钩力和缓冲器行程见表6，曲线见图13。

由于压溃管的行程为80 mm，仿真计算结果中压溃管均未触发，最大车钩力为841 k N，既小于车钩压缩强度3 040 k N，又小于压溃管的触发力1 100 k N。说明该缓冲器的配置能够吸收列车7 km/h速度连挂的能量。

（3）CRH380A动车组10 km/h速度连挂分析

通过计算分析，两列动车组以10 km/h的速度进行连挂，共有14个断面的压溃管在连挂过程中发生动作，车钩力达到了的压溃管的触发力（1 100 k N），压溃管被触发产生行程，车钩力不再继续上升，缓冲器的行程均达到了最大值（前端缓冲器行程达到96 mm，中间缓冲器行程达到56 mm），在连挂过程中不再增大。第8断面中压溃管行程最大，为10.4 mm，其他断面车钩力和缓冲器行程见表7，断面8、9车钩力行程曲线见图14。

由于压溃管的行程为80 mm，仿真计算结果中压溃管的最大行程为10.4 mm，没有超出压溃管的设计值，说明该方案的缓冲器和压溃管的配置能够吸收列车10 km/h速度连挂的能量。

（4）CRH380A动车组15 km/h速度连挂分析

通过计算分析，两列动车组以15 km/h的速度进行连挂，共有15个断面的压溃管在连挂过程中发生动作，车钩力达到了压溃管的触发力（1 100 k N），压溃管被触发产生行程，车钩力不再继续上升，缓冲器的行程均达到了最大值（前端缓冲器行程达到96 mm，中间缓冲器行程达到56 mm），在连挂过程中不再增大。第8断面的压溃管动作，行程约248.9 mm，超过了设计的行程（80 mm）。各断面车钩力和缓冲器行程见表8。

由于压溃管的行程为80 mm，仿真计算结果中压溃管的最大行程为248.9 mm，远远超过压溃管的设计值，仿真结果说明该方案的缓冲器和压溃管的配置不能够吸收列车15 km/h速度连挂的能量。

5 结束语

通过对安装了压溃吸能装置的动车组在5，7，10，15 km/h的仿真分析计算，在柴田式车钩缓冲装置尾部增加折叠式压溃管后，两列动车组以不超过10 km/h的速度进行连挂，动车组主体结构均不会造成损坏，仅对产生变形的压溃管做更换处理，便可将动车组的性能恢复到正常水平，验证了在缓冲器后方增加折叠式压溃管的可行性，提升了CRH2及CRH380A/AL型动车组的过载保护功能。

结合既有动车组车钩缓冲装置的特点，针对具体结构进行折叠式压溃管的设计和车钩安装座的结构改进，可以将此类结构安装到CRH2及CRH380A/AL动车组上。

［1］ 王学亮，姜晓东.车钩缓冲装置用过载保护吸能装置综述［J］.机车车辆工艺，2011，（3）：14-16.

［2］ TJ/CL 292－2013动车组车钩及缓冲装置（暂行）［S］.2013.

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［6］ 孙彦彬，张 伟，陈秉智，等.折叠式压溃管的吸能仿真［J］.大连交通大学学报，2008，29（5）：105-108.

［7］ 刘德学，何清和，袁文辉，等.薄壁圆管变形吸能元件准静态压溃吸能分析［J］.电力机车与城轨车辆，2011，34（3）：37-39，50.

［8］ 张维坤，刘凤刚.机车吸能装置的研制［J］.内燃机车，2008，（12）：10-13.

Research on Overload Protection Function of Shibata-type Coupler Buffer Device

ZHENG Wei，LU Qingjun，CHEN Shuxiang
（Technique Center，CSR Qingdao Sifang Co.，Ltd.，Qingdao 266111 Shandong，China）

According to the design principles，mounting structure and application of Shibata-type coupler buffer device，this paper proposes the scheme of adding the folding crushing energy absorption device in the rear of Shibata-type coupler buffer device.Simulation analysis indicates that the installation of folding crushing tube in the rear of hook buffer device can greatly reduce the vehicle damage due to the wrong operation of shunting staff，and can greatly enhance the overload protection of EMU.

Shibata-type coupler buffer device；CRH2 EMU；CRH380A/AL EMU；folding crushing tube；energy absorption

U270.34

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.05.07

1008－7842（2014）05－0028－07

�）男，工程师（

2014－02－22）