典型現代有軌電車用鉤緩裝置選型分析

時延山

（中車青島四方車輛研究所有限公司鉤緩事業部，山東青島 266000）

0 引言

低地板有軌電車（Light Rail Vehicle，LRV）是世界上應用最廣泛的軌道交通車輛裝備之一，廣泛應用于歐洲、北美、大洋洲等大部分開通城市軌道交通線路的城市，除巴黎、紐約等大都市，有軌電車是歐美大部分城市軌道交通的主流。近年來，新一代100%低地板有軌電車系統也開始廣泛應用于國內二、三線城市，如蘇州、南京、青島、武漢等，成為城市軌道交通系統的重要補充，尤其是對于中低運量需求，有軌電車以其造價低、轉彎半徑小、經濟環保等優勢，在國內外市場迅速發展。

低地板有軌電車鉤緩裝置位于列車兩端，在緊急情況或有重聯運營需求時將列車進行快速救援或編組運行；在不使用時，隱藏在列車兩端的開閉機構或整流罩內，并將鉤頭固定在車端固定裝置上，不影響列車的整體性和美觀性。

本文從國內典型有軌電車系統的技術特點和運用需求出發，對有軌電車用鉤緩系統的選型展開對比分析。

1 基本技術條件

介紹典型有軌電車車輛技術特點、線路情況、鉤緩系統技術需求等[1]，并開展選型對比研究[2]。

1.1 列車特點及線路條件

如圖1所示，典型有軌電車列車編組形式為四模塊編組，三動一拖，編組形式為=Mc1+T++M+Mc2=（=為車鉤，+為單鉸接裝置，++為雙鉸接裝置，Mc為帶司機室的動車模塊，T為拖車模塊；M為動車模塊）。初期、近期采用單輛車運行，遠期高峰時段采用兩輛車聯掛運營，車輛應滿足聯掛運營要求，鉤緩裝置滿足重聯運營時的強度及碰撞要求[3]。

圖1 列車簡圖

列車部分技術參數及線路特點如表1所示。由表1可以看出，有軌電車轉彎半徑較小，需要在鉤緩系統選型時予以考慮，包括曲線通過計算、曲線連掛工況校核等[4]。

表1 線路及車輛部分技術參數

1.2 車輛緩沖裝置基本技術要求

車鉤應具備折疊功能，整鉤（包括連掛系統、緩沖系統、車體連接件）的強度應滿足抗拉載荷≥400 kN，抗壓載荷（不得產生永久變形）≥400 kN，產生的應力應小于設計許用應力。車輛通過最不利線路條件時，能夠順利通過。車鉤緩沖裝置應能夠緩沖列車運營過程中的縱向沖動，不對車體結構產生損害。鉤緩系統應具備車端固定裝置，保證車鉤不使用時能夠隱藏在導流罩或開閉機構下方，不與車下其他裝置或結構干涉。

2 車鉤緩沖裝置選型范圍

有軌電車車鉤緩沖裝置一般使用折疊式鉤緩裝置，中間使用折疊關節連接緩沖系統和連掛系統。不使用時將車鉤折疊，隱藏在前端開閉機構下方，平時不外露，救援時使用。

2.1 連掛系統選型范圍

連掛系統起到機械、氣路、電路的連接和分解作用，一般在有軌電車項目中主要起到機械連掛功能。目前，國內已有的有軌電車項目多使用Albert型車鉤和330型連桿式自動車鉤[5-7]。

常規自動機械連掛系統有鎖定位、解開位兩種狀態，其連桿式結構如圖2所示。在連掛過程中，內部連掛機構旋轉，使兩鉤連掛，此時連掛機構形成完整平行四邊形結構。當需要解鉤時，通過解鉤把手將平行四邊形解鉤破壞，完成解鉤操作。

圖2 連桿式自動車鉤原理圖

手動插銷式車鉤一般采用Albert型車鉤，兩鉤體到達連掛位置后，通過手動方式將各自的連掛銷插入鉤體上連掛孔實現連掛。該Albert車鉤連掛銷為錐形結構，錐形結構的優點在于容易消除連掛間隙，使連掛后狀態穩定可靠，但拔錐較為困難，所以該連掛銷結構設計了特殊的有助于拔銷的把手，拔銷時可以借助把手端部與鉤體之間的支點形成杠桿結構，將連掛銷撬出，連掛系統結構如圖3所示。

圖3 手動Albert型車鉤原理圖

2.2 緩沖系統選型范圍

緩沖系統主要起到能量吸收和緩沖的作用。目前，常用于有軌電車項目的緩沖器包括橡膠緩沖器、彈性膠泥緩沖器。其中橡膠緩沖器按照行程和最大阻抗力又分為不同的型號[8-10]。

彈性膠泥緩沖器（如圖4）是一種可以傳遞和消耗能量，減弱振動、沖擊和其他機械載荷，能量吸收介質由彈性膠泥等組成的緩沖器。其主要特點為膠泥介質兼具彈性吸能特性和動態吸能特性。其彈性吸能特性主要由膠泥材料本身的彈性決定，而動態吸能特性則來源于膠泥材料的流動性特點，在沖擊過程中膠泥通過緩沖器內部的節流間隙，從而產生動態節流力。基于上述特點，彈性膠泥緩沖器兼具優良的動態和靜態特性。

