柴田式車鉤緩沖裝置過載保護(hù)功能研究

鄭 偉，魯青君，陳書翔

（南車青島四方機車車輛股份有限公司 技術(shù)中心，山東青島266111）

柴田式車鉤緩沖裝置過載保護(hù)功能研究

鄭 偉，魯青君，陳書翔

（南車青島四方機車車輛股份有限公司 技術(shù)中心，山東青島266111）

根據(jù)柴田式車鉤緩沖裝置設(shè)計原理、安裝結(jié)構(gòu)，結(jié)合車鉤緩沖裝置的使用情況，提出了在柴田式車鉤緩沖裝置后方增加折疊式壓潰吸能裝置的方案。通過仿真計算分析，在鉤緩裝置后方安裝折疊式壓潰管之后，由于調(diào)車人員誤操作導(dǎo)致車輛連掛速度超出規(guī)定的范圍而引起的車輛受損情況將大大降低，提升了動車組的過載保護(hù)功能。

柴田式車鉤緩沖裝置；CRH2動車組；CRH380A/AL動車組；折疊式壓潰管；吸能

隨著國內(nèi)CRH2及CRH380A/AL型動車組數(shù)量的增多，動車組在重聯(lián)、救援運用過程中，由于連掛速度超出規(guī)定的范圍（大于5 km/h）造成動車組車體結(jié)構(gòu)受損的情況時有發(fā)生。主要原因是在這種工況下動車組安裝的柴田式車鉤緩沖器被全部壓死，車鉤力直接傳遞給車體底架造成剛性沖擊，對車體結(jié)構(gòu)和人員安全造成一定傷害［1］。CRH1/CRH3/CRH5型動車組車鉤緩沖裝置設(shè)置了壓潰吸能過載保護(hù)裝置，如果動車組連掛速度超出規(guī)定的范圍，此結(jié)構(gòu)能夠有效的吸收超出緩沖器吸收范圍之外的能量，保護(hù)車體結(jié)構(gòu)，提升動車組的過載保護(hù)功能。為了提升CRH2及CRH380A/AL型動車組的過載保護(hù)功能，保證動車組在超過規(guī)定的連掛速度時車體結(jié)構(gòu)不受損壞，有必要研究柴田式車鉤緩沖裝置增加壓潰吸能裝置的可行性。

通過對柴田式車鉤緩沖裝置的結(jié)構(gòu)分析，結(jié)合動車組和機車設(shè)置壓潰吸能裝置的實例，提出了在緩沖器后方設(shè)置折疊式壓潰管的方案，并進(jìn)行仿真分析計算，驗證了方案的合理性。

1 動車組車鉤緩沖裝置簡介

（1）柴田式車鉤緩沖裝置結(jié)構(gòu)

柴田式車鉤緩沖裝置由柴田式車鉤和橡膠緩沖器組成。柴田式車鉤包括鉤體、鉤舌、橫銷等零部件，橡膠緩沖器包括橡膠緩沖元件、緩沖器框體、縱銷、框接頭等零部件。車鉤緩沖裝置受到縱向沖擊時，通過橡膠緩沖元件的壓縮變形實現(xiàn)緩沖和能量吸收功能，從而達(dá)到保護(hù)車輛的目的。柴田式車鉤緩沖裝置結(jié)構(gòu)見圖1。

柴田式車鉤緩沖裝置的性能參數(shù)見表1。

（2）其他類型動車組車鉤緩沖裝置

CRH1/CRH3/CRH5型動車組車鉤緩沖裝置為整體式結(jié)構(gòu)，除了滿足正常的連掛功能外，還設(shè)置了壓潰管進(jìn)行過載吸能，可以實現(xiàn)在較高連掛速度下（5～10 km/h）吸收能量保護(hù)車體結(jié)構(gòu)的功能。如CRH380D/CRH380BL/CRH380CL等動車組鉤緩裝置上設(shè)置了壓潰管，滿足動車組在超過5 km/h速度連掛、撞擊時車體主結(jié)構(gòu)不受損傷的要求，提高了車輛的被動防護(hù)功能。上述車型的車鉤緩沖裝置結(jié)構(gòu)示意圖見圖2，圖3。

