膠泥緩沖器多車組撞擊能量吸收性能研究

王鵬博 沈 鋼

(1.北京城建設(shè)計發(fā)展集團股份有限公司,100037,北京;2.同濟大學(xué)鐵道與城市軌道交通研究院,201804,上海∥第一作者,工程師)

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膠泥緩沖器多車組撞擊能量吸收性能研究

王鵬博1沈 鋼2

(1.北京城建設(shè)計發(fā)展集團股份有限公司,100037,北京;2.同濟大學(xué)鐵道與城市軌道交通研究院,201804,上海∥第一作者,工程師)

為了研究膠泥緩沖器在列車低速撞擊過程中的性能,分別建立集成0.3 m長壓潰管和不集成壓潰管的膠泥緩沖器車鉤模型,并進行落錘試驗仿真,以研究其阻抗力-位移特性。在此基礎(chǔ)上,建立膠泥緩沖器多車組撞擊模型,在不同撞擊速度下仿真列車撞擊過程,通過分析比較車輛間位移、作用力、車輛加速度、撞擊能量吸收曲線,提出對車鉤緩沖器設(shè)計配置的優(yōu)化建議,對列車耐碰撞結(jié)構(gòu)設(shè)計有一定的指導(dǎo)意義。

車輛; 膠泥緩沖器; 壓潰管; 碰撞試驗

First-author′s address Beijing Urban Engineering Design & Research Institute,100037，Beijing，China

緩沖器的作用是緩和列車在運行中由于牽引力的變化或在起動、制動及調(diào)車聯(lián)掛時相互碰撞而引起的縱向沖擊和振動。緩沖器有耗散和衰減車輛之間的沖擊和振動的功能,從而減輕對車體結(jié)構(gòu)的破壞作用,提高列車運行的平穩(wěn)性和舒適度[1]。

根據(jù)緩沖器的結(jié)構(gòu)特征和工作原理,一般可將緩沖器分為彈簧式緩沖器、摩擦式緩沖器、橡膠緩沖器、摩擦橡膠式緩沖器、彈性膠泥緩沖器、液氣緩沖器等幾種類型。本文選取在地鐵列車中廣泛使用的膠泥緩沖器作為研究對象。

彈性膠泥緩沖器是國際鐵路聯(lián)盟(UIC)在80年代初首先使用的一種高技術(shù)含量、高性能指標的緩沖器產(chǎn)品。彈性膠泥緩沖器使用的介質(zhì)是處于粘態(tài)的高分子材料。彈性膠泥緩沖器與普通緩沖器相比具有容量大、阻抗力小、體積小、質(zhì)量輕、檢修周期長等優(yōu)點,在同樣容量下可減輕30%～50%的質(zhì)量,且檢修周期長達10年。隨著城市軌道交通的發(fā)展以及旅客舒適度要求的提高,彈性膠泥緩沖器將得到更加廣泛的應(yīng)用[2-3]。

1 膠泥緩沖器的工作原理、數(shù)學(xué)模型及仿真

膠泥緩沖器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。該緩沖器分為活塞缸和柱塞缸兩個部分,兩缸中都填充了彈性膠泥材料。其中，活塞缸是主作用缸,在初始狀態(tài)下不受壓力。活塞兩邊的活塞桿直徑相同,在運動過程中活塞兩邊容積的改變量相等,避免了活塞缸中的膠泥在活塞桿的運動過程中產(chǎn)生彈性抗力,故其剛度接近于零。當外部對活塞桿施加壓力時,膠泥在活塞環(huán)形間隙和細長小孔中的流動將產(chǎn)生阻尼力。阻尼力大小可通過改變活塞環(huán)隙和細長小孔的尺寸來調(diào)整。柱塞缸為輔助的作用缸。活塞桿后部用來作為柱塞缸的柱塞桿,柱塞缸中膠泥在初始狀態(tài)下將受到一定的預(yù)壓力,該壓力作用在柱塞桿端部,使活塞在外部壓力為零時緊壓在缸蓋上。當有外作用力作用于活塞桿時,如果外作用力小于柱塞缸膠泥的預(yù)壓力時,活塞桿仍保持靜止不動;如果外作用力大于柱塞缸膠泥的預(yù)壓力時,活塞桿將向缸體內(nèi)運動。當外力撤銷后,柱塞缸中膠泥將自行體積膨脹把活塞推回到原位,柱塞缸彌補了活塞桿不能自動回位的缺點[4]。

