淺談國內外地鐵車輛車鉤緩沖裝置

陳煒森

摘要：車鉤緩沖裝置作為地鐵列車的安全配置，應具備足夠的強度、連接分解操作簡單可靠、緩解加減速時列車內產生的沖擊力等特點，保障乘客的安全及舒適感。本文通過對國內外車鉤緩沖裝置的發展與對比分析，車體強度以及車鉤緩沖裝置在有無碰撞要求時存在較大差異。

一、地鐵車輛半自動車鉤和半永久車鉤論述

（一）半自動車鉤

半自動車鉤由車鉤頭、風管接頭、車鉤牽引桿、橡膠墊鉤尾座、對中裝置、卡環、地線組成，可以實現鐵路車輛的自動連接。一節車廂駛到另一節車廂并對準后，這種車鉤即可在無需人工協助的情況下實現車廂的連掛。即使在連掛車輛存在水平和垂直角度誤差時，這種車鉤也可實現車輛的自動連接，并可實現連掛列車的豎曲線和平曲線運動及旋轉運動。

除可實現機械連掛外，這種車鉤實現了風管自動對接，減震器確保了減震作用，對緩沖和牽引均有效。半自動車鉤配備了能量吸收裝置，可在受到重沖擊時起作用，從而保護了車身底架不受損。半自動車鉤實現機械連掛后，風管會自動連接起來。半自動車鉤只能通過手動驅動車鉤頭處的解鉤桿來進行解鉤，如兩個連掛車鉤的鉤鎖意外解開，需將車輛分離后再次連掛，在軌道旁完成解鉤和分離后，車鉤會再次進入連掛準備狀態。

半自動車鉤與傳統車鉤相比，它不需要人工操作，自動連掛方便快速。當出現緊急故障時，能迅速自動對接被拖離現場，而不影響線路的正常運營;傳統的車鉤不能實現自動連接，都是人工操作，所以半自動車鉤比傳統車鉤更加靈活。

（二）半永久車鉤

半永久車鉤由風管接頭、車鉤牽引桿、橡膠墊鉤尾座、卡環、地線組成，它的設計可確保車輛的永久連接，使車輛的各節車廂在運動中形成一個整體，除遇到緊急狀況或在庫區進行維護之外，無需分離車輛，車鉤半部之間由便于拆卸的卡環連接，這種連接方式剛性佳、無松脫、安全性高，該款車鉤可實現列車的豎曲線和平曲線運動。

半永久車鉤緩沖裝置確保了減震作用對緩沖和牽引均有效;半永久車鉤連掛后，風管將自動完成連接;半永久車鉤半部分離只能手動完成。

半永久車鉤把整列車連掛成一個整體，而連掛之間沒有間隙，能實現風管的自動對接，無特別情況下無需分離，這種與傳統的車鉤相比，傳統車鉤連掛后間隙大，有碰撞震動大，風管的對接和分離都需要人工來操作，相比下半永久車鉤在連接和解鉤更具有優點和先進性。

目前典型的客車車鉤緩沖裝置是以歐系的密接式車鉤緩沖裝置為代表。日本鐵路按鉤型可分為普通車鉤、剛性車鉤和密接式車鉤。普通型車鉤類似于我國的2號、15號車鉤;剛性車鉤是在普通車鉤基礎上去掉了縱向間隙并增加了連鎖結構;密接式車鉤又分為方錐式與圓錐式2種。日本新干線電動車組用的密接式車鉤的破壞強度由原來1200 kN提高到1600 kN甚至達1800 kN。

二、車體強度標準對縱向載荷的要求

車輛車體強度的標準我國與國外一些發達國家對車輛縱向載荷要求有所差異。美國標準（APTA SSA&S-034-9，Rev.2鐵道客車的結構設計標準）中，對有無CEM（碰撞能量管理）系統的車體縱向壓縮強度的要求有很大區別：有CEM系統且帶剪切車鉤的車體壓縮力為2560kN，無CEM系統的車體壓縮力為3560kN;日本標準（JIS E7105鐵道車輛車體靜強度試驗方法）中，對車體縱向壓縮強度的要求最大為980kN;歐洲標準（EN12663軌道車輛車體的結構要求）中，車體縱向壓縮強度依據車輛種類而不同：干線客車的壓縮強度為1500kN或2000kN，城軌車輛一般為800kN;我國標準（TB /T1335鐵道車輛強度設計及試驗鑒定規范）中，對車體縱向壓縮強度的要求為1180kN（轉化成與其他標準相同安全系數則壓縮強度為1700一1900kN）。除此之外，國際鐵路聯盟標準（UIC566客車車體及其構件的載荷）中，對車體縱向壓縮強度的要求為2000kN。對比如表1所列。

表1 國內外車鉤強度及車體強度對比表??? kN

國家

車鉤強度

車體縱向壓縮強度

美國

2950

有CEM帶剪切車鉤

2560

無CEM

3560

日本

1600

干線客車

980

歐洲

1500

干線客車

1500/2000

城軌車輛

800

中國

1800/2000

25G/T客車

1700-1900

各個標準對車體承受縱向載荷的規定是由不同的設計理念決定的，美國和歐洲甚至我國強調發生事故后的消極防護，以確保乘客的生命安全，而日本則更偏向于輕量化車體結構，充分利用車體結構的疲勞強度，用列車控制技術來保證安全性。但是，日本的車鉤強度卻不低，這說明事故的發生概率可以通過控制或謹慎駕駛來降低。但車鉤強度高在一定程度上提高了運行的可靠性，延長了車鉤的使用年限，降低了更換率。