CRH1/CRH3/CRH5型動車組車鉤緩沖裝置的性能參數(shù)見表2。

（3）各類型動車組車鉤緩沖裝置對比分析

CRH1/CRH3/CRH5型動車組車鉤緩沖裝置在設(shè)計時比較側(cè)重“碰撞”工況下“能量管理”的概念。在對列車因意外事故不同工況下碰撞過程中各斷面縱向力、縱向加速度歷程進(jìn)行動力學(xué)仿真的基礎(chǔ)上，通過對列車不同斷面位置能量吸收能力和變形方向的控制，達(dá)到在碰撞時最大限度吸收能量和保護(hù)車體的目的［3］。因此動車組車鉤緩沖裝置在設(shè)計上主要考慮的是碰撞保護(hù)，各個斷面緩沖設(shè)備的容量和行程普遍較大，特別是動車組頭尾車緩沖器的容量更大，通常都采用氣液緩沖器等大容量緩沖設(shè)備，并采用金屬或非金屬壓潰管作為吸能元件，這是一種一次性的吸能元件，可吸收較大沖擊能量，多用于過載保護(hù)［4］。在發(fā)生碰撞時能夠有效保護(hù)車體結(jié)構(gòu)和乘客安全。CRH2及CRH380A/AL型動車組的車鉤緩沖裝置采用橡膠緩沖器，容量、剛度和初壓力較低，可以有效的吸收正常運營過程中縱向沖動，但在超過5 km/h的連掛工況下不能完全為車體提供保護(hù)。

2 壓潰吸能裝置選型

壓潰裝置主要采用方形、圓形結(jié)構(gòu)的薄壁管作為吸能元件，當(dāng)作用于車輛的縱向沖擊力達(dá)到壓潰裝置的觸發(fā)力后，壓潰裝置便會發(fā)生塑性變形，吸收能量，將意外沖擊引發(fā)的損失降低到最小程度［5］。目前軌道車輛上使用的壓潰吸能裝置主要有防爬吸能裝置、車鉤上安裝膨脹式壓潰管（多見于歐系動車組和地鐵車輛）、車鉤緩沖器后方設(shè)置折疊式壓潰管等。

當(dāng)動車組以超過5 km/h的速度連掛時，可恢復(fù)性吸能裝置達(dá)到最大的能量吸收后，車鉤力超過壓潰吸能裝置的觸發(fā)力，變形部分發(fā)生動作并吸收較大能量，最大程度的保護(hù)了車體結(jié)構(gòu)不受損壞。壓潰吸能裝置發(fā)生動作后，需要將此裝置進(jìn)行更換，車鉤緩沖裝置可恢復(fù)到正常狀態(tài)。

（1）增加防爬吸能裝置分析

防爬吸能裝置的作用原理為車輛受到撞擊時，連接車輛的車間距由于緩沖器的作用急劇變小，隨著車輛間距的縮小，防爬裝置接觸，吸能結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形并吸收能量。防爬吸能裝置的結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

通過對CRH2及CRH380A/AL動車組曲線通過計算分析，計算條件：車輛長度24 500 mm，車輛定距17 500 mm，車輛間距500 mm。動車組在通過R180 m的曲線時，車輛間最小的距離已達(dá)到268.8 mm，最大間距達(dá)到737.7 mm。此外車端還安裝有風(fēng)擋，車間減振器等設(shè)備，車輛通過曲線時防爬裝置在還未進(jìn)行能量吸收時就已經(jīng)發(fā)生干涉，不適合安裝防爬吸能裝置。動車組車輛曲線通過分析見圖5。

（2）增加膨脹式壓潰管分析

軌道車輛車鉤上多采用圖6所示的膨脹式壓潰管結(jié)構(gòu)。當(dāng)車輛發(fā)生較高速度沖擊時，牽引桿將沿著導(dǎo)向桿向前滑動，壓潰管被脹套撐開壓入，發(fā)生塑性變形，吸收沖擊能量［1］。CRH1/CRH3/CRH5型動車組上安裝的壓潰吸能裝置結(jié)構(gòu)便是這種原理。由于CRH2及CRH380A/AL動車組車鉤緩沖裝置為分體式結(jié)構(gòu)，不能安裝膨脹式壓潰管。

（3）在緩沖器尾部增加折疊式壓潰管分析

機車壓潰管放置于車鉤緩沖器的后方，在相應(yīng)位置上設(shè)有壓潰誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)。在連掛開始時產(chǎn)生了一個峰值，該峰值對應(yīng)的力就是壓潰管的觸發(fā)力，而后由于褶皺處管壁的漸進(jìn)屈曲致使壓潰管的縱向承載能力迅速下降，壓縮力也開始下降，當(dāng)壓縮力下降到最低點時第1個褶皺折疊完成。隨著壓縮行程的繼續(xù)，壓潰管管壁繼續(xù)屈曲，同時壓縮力也再次上升，由此發(fā)生管壁產(chǎn)生第2個褶皺的過程。同樣，管壁相繼產(chǎn)生第3個、第4個褶皺，發(fā)生了有規(guī)律的漸進(jìn)的壓縮變形過程，在壓潰管被壓縮的過程中，結(jié)構(gòu)整體的塑性變形逐步增大，壓潰管結(jié)構(gòu)因發(fā)生塑性變形消耗了能量［6］。折疊式壓潰管的受壓彎曲變形后的實物如圖7所示，變形過程的受力情況如圖8所示［7］。

