靈活編組智能列車的鉤緩裝置選型設計

摘" 要：第二代智能地鐵列車具備靈活編組的能力適應多編組同線運行，可實現“運力-運量匹配”，但對鉤緩裝置提出更高的吸能要求。該文基于某具備靈活4編組、靈活4+4編組能力的第二代智能列車的鉤緩裝置選型設計，對靈活編組列車與既有列車同線運行時各類連掛、碰撞、救援工況進行一維動力學仿真分析，為第二代智能地鐵列車的鉤緩裝置設計提供參考。

關鍵詞：鉤緩裝置；靈活編組；吸能；列車；連掛

中圖分類號：U482.1" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）17-0112-05

Abstract： The second generation intelligent subway train has the ability of flexible marshalling to adapt to multi-marshalling running on the same line， which can realize \"capacity-capacity matching\"， but it poses higher requirements for energy absorption of hook retarder. This paper is based on the hook and retarder selection design of a second-generation intelligent train with flexible 4-marshalling and flexible 4-4 marshalling capabilities. This paper makes an one-dimensional dynamic simulation analysis on all kinds of linkage， collision and rescue conditions when the flexible marshalling train is running on the same line with the existing train， so as to provide reference for the hook and retarder design of the second generation intelligent subway train.

Keywords： hook retarder; flexible marshalling; energy absorption; train; linkage

《中國城市軌道交通智慧城軌發展綱要》和《中國城市軌道交通綠色城軌發展行動方案》號召下的城市軌道交通第二代智能列車于首屆中國城市軌道交通高新技術成果交易會首次發布[1-3]。與只支持虛擬聯掛的靈活編組方式的第一代智能列車相比，第二代智能列車同時支持虛擬聯掛和全自動硬聯掛2種靈活編組方式，適應多編組同線靈活運行，可快速地在平峰、高峰時段列車靈活編組，以適應新線、既有線和跨線等多種運營場景下的運力-運量匹配。相較于普通地鐵列車單一編組形式，靈活編組列車由于編組形式豐富，需要滿足更多聯掛、碰撞工況。

本文研究基于某A型地鐵線路，既有8編組列車與具備靈活4編組、靈活4+4編組能力的第二代智能列車（以下簡稱“靈活編組列車”）共線運行場景。通過分析共線運行新增的連掛、碰撞、救援工況，來設計靈活編組列車鉤緩裝置方案，并采用一維車鉤碰撞仿真計算軟件進行方案驗證，最后總結分析計算結果，為同類列車的鉤緩裝置設計提供參考。

1" 既有列車鉤緩裝置簡介

既有列車司機室前端采用半自動車鉤、防爬器的組合吸能方式，各列車單元之間使用成對的半永久車鉤吸能。列車車鉤配置如圖1所示。

既有列車共使用了3種不同配置的半永久車鉤，鉤緩裝置可以緩和與吸收編組連掛過程時產生的縱向沖擊能量并降低2列車的沖擊與振動，這有助于保證列車連掛后的安全與可靠，避免列車結構因過大的沖擊力造成的破壞。既有列車鉤緩裝置的設計滿足如下需求。

1）列車5 km/h沖擊速度下的硬連掛時，鉤緩裝置可復原能量吸收功能完成所有沖擊能量的吸收，緩和沖擊，列車任何部件不能損壞。

2）列車15 km/h沖擊速度下產生的能量由鉤緩裝置的可復原、不可復原吸能裝置共同吸收，除車鉤以外的其余部件不能損壞。列車的撞擊吸能還應滿足EN 15227 C-Ⅱ類要求。

3）列車在25 km/h的沖擊速度下，當車鉤不能吸收多余能量后，司機室前端的防爬器嚙合并發生變形，吸收部分能量，客室主體結構無損壞。既有車鉤緩裝置配置見表1。

2" 共線運行新增碰撞工況

靈活編組列車在載客量不變的情況下進行了輕量化設計，較既有車，靈活編組列車的整車重量更低。由于靈活編組列車與既有列車同線運營，則線路存在以下3種編組形式的列車：既有8輛編組列車、4編組A型車、4+4編組A型車。基于運營需求，會新增以下工況的連掛、碰撞工況。

