城市軌道交通車輛各類防爬器的結構分析及統形

楊 鵬 胡 旋 閆 濤

（中車南京浦鎮車輛有限公司，江蘇 南京 210031）

被動安全防護技術一般是將沖擊能量轉化為被動防護裝置的塑性變形能量，從而保護車體乘客區不發生大的變形或結構的損壞，最大限度降低事故破壞程度。根據歐洲鐵路應用標準《EN 15227 鐵路車輛的耐撞性要求》，2 列同類型的地鐵車輛以相對速度25km/h 車頭相對碰撞時，車輛要以可控的方式吸收碰撞能量，相撞車輛之間不會出現爬車現象，能量吸收完成后乘客需要有足夠和完整的生存空間，碰撞過程中減速度要限制在一定范圍內[1]。最初的防爬器只有防爬功能，隨著軌道列車速度及技術的不斷提高，目前的防爬器兼具有防爬和緩沖吸能2 種功能[2]。一般城市軌道交通車輛被動安全防護技術所用到的能量吸收裝置主要有車鉤、防爬器和車體吸能區；防爬器主要由安裝板、吸能部件、防爬齒3 個部分組成[3]；根據吸能部件的不同，防爬器分為蜂窩式防爬器、刨削式、脹管式防爬器和薄壁金屬吸能式防爬器等類型；安裝板用于固定安裝防爬器，在刨削式防爬中安裝板還用來安裝切削刀具，配合吸能部件承受垂向及側向載荷，具有導向作用；吸能部件通過塑性變形和摩擦，吸收撞擊能量，同時起導向作用，承載碰撞過程中的垂向和側向載荷；防爬齒在平板上開設溝槽，當相同類型的車輛碰撞時，2 輛車之間的防爬齒能相互嚙合，限制2 輛車之間的相對高度，這樣能防止碰撞中的某一輛車離開軌面爬到另一個車上。

1 蜂窩式防爬器

蜂窩是一種典型的薄壁多孔結構，蜂窩具有孔徑均勻、幾何形狀規則、密度小、比面積高等特點[4]。目前城市軌道交通車輛蜂窩式防爬器的蜂窩基本由鋁合金制成，因此稱為鋁蜂窩，以鋁蜂窩結構為吸能元件的防爬器稱為鋁蜂窩式防爬器。利用蜂窩結構制造的鋁蜂窩，通過在其端面黏接金屬或復合材料板制成的鋁蜂窩夾層板具有許多優異的性能，主要表現為比強度高、比剛性大、抗沖擊、降噪、隔熱、蓄能、成型好、可回收再利用[4]。目前鋁蜂窩的制造方法主要有展開法、黏接法、壓力釬焊成型法等[4]。鋁蜂窩式防爬器還可以細分為抽屜型防爬器（圖1）、整體式鋁蜂窩防爬器和內導向型鋁蜂窩防爬器等[5]。直接將鋁蜂窩用作吸能部件其垂向剛度和側向剛度不能滿足使用要求，因此須在鋁蜂窩材料四周包覆薄壁金屬以提高其抗彎剛度，但這樣一來，在軸向壓縮時，其峰值載荷也隨之增大，峰值載荷過大不利于對車體及人員的保護，且緩沖過程極不穩定[2]。抽屜型蜂窩式防爬器（圖2）將鋁蜂窩封裝于導向型材中，碰撞過程中導向型材不發生塑性變形不影響軸向壓縮過程中的峰值載荷。抽屜型鋁蜂窩式防爬器主要由防爬齒、滑動型材、安裝法蘭、導向型材組成；防爬板用于限制2 輛車之間的相對高度，防止碰撞過程中出現爬車狀況；滑動型材主要起導向作用，承受碰撞中的垂向和側向載荷，保證吸能過程的穩定進行和防爬板的穩定工作；安裝板用于防爬器和導向型材固定安裝，同時還起到了滑動型材的運動導向作用，與導向型材配合承受垂向及側向載荷；導向型材提供導向作用，并為壓縮鋁蜂窩提供支撐，在發生碰撞時起支撐保護作用，同時又與安裝板配合承受垂向及側向載荷。目前城市軌道交通車輛蜂窩式防爬器所用的鋁蜂窩多為六邊形鋁蜂窩夾心，Zhang Zhonghua等針對一般吸能結構在碰撞中，只有一小部分區域發生塑性變形吸能，而大部分區域對能力的吸收作用較少的問題，用三維夾心結構制備得到了一種圓筒式吸能結構，其吸能性能最好，其次是三角形蜂窩夾心，六邊形蜂窩夾心[6]。

