懸掛式單軌列車擋車器結構設計

胡連軍，李忠繼，林紅松，楊吉忠

(中鐵二院工程集團有限責任公司，成都 610031)

擋車器作為軌道交通中的安全防護設備[1]，避免列車意外失控時沖出線路，防止人員傷害及車輛和其他設施損壞。作為一種新興制式的軌道交通，許多技術仍處于研究階段[2]，國內外尚無關于懸掛式單軌列車擋車器的相關文獻。目前，有關懸掛式單軌交通系統的相關規范標準正在制定，而《地鐵設計規范》與《城市軌道交通技術規范》僅明確了車擋的速度要求[3]，但是在工程設計中，仍需考慮其他多種因素及技術參數。

隨著城市軌道交通的發展，懸掛式單軌交通系統的興起，對擋車器的設置及結構設計提出了許多新的需求。與傳統軌道交通制式不同，懸掛式單軌交通的走行部位于列車上方，列車懸掛于軌道梁下方運行[4]。由于采用懸掛式構造，全線采用高架形式，因此對軌道梁終端的安全防護要求更高。同時，基于列車運行速度.軸重.編組等因素，還需考慮擋車器的主要設計參數及線路預留長度[5]。

1 擋車器的設計原則

1.1 足夠的制動能力

擋車器應該具有足夠的制動能力，保證被列車車鉤撞擊之后安全平穩停止[6]。最大制動能力應大于車輛撞擊動能E=mv2/2。考慮失控車輛的速度不確定性.車重的增加及自然氣候等不利因素，兼顧擋車器螺栓的強度.撞擊強度及擋車器結構強度等許可條件，考慮一定的安全系數1.3，條件惡劣的情況下，甚至取2.0。

1.2 合理的緩沖吸振

合理的緩沖吸振裝置，能夠吸收車輛的動能，把對車輛的反作用力限定在一定范圍內。對于撞擊速度高.撞擊動能大的線路，常采用摩擦式或者液壓式擋車器，通過摩擦力或者黏質液體來吸收撞擊能量[7]。固定式擋車器緩沖吸振能力非常有限，一般用于庫內線等列車速度非常低的場合[8]。近年來還出現有彈性膠泥緩沖器.液氣擋車器等[9]。

1.3 安裝方便.易于維護

不同于傳統軌道交通，懸掛式單軌交通系統在軌道梁內行駛，安裝.維護.作業空間受到極大限制。因此，懸掛式單軌交通的擋車器應便于安裝.易于更換.安全可靠，維護工作量少等。

1.4 美觀性好

懸掛式單軌交通通常采用高架形式敷設，很容易進入人們的視線范圍。因此在設計時需注重美觀性，融入道路景觀.城市綜合設計等，可進行“植物擋車器”[10]的創新性研究，減小擋車器對城市的消極影響。

2 懸掛式單軌擋車器主要設計參數

與大多數軌道交通制式類似，擋車器的設計既要保證車輛運行故障后的安全，又要考慮經濟性，主要技術參數如下。

(1)撞擊荷載：根據線路使用功能(如站前折返線.站后折返線.停車線)可分為重載和空載。

(2)撞擊速度：車輛失控時撞擊擋車器的速度?！冻鞘熊壍澜煌夹g規范》規定：設在正線.折返線和車輛試車線的車擋應能承受列車以15 km/h速度撞擊時的沖擊荷載。日本規范《單軌構造設計指南》[11]：列車有自動停止裝置，且車輛的調換.入庫等原因速度非常低，僅為3～4 km/h。考慮我國國情及懸掛式單軌車輛構造，正線.折返線及試車線建議采用15 km/h為額定撞擊速度，車輛段庫內線采用5 km/h為額定撞擊速度。

(3)制動減速度：目前我國設計規范對擋車器制動減速度沒有規定。結合國內外運營經驗，為保護乘客安全，擋車器的制動減速度一般不得大于1.5 m/s2；為保護列車設施，制動減速度值一般應小于3～4 m/s2。

(4)線路預留安裝長度：由于使用工況和擋車器產品的多樣性，規范或技術標準并沒有規定線路預留安裝長度，但是在設計過程中，需考慮擋車器長度.運行工況等。

①固定式擋車器，線路預留長度為擋車器實際長度。

②對于滑移式擋車器.滑移液壓緩沖式擋車器，線路預留最小安裝長度=設備占用線路長度+最短滑移距離+安全距離。其中，最短滑移距離Smin=v2/2a，a為車輛的減加速度。

(5)車體撞擊點：為有效保護車輛，將車鉤作為車輛與擋車器的撞擊點[12]，設計時需考慮撞擊點的高度。

3 主要結構形式

由于懸掛式單軌交通形式在我國處于起步階段，市場上的產品相對較少，因此，可以創新設計的地方較多。從滿足阻擋列車脫線.保證安全的功能角度出發，與傳統軌道擋車器類似，懸掛式單軌擋車器主要由支撐單元(框架結構)和制動單元組成，按照支撐單元的可動與否，常分為固定式與滑移式兩種。區別于傳統軌道擋車器，懸掛式單軌擋車器在實現形式可以多種多樣。

3.1 固定式擋車器

固定式擋車器(圖1)最顯著的特點在于支撐單元直接固定在軌道梁上，為便于安裝拆卸，通常采用螺栓連接[13]。

圖1 固定式擋車器示意

擋車器的制動單元主要用于阻擋車輛的前進，由緩沖頭和緩沖部件組成，可以有多種形式。緩沖頭一般為橡膠平板，為保證穩定性，常在其下方或者旁邊加裝導向連桿?？紤]懸掛式單軌列車具有擺動效果，特別在橫風作用下，為保證車鉤與緩沖頭位置對齊，采用引導式開口緩沖頭(圖2)[14]。