2.1" 2列靈活4編組碰撞工況

1）2列靈活4編組AW2列車連掛，連掛速度5 km/h，靜止列車施加停放制動。

2）2列靈活4編組AW0列車碰撞，碰撞速度15 km/h，靜止列車施加停放制動。

3）2列靈活4編組AW0+50%坐席乘客重量列車碰撞，碰撞速度25 km/h，靜止列車未制動。

2.2" 靈活4編組與靜止靈活4+4編組列車碰撞工況

1）靈活4編組AW2列車與靈活4+4編組AW2列車連掛，連掛速度5 km/h，靜止列車施加停放制動。

2）靈活4編組AW0列車與靈活4+4編組AW0列車碰撞，碰撞速度15 km/h，靜止列車施加停放制動。

3）靈活4編組AW0+50%坐席乘客重量列車與靈活4+4編組AW0+50%坐席乘客重量列車碰撞，碰撞速度25 km/h，靜止列車未制動。

2.3" 靈活4編組與靜止既有8編組列車碰撞工況

1）靈活4編組AW2列車與既有8編組AW2列車連掛，連掛速度5 km/h，靜止列車施加停放制動。

2）靈活4編組AW0列車與既有8編組AW0列車碰撞，碰撞速度15 km/h，靜止列車施加停放制動。

3）靈活4編組AW0+50%坐席乘客重量列車與既有8編組AW0+50%坐席乘客重量列車碰撞，碰撞速度25 km/h，靜止列車未制動。

2.4" 既有8編組與靜止靈活4編組列車碰撞工況

1）既有8編組AW2列車與靈活4編組AW2列車連掛，連掛速度5 km/h，靜止列車施加停放制動。

2）既有8編組AW0列車與靈活4編組AW0列車碰撞，碰撞速度15 km/h，靜止列車施加停放制動。

3）既有8編組AW0+50%坐席乘客重量列車與靈活4編組AW0+50%坐席乘客重量列車碰撞，碰撞速度25 km/h，靜止列車未制動。

2.5" 2列靈活4+4編組碰撞工況

1）2列靈活4+4編組AW2列車連掛，連掛速度5 km/h，靜止列車施加停放制動。

2）2列靈活4+4編組AW0列車碰撞，碰撞速度15 km/h，靜止列車施加停放制動。

3）2列靈活4+4編組AW0+50%坐席乘客重量列車碰撞，碰撞速度25 km/h，靜止列車未制動。

2.6" 既有8編組與靜止靈活4+4編組列車碰撞工況

1）既有8編組AW2列車與靈活4+4編組AW2列車連掛，連掛速度5 km/h，靜止列車施加停放制動。

2）既有8編組AW0列車與靈活4+4編組AW0列車碰撞，碰撞速度15 km/h，靜止列車施加停放制動。

3）既有8編組AW0+50%坐席乘客重量列車與靈活4+4編組AW0+50%坐席乘客重量列車碰撞，碰撞速度25 km/h，靜止列車未制動。

2.7" 靈活4+4編組列車與靜止既有8編組列車碰撞工況

1）靈活4+4編組AW2列車與既有8編組AW2列車連掛，連掛速度5 km/h，靜止列車施加停放制動。

2）靈活4+4編組AW0列車與既有8編組AW0列車碰撞，碰撞速度15 km/h，靜止列車施加停放制動。

3）靈活4+4編組AW0+50%坐席乘客重量列車與既有8編組AW0+50%坐席乘客重量列車碰撞，碰撞速度25 km/h，靜止列車未制動。

2.8" 車輛間救援工況

1）靈活4+4編組AW0救援列車推送靈活4+4編組AW0故障列車從平直軌道向35‰下坡運行，當2列車車鉤連掛面到達變坡點時，救援列車施加緊急制動。