圖1 膠泥緩沖器結(jié)構(gòu)

該緩沖器可等效成由一變剛度彈性元件和一阻尼力隨速度變化的阻尼元件組成的模型。緩沖器受的合力F為：

F=Fk+Fc

式中：

Fc——阻尼元件的粘滯阻尼力；

Fk——彈性元件的彈性恢復(fù)力。

1.1 粘滯阻尼力

粘滯阻尼力主要是由活塞缸產(chǎn)生的。當活塞桿受到外力沖擊時,活塞向缸體內(nèi)部運動,彈性膠泥在活塞與缸壁形成的縫隙和活塞上的細長小孔內(nèi)流動,流過縫隙與小孔時膠泥產(chǎn)生的能量損失使活塞兩端膠泥形成壓力差Δp,壓力差作用于活塞上形成阻尼力Fc。

Fc=ΔpS1

式中:

S1——活塞面積。

根據(jù)參考文獻[4],活塞桿所受阻尼力為:

式中:

D1——活塞缸內(nèi)徑;

D0——活塞直徑;

d1——活塞桿直徑;

l——環(huán)隙及小孔長度(與活塞厚度相同);

d0——小孔直徑;

m——小孔個數(shù);

n——流動指數(shù);

μ——膠泥運動粘度;

v——活塞桿運動速度;

h——縫隙寬度;

k——為膠泥稠度系數(shù);

r0——小孔半徑。

1.2 彈性恢復(fù)力

膠泥緩沖器的彈性恢復(fù)力主要是由緩沖器柱塞缸產(chǎn)生的。當膠泥緩沖器柱塞進入柱塞缸時,柱塞缸體積減小,使得膠泥被壓縮，從而產(chǎn)生壓強,則膠泥作用在柱塞端面產(chǎn)生的彈性恢復(fù)力為:

Fk=pδS2

式中：

pδ——膠泥被壓縮而產(chǎn)生的壓強;

S2——柱塞端面面積。

緩沖器柱塞所受彈性恢復(fù)力大小為:

式中 ：

L——柱塞缸長度,m;

D2——柱塞缸尺度,m;

d2——柱塞直徑,m;

x——柱塞在缸內(nèi)產(chǎn)生的位移,m;

δ0——初壓力等效壓縮量,Pa。

1.3 壓潰管數(shù)學(xué)模型

壓潰管是一種經(jīng)過特殊處理、屈曲強度穩(wěn)定的鋼管。將特制的可壓潰變形管安裝于車鉤桿上,可通過管子的變形來吸收能量。如安裝在車鉤尾部,則主要承受壓縮力。該緩沖器要求壓潰管材料的強度被精確地控制在一個較小的范圍內(nèi),且壓潰力理論上在全行程保持一恒定值。該緩沖器結(jié)構(gòu)簡單,免維護,能量吸收率為100%。由于存在初始動作力,壓潰管一般配合其他緩沖器(橡膠緩沖器、膠泥緩沖器)使用。列車正常聯(lián)掛時的沖擊能量由其他緩沖器吸收,而較高速度的沖擊能量通過壓潰管變形吸收,從而對車體形成保護。

壓潰管的強度低于車身強度,且高于車輛正常連接時產(chǎn)生的縱向沖擊力。當車輛產(chǎn)生高于正常連接的縱向沖擊力時,壓潰管發(fā)生塑性變形,吸收多余的沖擊能量,把列車縱向沖擊力限制在車身強度以下,從而保護乘客區(qū)車體不產(chǎn)生較大變形。當作用于車輛的縱向沖擊力達到壓潰元件的壓潰觸發(fā)力后,壓潰裝置便會發(fā)生塑性變形,從而吸收大量的能量,大大降低了意外沖擊引發(fā)的損失[5]。