圖1 抽屜型鋁蜂窩式防爬器

圖2 壓縮后的抽屜型鋁蜂窩式防爬器

2 刨削式防爬器

刨削式防爬器（圖3）由防爬齒、吸能管、切削刀具和安裝法蘭組成。防爬齒用于限制2 輛車之間的相對高度防止碰撞過程中的爬車；吸能管和安裝法蘭配合提供導向及承受垂向和側向載荷；切削刀具和吸能管配合完成能量吸收；安裝法蘭用于固定安裝防爬器和切削刀具。切削刀具一般對稱布置在吸能管周圍，刀具數量一般為2 把或者4 把。在碰撞過程中，刨削式防爬器的刀具切削吸能管來吸收沖擊能，同時刀具與工件之間發生摩擦，將沖擊能量轉化為塑性變形能及摩擦能，實現緩沖吸能[2]。刨削力是刨削式防爬器的關鍵技術參數，刨削力的確定一般首先通過《機械加工工藝手冊》中的刨削力計算公式計算出一個初始值，然后通過試驗修正得到刨削力值。影響刨削力的因素有刨削筒材料、刨刀幾何參數、刨削量和摩擦系數[7]、刨削筒的材料、刨刀的材料及幾何參數、摩擦系數等，可以通過選定刨削筒和刨刀的材料及幾何參數將其設定為固定值，進而可通過控制刨削量控制防爬器刨削力。刨削量由刨削深度及刨削寬度確定，刨削深度及刨削寬度容易測量，有利于刨削式防爬器的設計制造[7]。刨削式防爬器碰撞產生塑性變形如圖 4 所示。

圖3 刨削式防爬器

圖4 刨削式防爬器碰撞產生塑性變形

3 脹管式防爬器

脹管式防爬器（圖5）主要由防爬齒、錐管、安裝板和脹管4 個部分組成；防爬齒用于限制2 輛車之間的相對高度，防止碰撞過程中出現爬車現象；錐管一方面承受碰撞中的垂向和側向載荷，保證吸能過程中防爬吸能裝置的穩定工作，另一方面起到吸能作用，碰撞吸能時錐管將脹管張開，將動能轉化為機械能和熱能，吸收能量；安裝板用于安裝錐管、脹管，同時還起到錐管的運動導向作用，與脹管配合承受垂向及側向載荷；脹管一方面起導向作用，承受碰撞過程中的垂向和側向載荷，保證錐管運動方向。另一方面吸收碰撞能量，碰撞時，錐管將脹管脹開，將動能轉化為機械能和熱能，吸收能量。脹管式防爬器塑性變形圖如圖 6 所示。

圖5 脹管式防爬器

圖 6 脹管式防爬器塑性變形圖

4 薄壁金屬吸能式防爬器

薄壁金屬管屬于最傳統的吸能原件，廣泛應用于汽車、軌道列車、飛機和船舶等運輸工具的碰撞吸能中[8]。主要通過自身的軸向塑性變形來吸收撞擊中所產生的能量，但是薄壁金屬管存在變形不穩定不可控制的缺點，其優勢是結構簡單價格便宜。薄壁金屬吸能式防爬器（圖7）主要由防爬齒、薄壁金屬吸能管、安裝法蘭和導向桿組成；防爬齒用于限制2 輛車之間的相對高度防止碰撞過程中的爬車；薄壁金屬吸能管通過塑性變形吸收能量；導向桿承受垂向及側向載荷，在碰撞過程中起導向作用；安裝法蘭用于安裝固定防爬器。