2）靈活4+4編組AW0救援列車推送靈活4+4編組AW3故障列車從平直軌道向30‰下坡運行，當2列車車鉤連掛面到達變坡點時，救援列車施加緊急制動。

3）靈活4+4編組AW0救援列車推送既有8編組AW0故障列車從平直軌道向35‰下坡運行，當2列車車鉤連掛面到達變坡點時，救援列車施加緊急制動。

4）靈活4+4編組AW0救援列車推送既有8編組AW3故障列車從平直軌道向30‰下坡運行，當2列車車鉤連掛面到達變坡點時，救援列車施加緊急制動。

3" 靈活編組列車鉤緩裝置選型

3.1" 選型分析

8編組的標準A型地鐵列車，車體結構強度應符合EN 12663-1中P-Ⅲ類規定，且車體壓縮屈服強度1 250 kN，拉伸屈服強度960 kN。車鉤吸能原件觸發力需基于車體強度設計，滿足吸能的基礎上最大限度地保護車體。針對本類列車，車鉤常用的吸能方案主要有2種：可恢復EFG緩沖器+壓潰管單元組合[4]、可恢復氣液緩沖器+壓潰管單元組合，既有列車方案為后者。

從碰撞吸能方面考慮，靈活編組列車與既有線列車混跑狀態下，碰撞工況復雜，在既有8編組與靜止靈活4編組列車碰撞工況中，由于靜止后車中參與吸能的車鉤僅有8只，對車鉤的平均吸能量要求更高，選用可恢復吸能量更大的氣液緩沖器+壓潰管單元組合更為可靠[5]，避免在連掛速度5 km/h時復發不可復原的壓潰管吸能。從運維方面考慮，靈活編組列車與既有線列車共線運行，共用同一檢修周期與備品備件庫，采用EFG緩沖器會存在車鉤檢修周期不一致、備件種類增加的情況，所以選用與既有列車相同修程的氣液緩沖器+壓潰管單元組合更為可靠。從功能能響應方面考慮，為保證第二代智能列車連掛后必要電信號的考慮，應在既有半自動車鉤的機械結構上增加電氣車鉤來做到列車間的電信號傳遞，所以第二代智能列車前端的車鉤選用全自動車鉤。智能列車車鉤如圖5所示。

綜上所述，靈活編組列車的鉤緩裝置吸能方案采用可恢復氣液緩沖器+壓潰管單元組合的全自動車鉤，且該鉤緩裝置機械相關的配件、備件應盡量保持與既有列車的一致。通過對既有列車鉤緩裝置組合的分析，其列車單元之間的7個界面采用了3種半永久車鉤。半永久車鉤A僅配置緩沖器，半永久車鉤B與半永久車鉤C配置了不同種類的壓潰管，其中半永久車鉤B的壓潰管為觸發力略高于半永久車鉤C的變力值壓潰管，達到連掛碰撞速度等級為15 km/h時列車單元間車鉤壓縮行程更均勻的效果。

3.2" 靈活編組列車鉤緩裝置方案

靈活編組列車由于是4編組或4+4編組，單元之間界面數量較少，所以半永久車鉤的種類存在精簡空間。最終鉤緩裝置選型為：吸能配置以及機械部分與既有車半自動車鉤相同的全自動車鉤、與既有車相同的半永久車鉤A和半永久車鉤B。4編組列車鉤緩裝置組合如圖6所示，4+4編組列車鉤緩裝置組合如圖7所示。對應的車鉤參數見表1。

4" 仿真計算結果與分析

本文采用可以計算變形時間次序和非線性緩沖器特性的碰撞載荷的一維仿真計算程序，按照列車縱向動力學理論，將整列車視為由鉤緩裝置連接的若干單自由度（縱向）質點輸入列車各單元的重量、制動力等參數，再通過對質點系運動微分方程組的逐步求解計算整個碰撞過程各個車位的加速度、車鉤力、速度歷程曲線。表2統計了第2章節列出的共線運行新增碰撞工況的鉤緩裝置受力情況和能量吸收情況。

