撞击挡车器工况的地铁车钩选型实例分析

2018-12-21勾洪浩

机械工程与自动化 2018年6期

关键词：车钩缓冲器断面

阚松，勾洪浩

(1.中车南京浦镇车辆有限公司设计开发部，江苏南京 210031；2.中车青岛四方车辆研究所有限公司钩缓事业本部，山东青岛 266031)

0 引言

车钩系统是用以连挂车辆与车辆之间，使车辆之间保持一定距离，并传递牵引力、制动力等纵向载荷的装置。车钩系统可以有效提高列车运行过程中的平稳性和舒适性，在列车以较高速度碰撞时可以保护乘客和车辆安全[1]。

挡车器系统是安装于铁路线路终端、防止车辆越过线路终端的安全防护设备。它通过缓冲器、摩擦块等部件，将车辆的动能转化为压力能和热能储存和消耗掉，使得溜逸车辆停止。

随着国内各大城市地铁的陆续开通，由于车辆故障或操作失误导致的车辆撞击挡车器的事故时有发生，甚至导致车体结构严重受损。因此，地铁列车及线路终端的被动防护吸能功能日益得到重视[2]。

1 车钩系统主体结构

地铁车辆的车钩系统一般分为全自动车钩(通常用于列车头部)、半自动车钩(通常用于列车头部或半车单元之间)和半永久车钩(通常用于中间车辆之间，特别是半车单元内部)。全自动车钩可完成电气、机械、气路的自动连挂和解钩，并可进行人工解钩；半自动车钩可以实现机械和气路的自动连挂，但电气的连挂和解钩需要通过人工操作来完成；半永久车钩的机械、气路、电气的连挂和解钩都需要人工操作来完成。

车钩系统中用于缓冲的装置通常有气液缓冲器、弹性胶泥缓冲器、EFG缓冲器等，不可恢复的能量吸收装置一般采用压溃管装置。

2 挡车器系统主体结构

液压缓冲滑动式挡车器是带有液压缓冲器并可以整体滑动，利用摩擦吸能的一种挡车器，将失控列车的大部分动能转化为压力能及热能，从而使列车快速、安全地停车。挡车器系统主要由缓冲头、液压缓冲器、主体支架、制动摩擦装置等部分组成[3]。

3 车辆、车钩及挡车器参数分析

地铁列车之间碰撞吸能的实例有诸多文献介绍，但对于列车撞击挡车器的吸能工况的分析实例较少，现列出车辆、车钩及挡车器相关参数，便于后续计算工作的开展。图1为地铁列车撞击挡车器工况示意图。

图1 地铁列车撞击挡车器工况示意图

某地铁车辆为6辆编组的B2型车辆，编组方式为：=Tc-Mp-M+M-Mp-Tc=。其中:“=”为全自动车钩；“-”为半永久车钩；“+”为半自动车钩；“Tc”为带司机室的拖车，车重33 t；“Mp”为带受电弓的动车，车重35 t；“M”为不带受电弓的动车，车重35 t。

为兼顾列车间低速连挂和高速碰撞的性能需要，车钩的缓冲系统选用目前城轨车辆中应用比较广泛的弹性胶泥缓冲器。

《GB 50157地铁设计规范》中规定了挡车器应能承受列车以15 km/h和25 km/h速度撞击的冲击荷载[4]，由于速度要求较高，因此，选用了表1所示的两种挡车器，吸能容量较大。

4 撞击挡车器工况的仿真计算

按照列车纵向动力学理论，计算整个撞击过程的车钩力、时间、位移参数，研究两种工况下车钩系统的受力情况和能量吸收情况[5]。列车断面编号如图2所示。

4.1 列车以15 km/h速度撞击滑动摩擦式挡车器

该碰撞速度情况下，可优先采用滑动摩擦式挡车器，挡车器自重360 kg，滑动摩擦力300 kN，初始力330 kN。对冲击过程进行仿真计算，车辆各断面车钩力的时间历程如图3所示，缓冲装置吸能情况如表2所示，缓冲装置挡车器的位移-时间曲线如图4所示。

表1 挡车器性能参数

图2 列车断面编号示意图

图3 速度为15 km/h时车辆各断面车钩力的时间历程

断面编号123456最大车钩力(kN)164278310314321515缓冲器行程(mm)10.520.825.025.626.645.2压溃管位移(mm)000000吸收能量(kJ)0.72.43.23.53.810.0

图4 速度为15 km/h时挡车器位移-时间曲线

由图3可见：在15 km/h速度下的碰撞开始后第4 s左右，车辆和挡车器共同组成的系统达到了稳定状态，碰撞结束；最大车钩力出现在第6断面，即车辆与挡车器直接接触的断面，该断面的最大压缩力值为515 kN，低于车体所能承受的最大压缩载荷900 kN，也未达到压溃管的触发力值850 kN，因此，车辆未损坏，压溃管未触发，车钩未损坏。

第6断面的受力情况也反映了挡车器端部的受力情况，即挡车器所受最大压缩力为515 kN。由图4可见，挡车器滑移距离为5.9 m，考虑碰撞过程中影响因素的复杂性，建议预留滑移距离大于9 m。

4.2 列车以25 km/h速度撞击液压缓冲滑动摩擦式挡车器

在碰撞速度较高的情况下，可采用液压缓冲滑动摩擦式挡车器，挡车器自重1 000 kg，缓冲器阻抗力300 kN，缓冲器有效行程850 mm，滑动摩擦力300 kN，初始力330 kN。对冲击过程进行仿真计算，车辆各断面车钩力的时间历程如图5所示，缓冲装置吸能情况如表3所示，挡车器的位移-时间曲线如图6所示。

图5 速度为25 km/h时车辆各断面车钩力的时间历程

断面编号123456最大车钩力(kN)167306439467482850缓冲器行程(mm)10.724.542.548.351.455压溃管位移(mm)0000046.5吸收能量(kJ)1.13.48.610.411.9313.3

图6 速度为25 km/h时挡车器位移-时间曲线

由图5可见：在25 km/h速度下的碰撞开始后第6 s左右，车辆和挡车器共同组成的系统达到了稳定状态，碰撞结束；最大车钩力仍然出现在第6断面，该断面的最大压缩力值为850 kN，低于车体所能承受的最大压缩载荷，但是已经达到压溃管的触发力值，压溃管被触发，但是由于压溃管的稳态力参与吸能，压缩力值不再进一步上升，压溃管行程为46.5 mm。此次碰撞导致了压溃管的触发，因此需更换压溃管。

第6断面的最大压缩力值为850 kN，即挡车器所受最大压缩力为850 kN。由图6可见，挡车器滑移距离为10.3 m，考虑到高速碰撞过程中影响因素的复杂性，建议预留滑移距离大于16 m。