钩缓系统在不同速度条件下各界面吸能特性研究

侯本虎，刘青波

(中车长春轨道客车股份有限公司 国家轨道客车工程研究中心，吉林 长春 130062)*

钩缓系统是连接轨道交通车辆的重要组成部分，它连通了两节车辆之间的气路和电路，传递车辆之间的牵引力，同时还在调车、制动等过程中传递纵向冲击力［1-2］.除此之外，钩缓系统在列车连挂运行和发生碰撞事故的瞬间，可以耗散大部分的撞击动能，从而起到保护司乘人员安全的目的［3-4］.随着轨道车辆的不断提速，钩缓系统的对车辆发生意外撞击时的能量吸收能力要求越来越高.

一般在低速或者车辆连挂速度等级下，列车所产生的能量完全可以通过车钩可恢复性缓冲器进行吸收，一旦撞击的速度增加超过这个界限，车钩将会发生破坏，触发压溃管进行吸能［5］.在列车被动安全领域，英国通过车辆实车的试验验证了车辆事故发生时的撞击效果，最终形成了EN15227列车的耐撞性能标准［6］;随后美国和法国等国家也对铁路车辆进行了相关的试验验证［7-8］，验证了列车车辆的分级吸能方案;Varanis M等人［9］利用弹簧和阻尼结合的方式模拟车辆之间的非线性关系，来满足车辆之间的连挂关系;肖守讷等人［10-11］利用LS-DYNA中119号材料模拟车钩的加载和卸载曲线特性，来模拟验证车辆的车钩设计曲线是否满足能量吸收要求.

综上所述，目前钩缓装置模拟方法和碰撞能量管理的设计理念［12-13］较为全面，但是不同的碰撞速度对钩缓装置各界面的吸能变化规律研究相对较少，因此，通过列车车辆在不同碰撞速度条件下各界面的能量耗散来研究钩缓系统的能量吸收规律.

1 钩缓配置

1.1 钩缓装置组成

车钩缓冲装置主要由车钩缓冲系统和压溃管相互串联而成，缓冲器的目的主要是缓解列车在正常运行过程中或者正常联挂过程中产生的冲击能量，提高列车运行的平稳性和舒适性.而当列车在非正常运行条件下或者较高速度条件下撞击时，将会触发车钩压溃管，此时缓冲器和压溃管两者会同时吸收撞击能量，保护车辆和司乘人员安全.

本文采用在地铁车辆中较为常用的EFG3橡胶缓冲器进行模拟分析，EFG3橡胶缓冲器属于可复原型能量吸收元件，由三组环形的橡胶件组成，主要依靠橡胶内部分子之间的摩擦和弹性变形起到来缓解撞击以及耗散能量，在车辆牵引和压缩两个方向均具有一定的弹性变形范围［14-15］.

车钩压溃管属于不可复原型能量吸收元件，以可变形的膨胀管为主，能量吸收率较高，安装于车钩杆上，管件的管口安装有略大于管口直径的膨胀块，可以吸收较高速度的冲击，当缓冲器能量吸收不足时，会触发压溃管通过自身的管件的膨胀来吸收能量.车钩缓冲器和压溃管触发示意图如图1所示.

1.2 碰撞动力学

目前，现成的物理和数学模型只能建立部分现象和问题的方程，而对于复杂的现象或问题，比如涉及到非线性大变形的列车碰撞过程，就无法利用现成的数学方程来表述，但是根据影响系统中各参数之间的因果关系可以在模型设计暴露系统中的物理实质.

对于不同的模型和不同的模型对象，可选用不同的量纲参数进行求解，根据E.Buckingham对于物理现象的研究过程中，提出了用基本物理量和导出物理量的关系，结合一般机械结构模型的特点，得出普遍现象的通用理论［16］:

图1 钩缓系统吸能顺序示意图

式中:m代表质量，a代表加速度，v代表速度，x代表长度，F代表系统作用激励，t代表时间.

根据文献［8］中对车辆碰撞弹塑性行为变形的模拟，车辆之间以及轮轨之间的关系通过弹簧和阻尼来模拟非线性的行为，可得出地铁列车的碰撞动力学运动方程为:

其中:［M］、［C］、［K］分别为地铁列车系统的质量、阻 尼 和 刚 度 矩 阵; {(t )}、 {(t )}、{ X (t)}分别为地铁列车系统的加速度、速度和位移向量;{F}、{P } 分别为地铁列车系统的外部作用力向量和接触界面力向量(仅碰撞界面).

