■ 陳云

陳云：福伊特驅(qū)動(dòng)技術(shù)系統(tǒng)（上海）有限公司，項(xiàng)目工程師，上海，201108

基于多年在車鉤領(lǐng)域中對(duì)能量吸收特點(diǎn)的研究，福伊特驅(qū)動(dòng)努力發(fā)展車輛前部撞擊部件和其他能量吸收裝置。通過建立完整的包括車鉤、撞擊組件、前部罩板、控制系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)部件在內(nèi)的前端模塊，福伊特驅(qū)動(dòng)的夏芬博格（Scharfenberg）能量管理系統(tǒng)可以滿足軌道車輛完整的前端概念需求，并承擔(dān)建設(shè)整個(gè)系統(tǒng)的責(zé)任。福伊特驅(qū)動(dòng)在設(shè)計(jì)復(fù)雜的車鉤系統(tǒng)中積累了深厚的專業(yè)知識(shí)，成為可為軌道車輛提供前端系統(tǒng)和能量吸收裝置系統(tǒng)供應(yīng)商。

1 當(dāng)前軌道車輛對(duì)能量吸收系統(tǒng)的要求

諸如ICE列車碰撞和德國高速鐵路災(zāi)難事件等一系列事故，日漸將撞車問題帶到了公眾關(guān)注的中心。為減少撞車意外的影響，多種相關(guān)文件和標(biāo)準(zhǔn)提出了更多關(guān)于軌道車輛被動(dòng)安全性的嚴(yán)厲要求。由于現(xiàn)代車鉤系統(tǒng)和前端模塊的復(fù)雜性，以下只對(duì)最必要的功能和要求做出說明。撞擊性標(biāo)準(zhǔn)為歐洲標(biāo)準(zhǔn)DIN EN 15227：2008中“軌道車輛車體撞擊性要求”；列車系統(tǒng)的兼容性要求為TSI 2008中“對(duì)于歐洲高速鐵路系統(tǒng)的車輛子系統(tǒng)兼容性的技術(shù)細(xì)則”。上述標(biāo)準(zhǔn)對(duì)下列目標(biāo)做出闡述：

（1）減小撞擊車輛爬升到另一車輛上的風(fēng)險(xiǎn)；

（2）減小出軌的風(fēng)險(xiǎn)；

（3）防止障礙物的干擾；

（4）對(duì)撞擊能量的控制性吸收；

（5）列車司機(jī)逃生空間的保護(hù)；

（6）減速度的限制。

不同的碰撞情景發(fā)生在不同的沖擊水平面上，因而每個(gè)水平面都有相對(duì)應(yīng)的具體要求。垂直方向上車頭可以被分為不同的沖擊區(qū)域，用不同的方式吸收能量或者保證司機(jī)的逃生空間。DIN EN 15227中描述的軌道車輛被動(dòng)安全性要求見圖1。其中對(duì)于減速度的限制方面，情景1和情景2中最高值為5 g ，情景3中最高值為7.5 g。

2 高速鐵路Scharfenberg能量管理系統(tǒng)實(shí)例

2.1 在歐洲高鐵列車中的應(yīng)用

高速鐵路對(duì)空氣動(dòng)力的性能、功能性和能量吸收的要求特別高。福伊特驅(qū)動(dòng)為西班牙的Talgo 250高鐵列車制造了包括司機(jī)室頂板在內(nèi)的完整的前端系統(tǒng)。

圖1 DIN EN 15227對(duì)軌道車輛的被動(dòng)安全性要求

對(duì)組件正確合理的使用，可以消除在車頭部分安裝更多能量吸收組件的需要。根據(jù)這個(gè)理念，列車符合DIN EN 15227中關(guān)于情景1和情景2的安全要求（情景3在2005年項(xiàng)目進(jìn)行時(shí)還未做具體要求）。能量吸收的4個(gè)階段見圖2。

沖擊能量分別在4個(gè)階段中得到吸收：

（1）第一階段（可逆）：車鉤軸承座中的橡膠吸能元件。能量吸收：大約7 kJ（拉伸方向）/17 kJ（壓縮方向）；

（2）第二階段（不可逆）：車鉤鉤身壓饋管。能量吸收：大約200 kJ；

（3）第三階段（不可逆）：車鉤軸承座和橫梁之間的壓饋管。能量吸收：大約800 kJ；

（4）第四階段（不可逆）：在橫梁和車身之間兩個(gè)側(cè)面碰撞吸能盒。能量吸收：大約900 kJ。

所有階段加在一起，提供了將近2 MJ的能量吸收能力，變形行程不超過1 000 mm。

2.2 在亞洲高鐵列車中的應(yīng)用

Scharfenberg能量管理系統(tǒng)為韓國HEMU-400X新型高速列車設(shè)計(jì)了符合EN 15227標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)情景1、2和4要求的能量吸收系統(tǒng)（見圖3）。此能量吸收系統(tǒng)安裝在構(gòu)架上，而構(gòu)架安裝在車身上。此系統(tǒng)包括：AAR型車鉤頭式 Scharfenberg車鉤（可更換為Scharfenberg 10型車鉤頭）、氣液緩沖器和壓饋管；標(biāo)準(zhǔn)護(hù)軌裝置；另外2個(gè)壓饋管。這種方法大約可吸收1.5 MJ的沖擊能量，將變形行程控制在800 mm以內(nèi)。