圖2 引導式緩沖頭

對于緩沖部件，常用的有液壓緩沖器.彈簧減振器和橡膠緩沖器等，具有存儲.耗散機械能量的功能，同時能夠恢復到原有工作狀態。近年來，彈性膠泥緩沖器(圖3)受到熱捧，其具有容量大.阻抗力小.結構簡單.性能穩定等優點(圖4)[15]。該種擋車器的緩沖吸振能力較好，可用于正線及配線等，但其滑動距離較短，參考地鐵制式，常用于車輛段庫內線。

圖3 彈性膠泥緩沖器原理

圖4 彈性膠泥緩沖器力-位移曲線

3.2 滑移式擋車器

借鑒傳統地鐵滑移式擋車器，懸掛式單軌列車擋車器在機架上方安裝制動摩擦單元，特點在于通過在軌道梁腹板上用螺栓連接角鋼，倒置安裝摩擦軌，利用阻尼器與摩擦軌之間的摩擦阻力來消耗失控車輛的動能[16]。為進一步降低擋車器對車輛的影響，可以考慮在主體架下方安裝液壓緩沖結構[17](圖5)?；剖綋踯嚻饕云潆p重減振的優勢，可用于正線及配線.試車線.牽出線的終端。

圖5 滑移式液壓緩沖式擋車器示意

3.3 新型擋車器

(1)雙緩沖器懸掛式擋車器

如圖6所示，雙緩沖器懸掛式擋車器[18]通過兩個緩沖器對列車起到緩沖和吸引沖擊能量的作用。第一緩沖器采用雙桿緩沖器，既增強了制動能力，同時也可起到自動導向的作用，不用單獨設置導向連桿，結構更為緊湊。第一緩沖器固定安裝在主體架內，主體架上方直接搭在軌道梁走行面上，既起到支撐作用，同時與軌道梁走行面形成摩擦，具有緩沖吸振效果。第二緩沖器連接主體架上方，可選用與第一緩沖器同樣類型的緩沖器，也可采用其他類型。

圖6 雙緩沖器懸掛式擋車器

該擋車器的特點在于制動能力強，三重緩沖吸振作用效果下，為減小擋車器占用線路長度，兩個緩沖器可采用固定連接的方式。為便于拆卸，通常采用螺栓連接的方式，可設在正線.折返線和試車線等。

(2)永磁式懸掛式擋車器

永磁式懸掛式擋車器[19]，通過內部安裝的永磁式緩沖器中同極相斥的永磁鐵，利用磁場來抵抗列車的撞擊力，如圖7所示。其中，永磁式緩沖器包括：筒狀的絕磁殼體，在殼體內部安裝有若干塊同極相對的圓環永磁體，內部設置有彈簧連接，外部直線移動柱與緩沖頭連接。內部設置的彈簧能夠起到附加緩沖吸振的作用，同時在緩沖器復位過程中也能起到防止過快恢復到原有位置產生破壞的作用。絕磁殼體與緩沖頭連接一端還需要固接(比如螺紋連接)一塊擋塊，防止緩沖器在復位過程永磁體彈出殼體。

圖7 永磁式懸掛式擋車器

該結構的優點在于利用彈簧與磁場雙重減振吸能，減振效果明顯，同時具有快速復位的功能，可用于正線.折返線和試車線等。

(3)阻攔索式擋車器

參照航母阻攔索，將艦載機高速攔停，阻攔索式擋車器[20]應用于懸掛式單軌系統，如圖8所示。在軌道梁末端對稱布置阻尼器，安裝方向與軌道梁縱向呈一定角度。其中，活動支架起到張緊阻攔索的作用，保證列車車鉤與阻攔索對齊，車鉤順利鉤住阻攔索。通過阻尼器的緩沖吸振，有效吸收列車動能，阻止列車繼續前行，保護列車，可用于車輛段庫內線。其中，阻尼器可以選擇多種類型的阻尼器，優選液壓阻尼器。

圖8 阻攔索式擋車器

3.4 擋車器選型

目前城市軌道交通擋車器選型對于使用工況指標沒有統一標準。表1總結了懸掛式單軌列車擋車器的相關技術參數及使用工況，力求為擋車器合理選型提供依據。

表1 擋車器選型對比

4 結論

結合傳統軌道交通擋車器，通過對懸掛式單軌列車擋車器結構設計進行詳細的分析，得出以下結論。

(1)研究和總結了擋車器設計應遵從足夠的制動能力.合理的緩沖吸振.易于安裝維護.美觀性好等原則，確保失控車輛在擋車器的作用下安全完好地停下來。

(2)梳理了懸掛式單軌列車擋車器的主要技術參數包括撞擊荷載.撞擊速度.制動減速度.線路預留安裝長度.車體撞擊點等。

(3)與傳統軌道交通擋車器類似，根據功能需求，懸掛式單軌擋車器主要分為固定式與滑移式兩種，研究提出多種適用于懸掛式單軌列車的擋車器結構。

(4)總結了懸掛式單軌列車擋車器的相關技術參數及使用工況，為擋車器的合理選型提供了一定的支撐。

(5)傳統軌道交通僅提出了擋車器的速度要求，針對擋車器的結構設計仍有待開展，為相關標準和規范的制定提供理論和數據支持。