三、典型車輛的車鉤與車體強度

選取CRH系動車組，城軌車輛及25G/T客車為例，簡單介紹其所用車鉤及車體強度，具體參數見表2，從中基本看出二者一之間的聯系。

CHR系動車組一般都采用了自動車鉤、半永久性（半自動）車鉤及過渡車鉤（緊急車鉤）等3種車鉤。自動車鉤置于動車組頭車的前端，用于連接其他的動車組;半永久性（半自動）車鉤置于頭車的后端和所有其他車輛的兩端。過渡車鉤只有在動車組需要緊急救援回送時使用。

由表2所列幾種典型車輛的車鉤配置及車體強度可以看出，除了CRH2動車組車鉤強度遠高于車體強度，CRH5動車組中間車鉤低于車體強度以外，CRH系動車組車鉤強度與車體強度基本相當，城軌車輛的車鉤強度與車體強度也基本在同一水平，25型客車的車鉤強度高于車體強度。

表2? 典型車輛車鉤及車體強度

列車

編組數/輛

重量/t

制動力/kN

車鉤配置及強度 /kN

車體強度/kN

CRH1

8

485

400

自動車鉤，半永久性車鉤

1500壓縮

1000拉伸

1500壓縮

1000拉伸

CRH2

8

408.5

300

自動車鉤，半自動車鉤

3100壓縮

1600拉伸

980壓縮

CRH3

8

475

300

自動車鉤，

半永久性車鉤

1500壓縮

1000拉伸

1500壓縮

1000拉伸

CRH5

6

364

260

自動車鉤，

半永久性車鉤

1500壓縮

1000拉伸

800壓縮

700拉伸

A型地鐵

6

220

410

自動車鉤，半永久性車鉤，半自動車鉤

1200壓縮

1000拉伸

1200壓縮

1000拉伸

B型地鐵

6

201

375

自動車鉤，半永久性車鉤，半自動車鉤

1000壓縮

800拉伸

1000壓縮

800拉伸

25G/T

18

1000

480

15號車鉤

密接式車鉤

2000壓縮

1800壓縮

1180壓縮/980拉伸

四、車鉤與車體強度的匹配

從上述對比中可以看到，美國車輛無論是車鉤還是車體強度要求都比較高，大于2500kN;歐洲車輛的車鉤與車體強度基本在同一水平，約1500kN左右;日本車輛的車鉤強度遠高于車體強度;我國干線客車的車鉤強度也高于車體強度，而城軌車輛則車鉤、車體強度相當。

低速碰撞時，碰撞所產生的能量只依賴于車鉤緩沖裝置來吸收是不夠的，需要考慮多級能量吸收系統來有序地耗散，圖1給出了耐碰撞車體的縱向載荷變形行程曲線。

圖1? 耐碰撞車體縱向載荷----變形行程特征

圖2給出了一種典型列車前端車鉤緩沖器配置方案。包括了EFG橡膠緩沖器、膠泥緩沖器、過載保護裝置、車體兩側防爬器，這些緩沖吸能部件的初始動作力和強度是依次增加的，在列車發生較高速度的沖擊時依次開始發揮緩沖吸能作用。

圖2? 列車前端車鉤緩沖器配置

整個緩沖吸能過程可以分為4個階段：

（1）EFG橡膠緩沖器最先發揮緩沖吸能作用;

（2）作用力上升達到膠泥緩沖器的初始動作力時，膠泥緩沖器開始變形，吸收沖擊能量;

（3）膠泥緩沖器內的作用力隨緩沖器行程增加而上升，當超過過載保護裝置的強度時，過載保護裝置將動作，使車鉤與車體分離;

（4）車體兩側的防爬器以及車體前端吸能區接觸，繼續吸收沖擊能量。

為了實現上述的列車前端車鉤緩沖裝置和車體吸能區的功能，列車前端的車鉤等部件必須合理布置，如圖3所示。

圖3? 列車前端的布置

車鉤前端面與車體吸能區前端面之間的距離必須大于過載保護裝置動作之前車鉤可能發生的壓縮行程（如EFG橡膠緩沖器與壓潰管的行程之和），并留有一定的制造公差。否則，車鉤行程用盡之前會出現兩車前端吸能區接觸，兩者一疊加的強度高于車體強度，可能導致車體損壞。車體上的車鉤安裝座后方也必須留有足夠的空間，保證車鉤過載保護裝置動作后車鉤能充分向后移動，避免在車體吸能區行程用盡之前再次承受縱向力并與車體吸能區疊加形成高強度導致車體損壞。

由此可見，在考慮低速碰撞時，需要設計一個完整的由多個吸能裝置構成的能量耗散系統，實現能量的有序消散。車鉤緩沖裝置的性能作為列車的一項總體性能，列車的其他總體參數，如列車編組型式、編組中各車輛的重量、車體強度、不導致車體損壞的最大沖擊速度、車鉤前端面允許突出車體前端的距離、停放制動列車的摩擦系數等，都影響車鉤緩沖裝置的配置，特別是車體強度，幾乎可以說對列車的允許沖擊速度有決定性的影響，所以，車鉤緩沖裝置強度適當低于車體強度的同時，其配置要求應與列車的總體參數一起考慮。

5、結語

通過對比國內外車鉤緩沖裝置發展、車體強度標準對車體縱向載荷的要求，以及典型車輛車鉤配置和車體強度指標，總結如下兩點：（1）在不考慮碰撞的情況下，車鉤緩沖裝置的強度一般與車體強度相當，或者略高于車體強度。（2）在考慮低速碰撞時，需設置剪切車鉤或過載保護裝置，車鉤緩沖裝置的強度應適當地低于車體強度。