圖7 薄壁金屬吸能式防爬器

5 防爬器性能要求及標準地鐵防爬器統型

5.1 防爬器防爬性能要求

根據EN 15227，相同類型的地鐵車輛以25km/h 車頭相對發生碰撞時，防爬器應該能有效阻止爬車的發生，并規定考慮由車輪磨損、垂直載荷等引起的垂直偏移，在垂向偏移達到40mm 時也能有效阻止爬車的發生。這就要求防爬器要有足夠垂向強度和剛度，設計時須結車體質量通過有限元仿真計算確定防爬器的垂向強度和剛度值。一些吸能部件例如鋁蜂窩和薄壁金屬吸能管其結構在碰撞中極易出現失穩狀況，因此防爬在使用這2 種吸能部件時，需要有加其彎曲剛度的結構設計，例如導向型材和導向桿的設計，既不影響其峰值載荷又增加了其垂向和側向載荷的承受能力。脹管式防爬器和刨削式防爬器其吸能管、脹管和錐管配合安裝法蘭就能滿足垂向、側向載荷和導向要求，無須額外的結構設計。

5.2 防爬器吸能性能要求

根據EN 15227 要求，防爬器應具有穩定的能量吸收能力。目前地鐵車輛的被動能量吸收裝置主要由車鉤和防爬器組成，由于尺寸、結構等的限制，車鉤上吸能裝置的吸能能力無法滿足EN 15227 中碰撞場景的要求，需要讓防爬器盡可能多地吸收能量，以保證車體結構的完整性。防爬器的吸能能力受工作行程和穩態力影響，更大的穩態力值和更長的工作行程可以獲得更強的能量吸收能力，設計時可根據車體參數盡可能地提高穩態力值和工作行程。防爬器的良好吸能性能需要其有穩定的軸向壓縮力值，這需要通過大量的仿真和實驗，不斷優化其結構、材料、工藝參數獲得。

5.3 防爬器型式試驗和例行試驗

防爬器的型式試驗和例行試驗主要根據EN15227 和列車的實際運營工況制定，一般有垂向加載試驗、吸能性能試驗、重量試驗、外觀檢查和尺寸檢查等。防爬器吸能部件的吸能性能主要通過落錘試驗、準靜態試驗、動態沖擊試驗等獲得，根據具體情況還可以增加鹽霧試驗、沖擊振動試驗等，見表1。

表1 防爬器型式試驗和例行試驗

5.4 標準地鐵防爬器統型

研究制造中國的標準化地鐵是中國城市軌道交通逐步發展到成熟階段的必然選擇，中國中車系列化中國標準地鐵正在持續推進。根據標準地鐵防爬器做了相應統型，統型參數如表2，標準化的防爬器有利于列車成本控制、維修和維護。

表2 標準地鐵統型防爬器參數

6 結語

隨著社會發展進步，對列車的安全性能要求越來越高，列車的被動安全防護技術也越來越成熟。防爬器作為一種重要的被動安全防護部件，也從最初只具有防爬功能發展到了如今的兼具防爬和緩沖吸能2種功能。防爬器作為吸能部件，其峰值緩沖力值和平均緩沖力值越接近其吸能效率越高；其緩沖力的曲線越平滑穩定，其緩沖吸能過程越穩定。一款優秀的防爬器需要有較高的吸能效率、穩定的穩態力值、較小體積并有較強的抗偏載能力；這需要經過大量的仿真試驗通過不斷優化其結構和工藝獲得。該文簡述了目前城市軌道車輛用防爬器的主要類型及其特點以及中國標準地鐵的防爬器統型情況，為城市軌道交通車輛防爬設計提供參考。