密接式車鉤沖擊連掛過程仿真研究?

陳春棉 劉國偉

（1.湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 株洲 412001）（2.中南大學(xué)軌道交通安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 長沙 410075）

1 引言

目前，全世界尤其是我國的軌道交通進(jìn)入新的大發(fā)展時期，隨著相關(guān)科技的不斷進(jìn)步，軌道交通車輛的性能不斷完善，使得列車運(yùn)行速度不斷提高，一旦發(fā)生列車碰撞和追尾事故將造成更加嚴(yán)重的后果。面對接連發(fā)生的列車碰撞和追尾事故，悲痛之外人們更多關(guān)注地是如何避免此類事故的再次發(fā)生或者盡量減少傷亡，因此如何保證軌道交通的安全性也逐漸成為整個社會輿論關(guān)注的焦點(diǎn)。

密接式車鉤緩沖裝置是列車連掛、運(yùn)行以及制動過程中車輛間縱向瞬態(tài)沖擊的主要受力部件［1］。密接式車鉤緩沖裝置以其結(jié)合面間隙小、舒適性和安全性高已成為25T 型特快列車、高速動車組［2］以及地鐵車輛［3］平穩(wěn)安全運(yùn)行的關(guān)鍵部位之一［4］。列車安全技術(shù)中非常重要的一點(diǎn)就是如何實(shí)現(xiàn)列車的被動安全保護(hù)，即由于事發(fā)突然等原因?qū)е聼o法通過人為作用避免事故發(fā)生，比如緊急制動或及時通知路況等。要實(shí)現(xiàn)列車在一定的撞擊速度下的被動安全保護(hù)，即保證車體外安裝的各部分吸能裝置，包括車鉤緩沖器、壓潰管、防爬器和主體吸能裝置以及車體結(jié)構(gòu)次要部位在高速的撞擊速度下，能按照人的意志實(shí)現(xiàn)逐級、有序、可控的塑形變形，其前提是保證將要發(fā)生碰撞或追尾的列車的相鄰車鉤能順利且穩(wěn)定連掛［5～9］。

2 密接式車鉤的工作原理分析

全自動密接式車鉤緩沖裝置連接系統(tǒng)包括機(jī)械連接、電氣連接以及氣路連接三個部分［9～10］。本文主要研究最重要的機(jī)械連接部分，其連掛原理如下。

圖1 密接式車鉤組成示意圖

如圖1 所示，機(jī)械連接部分由鉤體、中心軸、鉤舌、鉤鎖連接桿、鉤鎖彈簧、鉤舌定位桿及彈簧、定位桿頂塊及彈簧、解鉤風(fēng)缸等組成。鉤體的前端一邊為凸錐體，另一邊為凹錐孔，呈對稱分布，連掛時相鄰車鉤的凸錐體分別插入對應(yīng)的凹錐孔中，起到連接導(dǎo)向作用；中心軸通過定位銷垂直固定在鉤體中央，其上固定有鉤舌，鉤舌呈不規(guī)則曲線形狀；鉤嘴的位置靠近凹錐孔，鉤舌尾部通過銷孔與鉤鎖連接桿連接，鉤舌繞中心軸轉(zhuǎn)動可帶動鉤鎖連接桿動作；鉤舌定位桿通過銷孔與鉤舌連接，起到連接時定位和供解鉤風(fēng)缸活塞桿作用，是車鉤實(shí)現(xiàn)連掛動作的關(guān)鍵零件，鉤舌定位桿上設(shè)有兩個定位凸緣，使鉤舌定位在待掛或連掛狀態(tài)；鉤鎖彈簧一端固定在鉤體上，一端與鉤鎖連接桿尾部相連，初始狀態(tài)處于拉伸狀態(tài)；連掛時，鉤鎖連接桿在鉤鎖彈簧拉力作用下使車鉤連接可靠；定位桿頂塊受到推力后，頂動鉤舌定位桿啟動兩車鉤的連掛［10～12］。