圖4 彈性膠泥緩沖器

橡膠緩沖器一般采用疊層式橡膠堆，通過內部結構相互配合可以使車鉤在拉伸和壓縮兩工況下均能觸發緩沖器變形，從而吸收沖擊能量。

圖5 橡膠緩沖器原理圖

3 比較分析

3.1 連掛系統比較分析

330型車鉤主要由鉤體（具有凸錐、凹錐）、主軸、鉤舌、連掛桿、拉簧等構成。兩鉤連掛時，一側凸錐與對側車鉤的鉤舌相互作用，鉤舌、連掛桿繞主軸轉動，直到到達解開位，并迅速形成平行四邊形鎖定結構。其特點是能夠實現自動連掛，結構較為復雜，連掛范圍較大，廣泛用于地鐵城軌項目[11]。

Albert型鉤體結構簡單，質量輕便。兩鉤體到達連掛位置后，通過各自的連掛銷插入鉤體上連掛孔實現連掛。Albert車鉤連掛銷為錐形結構，錐形結構的優點在于容易消除連掛間隙，使連掛后狀態穩定可靠。但連掛、解鉤時需要進行人工手動操作。

鑒于有軌電車前端司機室下方空間較小，且有軌電車多使用低地板設計，在滿足技術條件的情況下，優先選擇占用車下空間小、固定裝置簡易的車鉤型式。同時，考慮到有軌電車輕量化的要求，盡量減小鉤緩裝置的整機質量。兩種連掛系統方案對比如圖6所示。從圖6中可以看出，Albert車鉤能夠有效節省車下空間，優勢明顯，且質量較輕，能夠實現鉤緩裝置的輕量化設計。Albert車鉤缺點是無法實現自動連掛。

圖6 不同鉤體方案車下空間對比

根據車下空間、輕量化要求、車鉤強度要求等綜合考慮，建議選用Albert型連掛鉤頭。由于折疊式車鉤常規情況下不使用，僅在特殊救援情況下伸直使用，因此采購手動形式車鉤可以滿足使用需求。該型號廣泛應用于國內有軌電車項目中，如廣州海珠有軌電車、淮安有軌電車、南京河西麒麟有軌電車（龐巴迪FLEXITY2平臺國產化車型）、城陽有軌電車等項目中均采用了該型號車鉤。阿爾斯通Citadis平臺有軌電車也多使用Albert車鉤，如悉尼有軌電車項目X05系列。

針對Albert型鉤體，利用有限元方法對鉤體進行強度分析，強度計算結果表明：400 kN壓縮載荷下最大應力為374 MPa，400 kN拉伸載荷下最大應力為376 MPa，均小于材料屈服強度415 MPa，滿足車鉤技術條件要求。鉤體材料參數如表2所示，仿真結果如圖7所示。鉤體在400 kN壓縮載荷下最大應力為351 MPa，400 kN拉伸載荷下最大應力為394 kN，均小于材料屈服強度，滿足使用要求。

表2 部分材料參數

圖7 仿真結果

3.2 緩沖系統比較分析

緩沖器應能有效保護車輛，且阻抗力應與車體強度相匹配，最大阻抗力不應超過車體強度，以免損壞車體[12]。為驗證緩沖器性能，對彈性膠泥及不同規格的橡膠緩沖器進行了試驗，以獲取其力-行程曲線，如圖8所示。根據試驗結果，幾種常用備選緩沖器參數對比表3所示。采用不同緩沖器時，整鉤方案情況如圖9所示。

圖8 試驗情況

圖9 不同緩沖器方案對比圖

表3 緩沖器性能參數比較

彈性膠泥緩沖器結構復雜、成本較高、性能優良，其最大阻抗力、緩沖器行程均較大。檢修周期長，檢修需要專用設備，檢修費用高。

橡膠彈性緩沖器結構比較簡單，主要通過橡膠件變形來吸能，成本較低，緩沖吸能容量較低，雖然橡膠件的壽命較短，但檢修拆卸方便。

3.3 整體鉤緩裝置方案比較分析

基于一維列車縱向動力學模型，對相關沖擊工況進行了仿真計算[13]，縱向動力學計算結果對比如表4所示。從計算結果中可以看出，3種方案車鉤強度均可滿足技術條件要求。其中膠泥緩沖器最大行程利用率最低，僅達到總行程的21%。

表4 采用不同緩沖器時縱向動力學計算結果對比

綜合比較上述3種備選方案，考慮經濟性、車鉤質量、車鉤結構復雜程度等因素，選擇符合技術要求的Albert型車鉤及25 mm行程橡膠緩沖器。主要理由為：1）考慮實際使用情況，折疊式車鉤通常隱藏在車下，使用頻率較低，考慮減重、車下空間占用及成本因素，連掛系統建議采用手動Albert型鉤體。2）考慮緩沖器緩沖容量利用率、緩沖器質量、緩沖器成本等，優先選用橡膠緩沖器。在緩沖器滿足縱向吸能要求的情況下，選用行程較短的25 mm規格的橡膠緩沖器可以起到減重效果。3）橡膠緩沖器雖然壽命比膠泥緩沖器短，但檢修拆解較為簡單，考慮有軌電車折疊車鉤使用不頻繁，可根據實際使用情況評估，適當延長橡膠緩沖器檢修周期。

圖10 折疊車鉤建議方案

4 結論

綜上所述，建議采用Albert連掛系統和25 mm行程緩沖器作為車鉤基本配置，既能滿足車鉤使用強度要求，滿足列車需求，又能實現車鉤輕量化和最小占用空間，且結構簡單成本較低，建議常規有軌電車采用該種車鉤方案。