根據(jù)參考文獻[5]，壓潰管落錘動特性曲線如圖2所示。可將壓潰管的阻抗力簡化為在塑性變形范圍內(nèi)的大小恒定的力。

圖2 壓潰裝置的落錘動特性曲線

在上述數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上,分別建立集成了壓潰管的彈性膠泥緩沖器和不集成壓潰管的膠泥緩沖器仿真模型來模擬落錘試驗。試驗結(jié)果如圖3、4所示。

圖3 不同撞擊速度(v)下不集成壓潰管的膠泥緩沖器阻抗力-位移特性曲線

圖4 不同撞擊速度(v)下集成壓潰管的膠泥緩沖器阻抗力-位移特性曲線

由圖3可見，隨著撞擊速度的增大,緩沖器的位移峰值和阻抗力峰值逐漸增大,當撞擊速度為10 km/h時,緩沖器的位移峰值超過0.15 m,阻抗力峰值超過1 200 kN,緩沖器幾乎被壓潰。

在集成有長度為0.3 m的壓潰管的膠泥緩沖器的沖擊試驗中,當撞擊速度為10 km/h時,阻抗力達到1 000 kN,高于壓潰管的強度,壓潰管開始通過變形吸收能量；隨著撞擊速度的增大,當撞擊速度大于18 km/h時,壓潰管被完全壓潰,之后膠泥緩沖器繼續(xù)工作,直到撞擊過程結(jié)束。當位移超過緩沖器行程時,緩沖器將在過載保護裝置的作用下剪切破壞,之后防爬器繼續(xù)作用吸收能量。

通過圖3、圖4的比較可以看出,在緩沖器中集成壓潰管能較好解決膠泥緩沖器在撞擊速度較大時,阻抗力過大的問題,使阻抗力平穩(wěn),進而吸收更多的撞擊能量。

2 緩沖器多車組動力學(xué)仿真分析

緩沖器在列車撞擊中的工作條件與試驗區(qū)別很大。在調(diào)車作業(yè)或其他突發(fā)撞擊情況下,發(fā)生列車成組沖擊時,車輛還會受到其他外力的作用,形成一個復(fù)雜的受力系統(tǒng)。不同情況下的緩沖器動力學(xué)特性區(qū)別很大,僅從單個緩沖器的研究難以分析整個列車系統(tǒng)的撞擊動力學(xué)性能。因此，必須建立多節(jié)編組列車進行仿真分析。

2.1 列車縱向動力學(xué)模型

列車縱向動力學(xué)主要用來分析不同的列車編組、不同車輛配置、不同運行工況及不同的線路條件

下組成列車的車輛間的縱向動力作用。列車縱向動力學(xué)模型如圖5所示[6]。

圖5 列車縱向動力學(xué)模型

一般情況下,取一節(jié)車為一個分離體,則整列車的自由度等于組成列車的機車車輛總輛數(shù)。其縱向動力學(xué)微分方程為:

mixi″=Fci1-Fci-Fwi+FTEi-FDBi-FBi

式中：

xi″ ——第i車的加速度;

Fwi——運行阻力;

mi——第i車的質(zhì)量;

FTEi——第i車的牽引力,僅作用于機車;

Fci1——第i車的前車鉤力;

FDBi——第i車的動力制動力,僅作用于機車;

Fci——第i車的后車鉤力;

FBi——第i車的空氣制動力,僅作用于機車車輛。

2.2 模型仿真及結(jié)果分析

在列車縱向動力學(xué)模型的基礎(chǔ)上,結(jié)合膠泥緩沖器的數(shù)學(xué)模型,建立兩列4節(jié)編組列車撞擊模型,如圖6所示。試驗條件為:前車自由靜止在軌道上,后車以一定的速度撞擊前車;車體變形強度2 000 kN;車鉤過載保護裝置強度為1 250 kN;防爬器變形強度為1 400 kN。

圖6 緩沖器4節(jié)編組列車撞擊模型

仿真工況及對應(yīng)結(jié)果如下:

(1) 工況1：撞擊速度v=12 km/h,使用不含有壓潰管的膠泥緩沖器。仿真結(jié)果如圖7所示。在撞擊速度v=12 km/h的情況下,中間車輛的緩沖器的行程已經(jīng)超過0.15 m,車間作用力接近1 200 kN,膠泥緩沖器被壓潰,失去吸收撞擊能量的作用。

