淺析雙向氣液緩沖器對軌道車輛碰撞及救援的影響

張會 何華

摘要：隨著軌道交通的快速發展，以及人們對乘坐舒適性的更高要求，有很多業主開始選用帶有雙向氣液緩沖器的車鉤，雙向氣液緩沖器具有壓縮和拉伸兩個方向緩沖吸能的作用，可有效緩解車輛在連掛及緊急救援施加制動時產生的沖擊力，進而保護乘客安全。文章就雙向氣液緩沖器對車輛碰撞及救援的影響進行分析，為緩沖吸能元件的選擇提供了參考。

關鍵詞：雙向氣液緩沖器;車鉤;碰撞;救援

中圖分類號：U463.33+5.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）06-0109-03

1? 傳統氣液緩沖器與雙向氣液緩沖器的功能原理及特性曲線

1.1 傳統氣液緩沖器的功能原理及特性曲線

傳統氣液緩沖器結構如圖1，功能原理簡單介紹如下：當壓縮力超過氣液緩沖器觸發力值時，柱塞被壓入缸體，第一液壓油腔中的液壓油經過節流孔進入第二液壓油腔，壓縮能量轉化為液壓油高速流動產生的熱能。液壓油推動活塞進一步壓縮氣腔中的氣體，壓縮過程結束后活塞在壓縮氣體的反作用力下回到初始位置，推動液壓油從第二液壓油腔經節流孔流回第一液壓油腔，緩沖器恢復到初始位置。

1.2 雙向氣液緩沖器的功能原理及特性曲線

雙向氣液緩沖器的功能原理如圖2。（表1）

當緩沖器受到壓縮時，b無桿腔液壓油受到擠壓，一路液壓油通過5節流孔流向a無桿腔，當緩沖器持續受到壓縮時，無桿腔液壓油壓力增大，當增大到一定壓力后，無桿腔液壓油一路從4單向閥和5節流孔流向a有桿腔，另一路液壓油經過3可調節流孔、4增壓閥（壓力達到開啟壓力，即通常所說的初始觸發力）到達c儲油腔，c儲油腔的液壓油壓縮d氣腔的氮氣，d氣腔預先充有一定壓力的氮氣，最終通過能量的轉化（動能轉化為熱能）起到緩沖吸能的作用。

當緩沖器受到壓縮后，在不受外部拉力的情況下，d氣腔中的氮氣使得c儲油腔的液壓油通過1單向閥流回b無桿腔，進而推動油缸活塞向左移動，a有桿腔里的液壓油經過5節流孔流回b無桿腔，緩沖器恢復到初始位置。

當緩沖器受到壓縮后，突然受到外部拉力的情況下，即通常所說的高加速轉緊急制動情況下，由于外部拉力的作用，使得油缸活塞獲得快速向左移動的趨勢，a有桿腔里的液壓油受到擠壓，通過5節流孔流回b無桿腔，由于節流孔的節流作用，使得油缸活塞移動減慢，通過能量的轉化（動能轉化為熱能），起到緩沖吸能的效果。

傳統氣液緩沖器特性曲線如圖3（a）。

雙向氣液緩沖器特性曲線如圖3（b）。

與傳統氣液緩沖器特性曲線對比可知，雙向氣液緩沖器先受到壓縮再受到拉力時，會產生緩沖作用。

2? 碰撞仿真

以上海軌道交通某號線為例，A型車，6輛編組，編組形式：- TC * MP * M = M * MP * TC-車體剛度：頭車5.747e7Nm，中間車6.667e7Nm。（表2）

碰撞要求如下：

①車鉤及緩沖器系統可吸收速度為15km/h的列車（AW0）與制動的列車（AW0）相撞時產生的沖擊能量，任何部件不能損壞。

②兩列AW0的列車（按EN15227的要求）在相對速度為15km/h到25km/h相撞時，列車兩端底架端部能量吸收裝置或結構變形區吸收車鉤緩沖器無法吸收的剩余能量。由于第2條要求涉及壓潰管、防爬器及列車底架端吸能元件等，與文章中重點介紹的雙向氣液緩沖器關系較小，故該要求不作討論。

