浅析双向气液缓冲器对轨道车辆碰撞及救援的影响

张会 何华

摘要：随着轨道交通的快速发展，以及人们对乘坐舒适性的更高要求，有很多业主开始选用带有双向气液缓冲器的车钩，双向气液缓冲器具有压缩和拉伸两个方向缓冲吸能的作用，可有效缓解车辆在连挂及紧急救援施加制动时产生的冲击力，进而保护乘客安全。文章就双向气液缓冲器对车辆碰撞及救援的影响进行分析，为缓冲吸能元件的选择提供了参考。

关键词：双向气液缓冲器;车钩;碰撞;救援

中图分类号：U463.33+5.1                              文献标识码：A                                文章编号：1674-957X（2021）06-0109-03

1  传统气液缓冲器与双向气液缓冲器的功能原理及特性曲线

1.1 传统气液缓冲器的功能原理及特性曲线

传统气液缓冲器结构如图1，功能原理简单介绍如下：当压缩力超过气液缓冲器触发力值时，柱塞被压入缸体，第一液压油腔中的液压油经过节流孔进入第二液压油腔，压缩能量转化为液压油高速流动产生的热能。液压油推动活塞进一步压缩气腔中的气体，压缩过程结束后活塞在压缩气体的反作用力下回到初始位置，推动液压油从第二液压油腔经节流孔流回第一液压油腔，缓冲器恢复到初始位置。

1.2 双向气液缓冲器的功能原理及特性曲线

双向气液缓冲器的功能原理如图2。（表1）

当缓冲器受到压缩时，b无杆腔液压油受到挤压，一路液压油通过5节流孔流向a无杆腔，当缓冲器持续受到压缩时，无杆腔液压油压力增大，当增大到一定压力后，无杆腔液压油一路从4单向阀和5节流孔流向a有杆腔，另一路液压油经过3可调节流孔、4增压阀（压力达到开启压力，即通常所说的初始触发力）到达c储油腔，c储油腔的液压油压缩d气腔的氮气，d气腔预先充有一定压力的氮气，最终通过能量的转化（动能转化为热能）起到缓冲吸能的作用。

当缓冲器受到压缩后，在不受外部拉力的情况下，d气腔中的氮气使得c储油腔的液压油通过1单向阀流回b无杆腔，进而推动油缸活塞向左移动，a有杆腔里的液压油经过5节流孔流回b无杆腔，缓冲器恢复到初始位置。

当缓冲器受到压缩后，突然受到外部拉力的情况下，即通常所说的高加速转紧急制动情况下，由于外部拉力的作用，使得油缸活塞获得快速向左移动的趋势，a有杆腔里的液压油受到挤压，通过5节流孔流回b无杆腔，由于节流孔的节流作用，使得油缸活塞移动减慢，通过能量的转化（动能转化为热能），起到缓冲吸能的效果。

传统气液缓冲器特性曲线如图3（a）。

双向气液缓冲器特性曲线如图3（b）。

与传统气液缓冲器特性曲线对比可知，双向气液缓冲器先受到压缩再受到拉力时，会产生缓冲作用。

2  碰撞仿真

以上海轨道交通某号线为例，A型车，6辆编组，编组形式：- TC * MP * M = M * MP * TC-车体刚度：头车5.747e7Nm，中间车6.667e7Nm。（表2）

碰撞要求如下：

①车钩及缓冲器系统可吸收速度为15km/h的列车（AW0）与制动的列车（AW0）相撞时产生的冲击能量，任何部件不能损坏。

②两列AW0的列车（按EN15227的要求）在相对速度为15km/h到25km/h相撞时，列车两端底架端部能量吸收装置或结构变形区吸收车钩缓冲器无法吸收的剩余能量。由于第2条要求涉及压溃管、防爬器及列车底架端吸能元件等，与文章中重点介绍的双向气液缓冲器关系较小，故该要求不作讨论。

根据相关参数，在仿真软件中建模，吸能装置配置为全自动车钩为150mm双向气液缓冲器和橡胶球关节轴承，半自动车钩两侧均为100mm气液缓冲器和橡胶球关节轴承，半永久车钩一侧为175mm双向气液缓冲器和橡胶球关节轴承，另一侧为橡胶球关节轴承和压溃管。

