趙士忠，王晉樂(lè)，田愛(ài)琴，車全偉，李治祥，姚曙光

隨著鐵路運(yùn)輸?shù)牟粩嗵崴?，車輛間的縱向作用力不斷變大，對(duì)車輛碰撞性能的要求也不斷提高。作為沖擊質(zhì)量間彈性及阻尼元件，緩沖器起著十分重要的作用，對(duì)它的要求也越來(lái)越高[1]。緩沖器有耗散和衰減車輛之間的沖擊和振動(dòng)的功能，從而減輕對(duì)車體結(jié)構(gòu)的破壞作用，提高列車運(yùn)行的平穩(wěn)性和舒適度[2]。謝素超等[3]將整車碰撞過(guò)程中的能量吸收過(guò)程設(shè)計(jì)為4個(gè)等級(jí)，車鉤緩沖器裝置為第一等級(jí)。碰撞事故帶來(lái)的人員傷亡與經(jīng)濟(jì)損失都是非常巨大的[4]，而車鉤緩沖裝置在車輛被動(dòng)保護(hù)方面起著非常重要的作用，因此對(duì)車鉤緩沖裝置的動(dòng)態(tài)性能研究已刻不容緩?，F(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要通過(guò)動(dòng)力學(xué)仿真的手段來(lái)研究緩沖器的特性[5-7]。陳凱等[8-9]建立了一種單自由度列車模型，用來(lái)研究車輛間的撞擊特性，結(jié)果顯示在一定的速度范圍內(nèi)車鉤力與沖擊速度近似成線性關(guān)系。童小山等[10]用仿真的手段模擬了機(jī)車沖擊過(guò)程，得出最大車鉤力與沖擊速度的曲線。吳克明等[11-15]研究了不同速度下緩沖器的沖擊特性，研究了車鉤力與緩沖器行程隨撞擊速度增加而變化的一般規(guī)律。以上研究均是采用仿真的手段來(lái)研究緩沖器特性，而且由于緩沖器的真實(shí)作用過(guò)程較為復(fù)雜，在仿真中往往采用簡(jiǎn)化的模型來(lái)模擬緩沖器。相比于仿真研究，車鉤緩沖裝置的試驗(yàn)研究較少。徐倩等[16]通過(guò)大秦線縱向動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)，研究了不同編組方式和運(yùn)行工況下車鉤力以及車體縱向加速度的分布規(guī)律。薛海等[17]通過(guò)實(shí)測(cè)某重載線車鉤力—時(shí)間歷程，分析不同工況下車鉤力的特性，并進(jìn)行車鉤力譜的編制。以上試驗(yàn)都只是以車鉤力為研究對(duì)象，并沒(méi)有對(duì)緩沖器的整體動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行研究。過(guò)去，通過(guò)靜壓試驗(yàn)與落錘試驗(yàn)，對(duì)單一緩沖器的性能已進(jìn)行了比較充分的研究。但是緩沖器裝車后的工作條件和試驗(yàn)條件不盡相同，例如，在調(diào)車作業(yè)中發(fā)生成組沖擊，在列車運(yùn)行時(shí)車輛還會(huì)受到各種外力的作用，構(gòu)成一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的系統(tǒng)。落錘試驗(yàn)需要考慮到落錘下落過(guò)程中落錘與導(dǎo)向立柱之間的摩擦對(duì)整個(gè)沖擊試驗(yàn)的影響，而且通過(guò)改變落錘的質(zhì)量或高度來(lái)得到相同沖擊能量的方式是不合適的[18]。不同情況下的緩沖器工作特性有很大的區(qū)別，所以通過(guò)靜壓試驗(yàn)與落錘試驗(yàn)得到的結(jié)果與真實(shí)的條件下還是存在一定的差異。本文以某高速動(dòng)車組中間車鉤為研究對(duì)象，開(kāi)展碰撞速度大于5 km/h的多組車鉤緩沖裝置對(duì)撞試驗(yàn)，研究該緩沖器的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能。

1 車鉤緩沖裝置

某高速動(dòng)車組中間車鉤緩沖裝置采用柴田式半自動(dòng)車鉤和 W 動(dòng)作型復(fù)式橡膠緩沖器，如圖 1所示。半自動(dòng)車鉤主要包括鉤頭、鉤舌、鉤體和空氣管路等組件，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械、空氣管路和電氣的自動(dòng)連接。復(fù)式橡膠緩沖器主要由2組橡膠堆、緩沖器框體、前后擋板等附件組成。車鉤與緩沖器通過(guò)框接頭、橫銷、縱銷等部件連接。某高速動(dòng)車組中間車鉤緩沖裝置基本參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 車鉤緩沖裝置示意圖Fig. 1 Sketch of coupler buffer device

表1 車鉤緩沖裝置基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of coupler buffer device

在兩鉤進(jìn)行連掛時(shí)，凸錐插入對(duì)方車鉤相應(yīng)的凹錐孔中，凸錐的內(nèi)側(cè)面在前進(jìn)中壓迫對(duì)方車鉤的鉤舌轉(zhuǎn)動(dòng)，彈簧受拉，鉤舌沿逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)40°。凸錐繼續(xù)前進(jìn)直至完全插入凹錐中，凸錐側(cè)面不再壓迫對(duì)方車鉤鉤舌，在彈簧拉力的作用下，鉤舌沿順時(shí)針?lè)较蚧氐皆紶顟B(tài)，兩鉤連掛成功。在兩鉤進(jìn)行解鉤時(shí)，需人為轉(zhuǎn)動(dòng)解構(gòu)桿，使其逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)40°，達(dá)到解鉤狀態(tài)。兩鉤分解后，彈簧帶動(dòng)解構(gòu)桿順時(shí)針旋轉(zhuǎn)40°，恢復(fù)到原始狀態(tài)。