圖7 工況1下多車組撞擊仿真動態(tài)曲線

(2) 工況2：撞擊速度v=14 km/h，含有壓潰管的膠泥緩沖器。仿真結(jié)果如圖8所示。在撞擊速度v=14 km/h的情況下,在車鉤緩沖器中加入壓潰管,能避免緩沖器阻抗力超過剪切螺栓的強度,能較平穩(wěn)地吸收撞擊能量。

圖8 工況2下多車組撞擊仿真動態(tài)曲線

(3) 工況3：撞擊速度v=18 km/h，含有壓潰管的膠泥緩沖器。仿真結(jié)果如圖9所示。在撞擊速度v=18 km/h的情況下,壓潰管在碰撞中被完全壓潰,吸收了大部分撞擊產(chǎn)生的能量,之后膠泥緩沖器繼續(xù)作用到位移最大值,車鉤在過載保護裝置作用下?lián)p壞。

圖9 工況3下多車組撞擊仿真動態(tài)曲線

(4) 工況4：撞擊速度v=18 km/h,使用含有壓潰管的膠泥緩沖器及EFG3橡膠緩沖器。仿真結(jié)果如圖10所示。由于膠泥緩沖器具有較高的初始作用力,且在車鉤座內(nèi)安裝EFG3橡膠緩沖器,故較小的沖擊能量由EFG3吸收,較大沖擊能量可由膠泥緩沖器和EFG3聯(lián)合吸收。在此情況下,撞擊開始后阻抗力迅速增大,壓潰管在碰撞中被完全壓潰,并吸收大部分撞擊產(chǎn)生的能量,車鉤沒有被損壞。

圖10 工況4下多車組撞擊仿真動態(tài)曲線

3 結(jié)語

在低速撞擊(小于10 km/h)的情況下,膠泥緩沖器能緩和沖擊,較好地保護車輛。當撞擊速度超過12 km/h時,膠泥緩沖器的阻抗力超過緩沖器內(nèi)過載保護裝置的強度,從而造成車鉤損壞。撞擊直接作用于車體上,可能導(dǎo)致車體的損壞和人員傷亡。集成有壓潰管的緩沖器,在沖擊速度小于24 km/h的情況下,都能保證良好的緩沖吸能特性,能夠大量吸收撞擊能量,減小車鉤乃至車身的損壞,保護乘客的人身安全。列車撞擊過程中,中間撞擊的車輛損壞最嚴重,車間作用力最大,撞擊吸收能量最多。距離撞擊面越遠的車輛,車輛間作用力越小,遠小于撞擊面車間作用力。因此,提高列車端部車輛結(jié)構(gòu)的耐撞擊能力,能有效地提高列車的被動安全性。

[1] 趙洪倫.軌道車輛結(jié)構(gòu)與設(shè)計[M].北京:中國鐵道出版社,2009.

[2] 杜利清.城市軌道車用彈性膠泥緩沖器及其應(yīng)用[J].鐵道機車車輛工人,2005(2):9.

[3] 張友南,黃友劍,陳忠海.彈性膠泥車鉤緩沖器的研究和應(yīng)用進展[J].特種橡膠制品,2001(4):57.

[4] 劉韋.動車組膠泥緩沖器特性研究[D].成都：西南交通大學(xué),2011.

[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(2):19.

[6] 嚴雋耄,翟婉明,陳清,等.重載列車系統(tǒng)動力學(xué)[M].北京:中國鐵道出版社,2003.

Energy Absorption Performance of the Multi-unit Vehicle Impact on Clay Buffer

WANG Pengbo,SHEN Gang

In order to study the performance of the clay buffer in train low-speed impact process, an integrated 0.3 m crushing tube model and the clay buffer coupler non-integrated model are separately established, the drop hammer experiment is simulated to study the resistance force-displacement characteristics. On this basis, a multi-unit train collision model with clay buffer is set up and simulated under different impact velocities. By means of analysis and comparison between the vehicle displacement, acting force, vehicle acceleration, impact energy absorption curve and so on, an optimum method of clay buffer design is proposed, which has significance for the collision-resistant train structure design.

vehicle; clay buffer; crushing tube; collision test

U 270.34

10.16037/j.1007-869x.2016.06.016

2014-07-18)