通過分析表2數據可知：

1）在各類5 km/h碰撞工況下，鉤緩裝置出現的最大壓縮力為614.5 kN，最大拉伸力為114.1 kN。由于最大壓縮力小于壓潰管、防爬器初始觸發力，所以僅列車的氣液緩沖器參與能量耗散吸收，車鉤壓潰管、防爬器等不可復原吸能裝置未觸發，車鉤、防爬器無損壞。瞬時最大拉伸、壓縮力分別小于車體壓縮屈服強度1 200 kN、拉伸屈服強度960 kN，車體無永久變形。

2）在各類15 km/h碰撞工況下，鉤緩裝置出現的最大壓縮力為1 014 kN，最大拉伸力為179.5 kN；由于最大壓縮力大于壓潰管初始觸發力且小于防爬器的初始觸發力，所以列車的氣液緩沖器與車鉤壓潰管共同參與能量耗散吸收，防爬器未觸發，防爬器無損壞。瞬時最大拉伸、壓縮力分別小于車體壓縮屈服強度1 200 kN、拉伸屈服強度960 kN，車體無永久變形。

3）在各類25 km/h碰撞工況下，鉤緩裝置出現的最大壓縮力為1 363 kN，最大拉伸力為376.2 kN；此時既有車、靈活編組列車的可復原吸能裝置、車鉤壓潰管及防爬器均參與能量耗散吸收。瞬時最大拉伸力出現在防爬器安裝座區域，由于防爬器在車體前端左右兩側成對使用，該區域的實際最大瞬時壓縮力為681.5 kN，因為該區域車體設計承載強度大于防爬器最大阻抗力650 kN+650 kN×7.5%=698.75 kN，設計強度大于該區域實際最大瞬時壓縮力為681.5 kN，所以車體無永久變形。

4）在工況10下，制動能量耗散顯著大于車鉤能量耗散。進行位移量分析后發現：工況10為8編組5 km/h碰撞靜止4編組，仿真計算求得的單元間界面最大位移量為2 154.5 mm，相對于工況1的4編組5 km/h碰撞靜止4編組1 012.7 mm會產生更多的單元間界面位移，所以車輛制動能量耗散比例顯著提升。因此，需要注意多編組在連掛較少編組列車工況時的后車位移，需要預留更大安全空間。

根據表3數據可知：在各類救援工況下，鉤緩裝置出現的最大壓縮力為508.0 kN，最大拉伸力為633.7 kN。救援時拉伸、壓縮方向上的動作由車鉤的可復原緩沖器緩沖吸能，不會損壞車鉤、防爬器和車體。

綜上所述，通過一維仿真計算，本文提出的靈活編組列車4編組、4+4編組的鉤緩裝置配置方案能完全滿足在與既有列車共線運行狀態下連掛、碰撞、救援工況的緩沖吸能需求；且該方案在與既有線鉤緩裝置共享修程、備件、吸能部件的基礎上做到了鉤緩裝置配置型號上的最精簡。

參考文獻：

[1] 《中國城市軌道交通智慧城軌發展綱要》發布三周年系列調研簡報（一）：智慧城軌建設階段性成果斐然[J].城市軌道交通，2023（4）：16-17.

[2] 實施綠色低碳戰略 踐行城軌責任擔當——《中國城市軌道交通綠色城軌發展行動方案》正式發布[J].都市快軌交通，2022，35（5）：2.

[3] 發布簽約科技成果43項 首屆中國城市軌道交通行業高新技術成果交易會成功召開[J].城市軌道交通，2023（5）：16-18.

[4] 李朝曦.城軌車輛橡膠緩沖器性能研究[D].成都：西南交通大學，2020.

[5] 車全偉，許平，王晉樂，等.氣液-壓潰組合式緩沖裝置沖擊吸能特性實驗研究[J].鐵道學報，2020，42（4）：43-51.