目前在國內(nèi)的HXD1、HXD3等客運機車上均安裝了折疊式壓潰管。在某些超過規(guī)定速度的調(diào)車作業(yè)過程中折疊式壓潰吸能裝置發(fā)生動作，壓潰管變形吸能，起到了保護(hù)車輛結(jié)構(gòu)和車鉤緩沖裝置的作用。機車上使用的折疊式壓潰管的安裝結(jié)構(gòu)示意圖（圖9）和基本參數(shù)如表3所示［8］。

通過以上壓潰吸能裝置原理、結(jié)構(gòu)、實際使用情況分析，只有機車車輛用折疊式壓潰管經(jīng)過改進(jìn)可以應(yīng)用于裝有柴田式車鉤緩沖裝置的CRH2及CRH380A/AL動車組上。

3 壓潰裝置方案設(shè)計

（1）安裝位置分析

通過對機車車鉤緩沖裝置和CRH2及CRH380A/AL型動車組車鉤緩沖裝置的分析，動車組用折疊式壓潰管與機車壓潰管安裝方式相同，即將折疊式壓潰管安裝在柴田式車鉤緩沖裝置的后方，壓潰管后方的連接板上設(shè)置螺栓安裝孔，可通過螺栓將折疊式壓潰管安裝在車鉤從板座上，此種結(jié)構(gòu)維護(hù)、拆卸方便。安裝示意圖如圖10所示。

（2）參數(shù)、安裝方法的基本確定

由于壓潰裝置只有在列車超出規(guī)定的連掛速度，發(fā)生意外撞擊時才能發(fā)揮作用，因此其壓潰觸發(fā)力與緩沖器的最大阻抗力相匹配，否則將會因壓潰裝置頻繁觸發(fā)而造成不應(yīng)有的車輛故障。但是壓潰觸發(fā)力又不能高于車輛縱向強度，否則壓潰裝置將難以保護(hù)車輛［2］。

參考機車車輛Z-3型壓潰管的參數(shù)，設(shè)置柴田式車鉤緩沖裝置用折疊式壓潰管的參數(shù)如下：觸發(fā)力為1 100 k N，行程80 mm，吸收能量80 kJ。

4 仿真計算

由于CRH2及CRH380A/AL型動車組上安裝了柴田式車鉤緩沖裝置，并且CRH380A動車組軸重較CRH2型動車組重，且長編組動車組在重聯(lián)時有較多的緩沖器實現(xiàn)能力吸收，所以只進(jìn)行8輛編組的CRH380A動車組的理論仿真分析。

按照列車縱向動力學(xué)理論，將整列車視為由鉤緩裝置連接的若干單自由度（縱向）質(zhì)點，通過對質(zhì)點系運動微分方程組的逐步求解計算整個碰撞過程各個車位的加速度、車鉤力、速度及鉤緩裝置的受力變化。CRH380A動車組各車質(zhì)量參數(shù)如表4所示。

結(jié)合實際情況，一列8輛編組的CRH380A動車組以一定速度與另一列靜止并處于停放制動狀態(tài)的8輛編組的CRH380A列車以一定的速度進(jìn)行連掛，參見圖11。計算時停放制動系數(shù)取0.13，動車行駛時摩擦系數(shù)取0.003。

（1）CRH380A動車組5 km/h速度連掛分析

通過計算分析，在連掛過程中最大車鉤力發(fā)生在第9沖擊的連掛斷面上，車鉤壓縮力峰值為507 k N，單側(cè)緩沖器行程39.6 mm。直接沖擊斷面車鉤力為

487 k N，緩沖器行程為67.5 mm，斷面8和斷面9車鉤力和緩沖器行程見表5，曲線見圖12。

由于壓潰管的行程為80 mm，仿真計算結(jié)果中壓潰管均未觸發(fā)，最大車鉤力為507 k N，既小于車鉤壓縮強度3 040 k N，又小于壓潰管的觸發(fā)力1 100 k N。說明該緩沖器的配置能夠吸收列車5 km/h速度連掛的能量。

（2）CRH380A動車組7 km/h速度連掛分析

通過計算分析，最大車鉤力發(fā)生在第9沖擊的連掛斷面上，車鉤壓縮力峰值為903 k N，單側(cè)緩沖器行程49.1 mm。直接沖擊斷面車鉤力為841 k N，緩沖器行程為83.6 mm，斷面8、9車鉤力和緩沖器行程見表6，曲線見圖13。