由于气液缓冲器的吸能特性对车辆的重量及速度较为敏感，为获得最优的特性曲线，每个项目需根据仿真的碰撞力（压力）对可调节流孔（孔与节油杆的间隙）进行调整，可调节孔径或节油杆杆径，通常情况下，固定孔径，调整轴径的大小，然后进行再次仿真，如此反复查看碰撞力，調整轴径大小，以获得较为平缓圆满的特性曲线，尽可能使各界面的碰撞力减小，拉大与车钩剪切力的差距，如此可保证车钩在剪断掉落前，各吸能元件能最大限度的进行吸能。通过多次调整，第6界面碰撞力为991kN，与剪切力值1200kN有足够安全余量，符合设计要求。

3  紧急救援仿真

该项目紧急救援工况要求如下：

①1列AW0救援1列AW0，紧急牵引时突然实施紧急制动;救援列车紧急牵引模式（高加速模式）下牵引力310kN，紧急制动响应时间为1.5s。

②1列AW0救援1列AW3，紧急牵引时突然实施紧急制动;救援列车紧急牵引模式（高加速模式）下牵引力310kN，紧急制动响应时间为1.5s。

③1列AW0救援1列AW3，在38‰坡道紧急牵引时突然实施紧急制动;救援列车紧急牵引模式（高加速模式）下牵引力310kN，紧急制动响应时间为1.5s。

④1列AW3救援1列AW3，紧急牵引时突然实施紧急制动;救援列车紧急牵引模式（高加速模式）下牵引力400kN，紧急制动响应时间为1.5s。

紧急制动力如表3。

牵引制动转换的情况下，通常会产生较大的车钩拉力，首先牵引阶段，列车各界面的车钩缓冲器受到牵引力作用产生压缩，车钩储存了由加速度产生的势能，其后列车迅速进入制动阶段，车钩缓冲器上的势能被释放，在相邻两车辆之间产生相对速度，与制动力共同作用下，车钩产生的力会出现极大值。

根据客户的描述，牵引力响应时间及制動力响应时间曲线如图4（a）。

通过仿真计算各工况最大拉力如下：

①339kN;②706.1kN;③823.3kN;④723.1kN。

小于车钩及车体的许用强度850kN，理论上满足设计要求。

4  线路救援试验

为验证双向气液缓冲器的可靠性，除车钩自身做了很多型式试验外，在业主、车辆厂及多方相关供应商的配合下，以连挂端全自动车钩及相邻半永久车钩加装测试管贴应变片的方式在车辆段及部分正线进行了模拟救援试验，由于线路时间的限制，未对AW0车救援AW0车进行试验，仅对AW0救援AW3和AW3救援AW3部分工况进行试验，由于实际采集的牵引制动响应时间曲线与仿真输入有误差，以图4（b）为例，以及装载沙袋（模拟载荷）称重时天气潮湿，试验时由于水分的蒸发致使的重量误差等因素使得试验结果力值小于仿真模拟数据，后根据实际采集的牵引制动响应时间曲线，重新进行模拟仿真，各工况下的试验最大拉力及重新模拟仿真的最大拉力见表4。

通过对比可知试验数据与模拟数据差距减小，主要还是因为载荷、施加的牵引力、制动力及响应时间曲线与模拟仿真中输入的存在或多或少的误差。但该差距不否定双向气液缓冲器对救援过程中的车钩拉力的改善作用。

5  结论

通过模拟仿真以及线路上车辆的模拟救援，验证了双向气液缓冲器在提高最大可恢复速度的同时，可满足紧急救援的需求，极大的提高了轨道车辆的舒适性及安全性。对以后车辆钩缓系统的选型提供了选择依据。

参考文献：

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[2]黄运华，李芾，付冒海，廖小平.新型铁道车辆液气缓冲器动态特性[J].交通运输工程学报，2005（04）：1-5.

[3]王颖.铁路客车新型液气缓冲器的设计与研究[D].大连：大连交通大学，2019.