撞擊擋車器工況的地鐵車鉤選型實例分析

闞 松，勾洪浩

(1.中車南京浦鎮車輛有限公司 設計開發部，江蘇 南京 210031；2.中車青島四方車輛研究所有限公司 鉤緩事業本部，山東 青島 266031)

0 引言

車鉤系統是用以連掛車輛與車輛之間，使車輛之間保持一定距離，并傳遞牽引力、制動力等縱向載荷的裝置。車鉤系統可以有效提高列車運行過程中的平穩性和舒適性，在列車以較高速度碰撞時可以保護乘客和車輛安全[1]。

擋車器系統是安裝于鐵路線路終端、防止車輛越過線路終端的安全防護設備。它通過緩沖器、摩擦塊等部件，將車輛的動能轉化為壓力能和熱能儲存和消耗掉，使得溜逸車輛停止。

隨著國內各大城市地鐵的陸續開通，由于車輛故障或操作失誤導致的車輛撞擊擋車器的事故時有發生，甚至導致車體結構嚴重受損。因此，地鐵列車及線路終端的被動防護吸能功能日益得到重視[2]。

1 車鉤系統主體結構

地鐵車輛的車鉤系統一般分為全自動車鉤(通常用于列車頭部)、半自動車鉤(通常用于列車頭部或半車單元之間)和半永久車鉤(通常用于中間車輛之間，特別是半車單元內部)。全自動車鉤可完成電氣、機械、氣路的自動連掛和解鉤，并可進行人工解鉤；半自動車鉤可以實現機械和氣路的自動連掛，但電氣的連掛和解鉤需要通過人工操作來完成；半永久車鉤的機械、氣路、電氣的連掛和解鉤都需要人工操作來完成。

車鉤系統中用于緩沖的裝置通常有氣液緩沖器、彈性膠泥緩沖器、EFG緩沖器等，不可恢復的能量吸收裝置一般采用壓潰管裝置。

2 擋車器系統主體結構

液壓緩沖滑動式擋車器是帶有液壓緩沖器并可以整體滑動，利用摩擦吸能的一種擋車器，將失控列車的大部分動能轉化為壓力能及熱能，從而使列車快速、安全地停車。擋車器系統主要由緩沖頭、液壓緩沖器、主體支架、制動摩擦裝置等部分組成[3]。

3 車輛、車鉤及擋車器參數分析

地鐵列車之間碰撞吸能的實例有諸多文獻介紹，但對于列車撞擊擋車器的吸能工況的分析實例較少，現列出車輛、車鉤及擋車器相關參數，便于后續計算工作的開展。圖1為地鐵列車撞擊擋車器工況示意圖。

圖1 地鐵列車撞擊擋車器工況示意圖

某地鐵車輛為6輛編組的B2型車輛，編組方式為：=Tc-Mp-M+M-Mp-Tc=。其中:“=”為全自動車鉤；“-”為半永久車鉤；“+”為半自動車鉤；“Tc”為帶司機室的拖車，車重33 t；“Mp”為帶受電弓的動車，車重35 t；“M”為不帶受電弓的動車，車重35 t。

為兼顧列車間低速連掛和高速碰撞的性能需要，車鉤的緩沖系統選用目前城軌車輛中應用比較廣泛的彈性膠泥緩沖器。

《GB 50157地鐵設計規范》中規定了擋車器應能承受列車以15 km/h和25 km/h速度撞擊的沖擊荷載[4]，由于速度要求較高，因此，選用了表1所示的兩種擋車器，吸能容量較大。

4 撞擊擋車器工況的仿真計算

按照列車縱向動力學理論，計算整個撞擊過程的車鉤力、時間、位移參數，研究兩種工況下車鉤系統的受力情況和能量吸收情況[5]。列車斷面編號如圖2所示。

4.1 列車以15 km/h速度撞擊滑動摩擦式擋車器

該碰撞速度情況下，可優先采用滑動摩擦式擋車器，擋車器自重360 kg，滑動摩擦力300 kN，初始力330 kN。對沖擊過程進行仿真計算，車輛各斷面車鉤力的時間歷程如圖3所示，緩沖裝置吸能情況如表2所示，緩沖裝置擋車器的位移-時間曲線如圖4所示。