3 仿真模型的建立

按照某密接式車鉤的實(shí)際尺寸，運(yùn)用ADAMS軟件建立密接式車鉤沖擊連掛的三維模型，其主要包括運(yùn)動臺車、軌道、車鉤緩沖裝置模型和地面工裝。圖2 為密接式車鉤沖擊連掛的三維模型，左邊的為運(yùn)動臺車及車鉤，右邊是地面工裝及靜止車鉤。

在仿真分析時，設(shè)定運(yùn)動車鉤以15km/h 的速度沖擊固定車鉤，運(yùn)動臺車及地面工裝的質(zhì)量均為3000kg，密接式車鉤質(zhì)量為360kg。

圖2 車鉤沖擊連掛三維模型

4 密接式車鉤沖擊連掛過程仿真研究

運(yùn)動車鉤以15km/h 的速度沖擊靜止車鉤，兩車鉤成功連掛，并最后以相同的速度一起運(yùn)行，仿真結(jié)果如表1 所示。下面對其連掛過程及主要連掛特性進(jìn)行分析。

表1 時速15km/h沖擊連掛仿真結(jié)果

4.1 連掛過程圖分析

如圖3 所示為車鉤沖擊連掛的過程圖，圖中左方的是靜止的車鉤，右方的是運(yùn)動車鉤，運(yùn)動車鉤以15km/h 的速度沖擊靜止車鉤。由圖可見，兩車鉤開始連掛到連掛成功的過程中運(yùn)動車輛就推著靜止車輛移動了，而在這短暫的移動過程中，鉤鎖連接機(jī)構(gòu)完成連掛鎖閉的動作，之后兩車一起運(yùn)行且兩車鉤沒有發(fā)生脫鉤的現(xiàn)象。可見在15km/h 的沖擊速度下，運(yùn)動車輛沖擊靜止車輛能夠順利連掛成功。

圖3 車鉤連掛過程圖

4.2 連掛時間分析

連掛時間指的是相鄰車鉤的鉤鎖連接機(jī)構(gòu)從車鉤待掛狀態(tài)到兩車鉤的鉤舌和鉤鎖連接桿形成一個平行四邊形連桿機(jī)構(gòu)，完成兩車鉤穩(wěn)定的連接鎖閉所用的時間。由于無法直觀判斷其準(zhǔn)確的連掛時間，所以需通過間接的方式來分析。如圖4 所示，鉤鎖連接桿與鉤舌的連接孔的圓心點(diǎn)A 與中心軸軸心O 以及鉤鎖彈簧與鉤頭的連接點(diǎn)B 所形成的夾角AOB的大小在連掛前和連掛后是不同的，而且整個連掛過程中O 點(diǎn)和B 點(diǎn)不會移動，只有A 點(diǎn)隨著鉤鎖連接桿伸入相鄰鉤舌的鉤舌嘴內(nèi)而移動從而造成夾角AOB角度的變化，故可通過分析其夾角變化所經(jīng)歷的時間來判斷連掛時間的長短。

圖4 連掛前后夾角變化

圖5 夾角-時間變化曲線

圖5 所示為角AOB 隨時間的變化曲線圖，由圖可知連掛前的夾角大小為85.4°，連掛后夾角大小為32.4°；觀察曲線圖可以發(fā)現(xiàn)從夾角開始變化到達(dá)到鎖閉位夾角的時間很短，只有43ms，而之后夾角有一段小小的波動，最后才完全穩(wěn)定下來，而這整個過程所經(jīng)歷的時間即為連掛的時間，由圖可知連掛時間為49ms。

5 結(jié)語

在15km/h 的沖擊速度下，運(yùn)動車輛沖擊靜止車輛能夠順利連掛成功，且連掛時間為49ms。對密接式車鉤的沖擊連掛過程進(jìn)行仿真分析，能夠得到連掛過程的仿真結(jié)果及連掛時間，對密接式車鉤的性能研究具有借鑒作用。