撞擊能量分別在3個(gè)階段中得到吸收（見圖4）：

（1）第一階段（可逆）：車鉤鉤身中的氣液緩沖器。能量吸收：大約7.5 kJ（拉伸方向）/180 kJ（壓縮方向）；

（2）第二階段（不可逆）：車鉤鉤身中軸承座后的壓饋管。能量吸收：大約1 170 kJ；

（3）第三階段（不可逆）；固定在車鉤之上的撞擊保護(hù)組件。能量吸收：大約170 kJ。

3 車鉤系統(tǒng)對(duì)軌道車輛中能量吸收的重要性

近年來，福伊特驅(qū)動(dòng)特別關(guān)注中國CRH1和CRH3系列高鐵列車，并提供了多套前端系統(tǒng)，包括前罩板、運(yùn)動(dòng)部件和完整的擁有自動(dòng)車鉤、中間車鉤和過渡車鉤的車鉤系統(tǒng)（見圖5）。

圖2 Talgo 250高鐵列車能量吸收階段

圖3 HEMU-400X高鐵列車能量吸收系統(tǒng)

圖4 HEMU-400X高鐵列車能量吸收階段示意圖

圖5 Scharfenberg車鉤系統(tǒng)在中國高鐵列車中的應(yīng)用

車鉤同緩沖器一起被安裝在軌道車輛內(nèi)的主要沖擊平面上。自動(dòng)前端車鉤可以輔助吸收撞擊中的大量沖擊能量。實(shí)現(xiàn)此目的的典型能量吸收部件有壓饋管、緩沖器或用于普通連掛操作的橡膠彈性組件。軌道車輛車廂之間的恰當(dāng)連接（半永久性車鉤或有能量吸收特性的鉸接接頭）可輔助緩解作用在軌道車輛前部的壓力，為軌道車輛碰撞提供可控性。另外，半永久性車鉤可以將撞擊車輛爬升到另一車輛上的風(fēng)險(xiǎn)降至最低（見圖6）。

半永久性車鉤提供的防爬保護(hù)功能可以在能量傳送的開始就輕松起效，并保持連在一起的車廂處于同一平面上。與傳統(tǒng)解決方案相比，它的優(yōu)點(diǎn)是提供了一個(gè)外部的防爬保護(hù)。

由車輛撞擊引起的縱向壓縮力通過止擋板轉(zhuǎn)化為力矩，側(cè)向力可阻止兩車之間出現(xiàn)更大的垂直偏移（見圖7）。更多的能量吸收原件，如壓饋管或緩沖器，確?？煽氐淖矒裟芰课?，限定了載荷級(jí)別并緩解了施加在車輛前部的載荷。

4 輕型設(shè)計(jì)中的完整撞擊結(jié)構(gòu)概念

目前，現(xiàn)代撞擊結(jié)構(gòu)的發(fā)展追求雙重目標(biāo)，在使用輕型原件的同時(shí)，依舊可以滿足必要的撞擊安全要求，已逐漸取代傳統(tǒng)的撞擊結(jié)構(gòu)。圖8、圖9展示了一個(gè)帶有完整撞擊結(jié)構(gòu)的Scharfenberg前端模塊示意圖。

Scharfenberg前端模塊中的能量吸收元件除了可逆的緩沖器和牽引裝置，車鉤還具有完整、不可逆和多階段能量吸收元件，可以靈活地應(yīng)用在不同級(jí)別的車輛上。對(duì)于具有2 000 kN車身強(qiáng)度的車輛，最多可以吸收1.5 MJ的撞擊能量。在此應(yīng)用了DIN EN 15227標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定的情景1中車鉤的撞擊特性。碰撞吸能盒分別安裝在兩側(cè)，也可作為防爬器。作為情景1—情景3的主要能量吸收元件，碰撞吸能盒能夠吸收大約1 MJ的變形能量，同時(shí)產(chǎn)生大約200 kN的防爬阻力。

圖6 裝有防爬元件的一部分半永久性車鉤

圖7 整合在半永久性車鉤中的防爬保護(hù)

圖8 前端模塊

圖9 撞擊結(jié)構(gòu)

總之，這種整體輕型設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)符合撞擊安全標(biāo)準(zhǔn)，并通過使用諸如碳纖維和玻璃鋼等輕型材料，也可滿足車輛對(duì)減輕重量、節(jié)能低碳的要求。