根據相關參數，在仿真軟件中建模，吸能裝置配置為全自動車鉤為150mm雙向氣液緩沖器和橡膠球關節軸承，半自動車鉤兩側均為100mm氣液緩沖器和橡膠球關節軸承，半永久車鉤一側為175mm雙向氣液緩沖器和橡膠球關節軸承，另一側為橡膠球關節軸承和壓潰管。

由于氣液緩沖器的吸能特性對車輛的重量及速度較為敏感，為獲得最優的特性曲線，每個項目需根據仿真的碰撞力（壓力）對可調節流孔（孔與節油桿的間隙）進行調整，可調節孔徑或節油桿桿徑，通常情況下，固定孔徑，調整軸徑的大小，然后進行再次仿真，如此反復查看碰撞力，調整軸徑大小，以獲得較為平緩圓滿的特性曲線，盡可能使各界面的碰撞力減小，拉大與車鉤剪切力的差距，如此可保證車鉤在剪斷掉落前，各吸能元件能最大限度的進行吸能。通過多次調整，第6界面碰撞力為991kN，與剪切力值1200kN有足夠安全余量，符合設計要求。

3? 緊急救援仿真

該項目緊急救援工況要求如下：

①1列AW0救援1列AW0，緊急牽引時突然實施緊急制動;救援列車緊急牽引模式（高加速模式）下牽引力310kN，緊急制動響應時間為1.5s。

②1列AW0救援1列AW3，緊急牽引時突然實施緊急制動;救援列車緊急牽引模式（高加速模式）下牽引力310kN，緊急制動響應時間為1.5s。

③1列AW0救援1列AW3，在38‰坡道緊急牽引時突然實施緊急制動;救援列車緊急牽引模式（高加速模式）下牽引力310kN，緊急制動響應時間為1.5s。

④1列AW3救援1列AW3，緊急牽引時突然實施緊急制動;救援列車緊急牽引模式（高加速模式）下牽引力400kN，緊急制動響應時間為1.5s。

緊急制動力如表3。

牽引制動轉換的情況下，通常會產生較大的車鉤拉力，首先牽引階段，列車各界面的車鉤緩沖器受到牽引力作用產生壓縮，車鉤儲存了由加速度產生的勢能，其后列車迅速進入制動階段，車鉤緩沖器上的勢能被釋放，在相鄰兩車輛之間產生相對速度，與制動力共同作用下，車鉤產生的力會出現極大值。

根據客戶的描述，牽引力響應時間及制動力響應時間曲線如圖4（a）。

通過仿真計算各工況最大拉力如下：

①339kN;②706.1kN;③823.3kN;④723.1kN。

小于車鉤及車體的許用強度850kN，理論上滿足設計要求。

4? 線路救援試驗

為驗證雙向氣液緩沖器的可靠性，除車鉤自身做了很多型式試驗外，在業主、車輛廠及多方相關供應商的配合下，以連掛端全自動車鉤及相鄰半永久車鉤加裝測試管貼應變片的方式在車輛段及部分正線進行了模擬救援試驗，由于線路時間的限制，未對AW0車救援AW0車進行試驗，僅對AW0救援AW3和AW3救援AW3部分工況進行試驗，由于實際采集的牽引制動響應時間曲線與仿真輸入有誤差，以圖4（b）為例，以及裝載沙袋（模擬載荷）稱重時天氣潮濕，試驗時由于水分的蒸發致使的重量誤差等因素使得試驗結果力值小于仿真模擬數據，后根據實際采集的牽引制動響應時間曲線，重新進行模擬仿真，各工況下的試驗最大拉力及重新模擬仿真的最大拉力見表4。

通過對比可知試驗數據與模擬數據差距減小，主要還是因為載荷、施加的牽引力、制動力及響應時間曲線與模擬仿真中輸入的存在或多或少的誤差。但該差距不否定雙向氣液緩沖器對救援過程中的車鉤拉力的改善作用。

5? 結論

通過模擬仿真以及線路上車輛的模擬救援，驗證了雙向氣液緩沖器在提高最大可恢復速度的同時，可滿足緊急救援的需求，極大的提高了軌道車輛的舒適性及安全性。對以后車輛鉤緩系統的選型提供了選擇依據。

參考文獻：

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