2 碰撞模拟

2.1 碰撞模型的建立

本文以某6辆编组的地铁车辆为研究对象，建立列车碰撞动力学模型，如图2所示，钩缓系统分为头钩全自动车钩、中间半自动车钩和中间半永久车钩三种，根据列车中间界面的碰撞吸能规律建立了三种配置的半永久钩缓装置.

图2 列车碰撞动力学模型

全自动车钩具有自动连挂和自动解钩的功能，用于列车之间的连接，半自动车钩用于编组单元(Tc-Mp-M为一个编组单元)之间的连接，可以自动连挂，但需手动解钩，半永久车钩永久编组单元内部车辆之间的连接，需手动连挂和手动解钩，车钩配置具体参数如表1所示.

表1 钩缓系统配置参数汇总表

根据不同的碰撞速度建立了包括(5，8，10，15，20 km/h)在内的五种碰撞工况，分别针对不同速度条件下，车钩缓冲器和压溃管的具体压缩特性进行研究，具体碰撞工况如表2所示.

本文以以一般B型地铁车辆的重量进行设置，Tc车质量33t，Mp/M车质量35 t.

当两列车到站时的制动或发生车辆连挂时，车钩缓冲器在可恢复性的能量吸收范围内完成操作，无需更换部件.

当车辆发生低速碰撞或者意外碰撞的时候，车钩压溃管会被触发，发生塑性变形并吸收大部分的能量，以保护司乘人员和车辆的安全.

表2 碰撞工况汇总表

2.2 不同工况仿真分析

根据2.1节中车辆的配置和工况进行计算，钩缓系统能量配置如图3所示，“=”为头钩全自动车钩;“+”为中间半自动车钩;“A、B、C”为中间半永久牵引杆.

图3 钩缓系统配置图

S6是列车的碰撞界面，也是能量吸收的主要界面，符合列车碰撞特点［17-18］，S6界面在不同工况条件下的界面行程如图4所示，碰撞界面的行程使用量与初始碰撞动能成正比，当界面的吸能行程控制在缓冲器的行程范围(55+55)mm内时，各界面的吸能行程随着碰撞速度的提高呈线性增长;而当界面的吸能行程超过缓冲器的行程范围(55+55)mm内时，车钩压溃管参与吸能，各界面的吸能行程随着碰撞速度的提高呈正相关，速度增加越大，动能越大，从而导致各界面的吸能量增加，但是压溃管塑性变形属于非线性范畴，所以各界面的车钩的行程压缩量没有一定的规律，五种工况各界面的压缩行程如图5所示，工况一、工况

图4 碰撞界面的行程与时间特性曲线

图5 各界面的吸能行程特性曲线

二和工况三的速度增加量较小，初始动能的增加量小，所以各界面行程使用变化量小，但是随着碰撞速度的增加，初始动能量也成倍的增加，S5和S6两个主要的能量吸收界面所需要耗散的能量也会成指数型上涨，各界面的具体使用行程如表3所示.

表3 碰撞界面使用行程对比 mm

由于碰撞结果显示主被动车辆各界面的使用行程几乎对称，本文以主动车各界面为研究对象，各界面行程使用量从S6界面到S1界面依次递减，但除碰撞界面外，各界面的行程使用量较为平均，极大降低了个别界面的承载压力，平衡了各个界面的能量吸收，也体现了配有EFG3缓冲器钩缓系统的吸能特点，各界面具体行程使用量见表4.

表4 不同工况各界面使用行程汇总 mm

3 结论

(1)列车车辆的钩缓系统是保障车辆正常运行和连挂的重要部件，车钩缓冲器在其可复原性变形范围内缓解车辆连挂所产生的冲击能量，提高列车运行的平稳性和舒适性.一旦列车车辆发生意外碰撞，车钩压溃管将会被触发，缓冲器和压溃管共同吸收撞击能量，保护车辆和司乘人员安全;

(2)碰撞界面是碰撞发生时主要的能量吸收界面，此界面的钩缓装置行程压缩量与列车车辆的初始动能有关，与初始动能的增加量成正相关;

(3)通过不同碰撞速度的模拟分析，除碰撞界面外，其余各界面钩缓装置行程压缩量从一位端到二位端呈递减趋势，但总体较为均衡，有效缓解了列车车辆一位端的冲击压力.