表1 擋車器性能參數

圖2 列車斷面編號示意圖

圖3 速度為15 km/h時車輛各斷面車鉤力的時間歷程

斷面編號123456最大車鉤力(kN)164278310314321515緩沖器行程(mm)10.520.825.025.626.645.2壓潰管位移(mm)000000吸收能量(kJ)0.72.43.23.53.810.0

圖4 速度為15 km/h時擋車器位移-時間曲線

由圖3可見：在15 km/h速度下的碰撞開始后第4 s左右，車輛和擋車器共同組成的系統達到了穩定狀態，碰撞結束；最大車鉤力出現在第6斷面，即車輛與擋車器直接接觸的斷面，該斷面的最大壓縮力值為515 kN，低于車體所能承受的最大壓縮載荷900 kN，也未達到壓潰管的觸發力值850 kN，因此，車輛未損壞，壓潰管未觸發，車鉤未損壞。

第6斷面的受力情況也反映了擋車器端部的受力情況，即擋車器所受最大壓縮力為515 kN。由圖4可見，擋車器滑移距離為5.9 m，考慮碰撞過程中影響因素的復雜性，建議預留滑移距離大于9 m。

4.2 列車以25 km/h速度撞擊液壓緩沖滑動摩擦式擋車器

在碰撞速度較高的情況下，可采用液壓緩沖滑動摩擦式擋車器，擋車器自重1 000 kg，緩沖器阻抗力300 kN，緩沖器有效行程850 mm，滑動摩擦力300 kN，初始力330 kN。對沖擊過程進行仿真計算，車輛各斷面車鉤力的時間歷程如圖5所示，緩沖裝置吸能情況如表3所示，擋車器的位移-時間曲線如圖6所示。

圖5 速度為25 km/h時車輛各斷面車鉤力的時間歷程

斷面編號123456最大車鉤力(kN)167306439467482850緩沖器行程(mm)10.724.542.548.351.455壓潰管位移(mm)0000046.5吸收能量(kJ)1.13.48.610.411.9313.3

圖6 速度為25 km/h時擋車器位移-時間曲線

由圖5可見：在25 km/h速度下的碰撞開始后第6 s左右，車輛和擋車器共同組成的系統達到了穩定狀態，碰撞結束；最大車鉤力仍然出現在第6斷面，該斷面的最大壓縮力值為850 kN，低于車體所能承受的最大壓縮載荷，但是已經達到壓潰管的觸發力值，壓潰管被觸發，但是由于壓潰管的穩態力參與吸能，壓縮力值不再進一步上升，壓潰管行程為46.5 mm。此次碰撞導致了壓潰管的觸發，因此需更換壓潰管。

第6斷面的最大壓縮力值為850 kN，即擋車器所受最大壓縮力為850 kN。由圖6可見，擋車器滑移距離為10.3 m，考慮到高速碰撞過程中影響因素的復雜性，建議預留滑移距離大于16 m。

5 結束語

車鉤系統的緩沖吸能性能是列車的一項重要指標，上述所列的地鐵列車車鉤選型實例，在滿足列車之間高低速碰撞及舒適性指標的同時，兼顧了與擋車器碰撞的工況要求。

列車以15 km/h速度撞擊擋車器工況下，可采用滑動摩擦式擋車器，車鉤系統的緩沖器及擋車器可以吸收全部能量，并且不會導致車鉤、車體和擋車器的損壞，擋車器滑移距離為5.9 m，建議預留滑移距離大于9 m。

列車以25 km/h速度撞擊擋車器工況下，可采用液壓緩沖滑動摩擦式擋車器，車鉤系統的緩沖器及擋車器無法吸收全部能量，會導致壓潰管觸發，需要更換壓潰管，車體和擋車器未損壞，擋車器滑移距離為10.3 m，建議預留滑移距離大于16 m。

鑒于列車撞擊擋車器工況的復雜性，可能存在部分考慮不周全的因素，后續將對其進行進一步探討和研究。