由于壓潰管的行程為80 mm，仿真計算結(jié)果中壓潰管均未觸發(fā)，最大車鉤力為841 k N，既小于車鉤壓縮強度3 040 k N，又小于壓潰管的觸發(fā)力1 100 k N。說明該緩沖器的配置能夠吸收列車7 km/h速度連掛的能量。

（3）CRH380A動車組10 km/h速度連掛分析

通過計算分析，兩列動車組以10 km/h的速度進(jìn)行連掛，共有14個斷面的壓潰管在連掛過程中發(fā)生動作，車鉤力達(dá)到了的壓潰管的觸發(fā)力（1 100 k N），壓潰管被觸發(fā)產(chǎn)生行程，車鉤力不再繼續(xù)上升，緩沖器的行程均達(dá)到了最大值（前端緩沖器行程達(dá)到96 mm，中間緩沖器行程達(dá)到56 mm），在連掛過程中不再增大。第8斷面中壓潰管行程最大，為10.4 mm，其他斷面車鉤力和緩沖器行程見表7，斷面8、9車鉤力行程曲線見圖14。

由于壓潰管的行程為80 mm，仿真計算結(jié)果中壓潰管的最大行程為10.4 mm，沒有超出壓潰管的設(shè)計值，說明該方案的緩沖器和壓潰管的配置能夠吸收列車10 km/h速度連掛的能量。

（4）CRH380A動車組15 km/h速度連掛分析

通過計算分析，兩列動車組以15 km/h的速度進(jìn)行連掛，共有15個斷面的壓潰管在連掛過程中發(fā)生動作，車鉤力達(dá)到了壓潰管的觸發(fā)力（1 100 k N），壓潰管被觸發(fā)產(chǎn)生行程，車鉤力不再繼續(xù)上升，緩沖器的行程均達(dá)到了最大值（前端緩沖器行程達(dá)到96 mm，中間緩沖器行程達(dá)到56 mm），在連掛過程中不再增大。第8斷面的壓潰管動作，行程約248.9 mm，超過了設(shè)計的行程（80 mm）。各斷面車鉤力和緩沖器行程見表8。

由于壓潰管的行程為80 mm，仿真計算結(jié)果中壓潰管的最大行程為248.9 mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過壓潰管的設(shè)計值，仿真結(jié)果說明該方案的緩沖器和壓潰管的配置不能夠吸收列車15 km/h速度連掛的能量。

5 結(jié)束語

通過對安裝了壓潰吸能裝置的動車組在5，7，10，15 km/h的仿真分析計算，在柴田式車鉤緩沖裝置尾部增加折疊式壓潰管后，兩列動車組以不超過10 km/h的速度進(jìn)行連掛，動車組主體結(jié)構(gòu)均不會造成損壞，僅對產(chǎn)生變形的壓潰管做更換處理，便可將動車組的性能恢復(fù)到正常水平，驗證了在緩沖器后方增加折疊式壓潰管的可行性，提升了CRH2及CRH380A/AL型動車組的過載保護(hù)功能。

結(jié)合既有動車組車鉤緩沖裝置的特點，針對具體結(jié)構(gòu)進(jìn)行折疊式壓潰管的設(shè)計和車鉤安裝座的結(jié)構(gòu)改進(jìn)，可以將此類結(jié)構(gòu)安裝到CRH2及CRH380A/AL動車組上。

［1］ 王學(xué)亮，姜曉東.車鉤緩沖裝置用過載保護(hù)吸能裝置綜述［J］.機車車輛工藝，2011，（3）：14-16.

［2］ TJ/CL 292－2013動車組車鉤及緩沖裝置（暫行）［S］.2013.

［3］ 楊調(diào)動，陳 凱.引進(jìn)200 km/h動車組鉤緩裝置比較分析［J］.鐵道車輛，2006，44（9）：6-10.

［4］ 李瑞淳.高速列車及提速列車車鉤緩沖裝置研究［J］.鐵道機車車輛，2004，24（6）：15-21.

［5］ 劉鳳剛，張維坤，王 鑫.地鐵及城軌列車壓潰式吸能裝置研制［J］.鐵道車輛，2008，46（2）：19-22.

［6］ 孫彥彬，張 偉，陳秉智，等.折疊式壓潰管的吸能仿真［J］.大連交通大學(xué)學(xué)報，2008，29（5）：105-108.

［7］ 劉德學(xué)，何清和，袁文輝，等.薄壁圓管變形吸能元件準(zhǔn)靜態(tài)壓潰吸能分析［J］.電力機車與城軌車輛，2011，34（3）：37-39，50.

［8］ 張維坤，劉鳳剛.機車吸能裝置的研制［J］.內(nèi)燃機車，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，工程師（

2014－02－22）