緩沖器在列車啟動(dòng)、制動(dòng)和連掛等工況下起著緩沖與耗能的作用。復(fù)式橡膠緩沖器由2組橡膠堆組成，分別置于立板兩側(cè)，如圖2所示。每組橡膠堆由多片緩沖器組合而成，每片緩沖器上的橡膠都是硫化在鋼板上的。鋼板的兩側(cè)各有6塊橡膠(位于緩沖器最外側(cè)的鋼板上只有一側(cè)有橡膠)，橡膠的形狀如圖2所示。中間的兩塊橡膠上方有橢圓形的凸起；兩側(cè)各2個(gè)橡膠，一個(gè)上面有圓形凸起，另一個(gè)上面是圓形下凹。將多片緩沖器安裝在一起時(shí)，上凸與下凹的結(jié)構(gòu)相互配合，可以起到一定的固定作用。

圖2 緩沖器示意圖Fig. 2 Buffer schematic

2組緩沖器都是靠一定的初壓力安裝到緩沖器框體內(nèi)，所以車鉤在不受力的情況下，2組緩沖器都是受壓的。在初壓力的作用下，立板兩側(cè)的緩沖器相互平衡，因此整個(gè)緩沖器在吸收外載荷時(shí)初壓為0。1號(hào)緩沖器的型號(hào)是GK667，自由高度是228 mm，安裝在緩沖器框體后的高度是166 mm；2號(hào)緩沖器的型號(hào)是GK669，自由高度是299 mm，安裝在緩沖器框體后的高度是212 mm。車鉤受到拉伸力時(shí)壓縮1號(hào)緩沖器，2號(hào)緩沖器漲開(kāi)并充滿整個(gè)空間；同理車鉤受到壓縮力時(shí)，壓縮2號(hào)緩沖器，1號(hào)緩沖器漲開(kāi)并充滿整個(gè)空間。因此，無(wú)論車鉤是受拉還是受壓，緩沖器都只受到壓縮力。

2 碰撞試驗(yàn)

2.1 碰撞試驗(yàn)理論基礎(chǔ)

碰撞試驗(yàn)是得到緩沖器工作特性的重要途徑。假設(shè)在碰撞過(guò)程中被沖擊車與沖擊車的質(zhì)量分別為m1和m2，則有

式中：Fc1和 Fc2分別為被沖擊車與沖擊車的車鉤力；Fa1和Fa2分別為被沖擊車與沖擊車所受的其他外力。假定2車的相對(duì)位移為ΔX，則有

由式(1)可得

引入等效質(zhì)量Me和等效外力Fae：

將Me和Fae代入式(3)并整理得

將式(6)兩邊對(duì)ΔX進(jìn)行積分，得

假設(shè)沖擊前后2車的相對(duì)速度分別為v0和v1，沖擊前后車輛的相對(duì)位移分別為ΔX0和ΔX1，則沖擊前后緩沖器勢(shì)能的變化為

現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)圍護(hù)體系由木龍骨及各種板材組成，內(nèi)部為中空，可以加以利用。一方面，墻體構(gòu)造設(shè)計(jì)將保溫措施及各種設(shè)備管線隱藏于墻體中空層，實(shí)現(xiàn)墻體自保溫及建筑設(shè)備一體化集成設(shè)計(jì)（圖7）。另一方面，利用屋蓋系統(tǒng)的中空層實(shí)現(xiàn)屋面的通風(fēng)隔熱設(shè)計(jì)。

式(8)為沖擊過(guò)程中的能量平衡方程，即緩沖器工作的能量方程。由此方程可知，車輛沖擊時(shí)，緩沖器勢(shì)能的變化等于外力對(duì)沖擊質(zhì)量作的功及沖擊質(zhì)量相對(duì)動(dòng)能變化的和。

由于2車間作用的外力很小，幾乎為0，外力在沖擊質(zhì)量相對(duì)位移變化中作的功可以省略，于是方程(8)可簡(jiǎn)化為

即緩沖器勢(shì)能的變化約等于沖擊質(zhì)量相對(duì)動(dòng)能的變化。

2.2 碰撞試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了得到某高速動(dòng)車組中間車鉤緩沖裝置的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能，開(kāi)展不同撞擊速度的多組車鉤對(duì)撞試驗(yàn)研究。

根據(jù)某高速動(dòng)車組中間車鉤緩沖裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了用于車鉤緩沖裝置安裝的工裝。整個(gè)工裝采用焊接結(jié)構(gòu)，保證在撞擊過(guò)程中能承受必須的撞擊力且不被損壞。安裝前的緩沖器是通過(guò)兩個(gè)緊固螺桿(見(jiàn)圖2)將橡膠緩沖器壓縮后固定的，安裝時(shí)先將緩沖器裝于工裝內(nèi)，再去掉緊固螺桿，使整個(gè)緩沖器充分填充于工裝預(yù)留空間內(nèi)。

車鉤緩沖裝置安裝于工裝后如圖 3(a)所示(為了方便觀察，只顯示一半工裝)。安裝前緩沖器的高度被緊固螺栓壓縮到工裝預(yù)留空間以內(nèi)，安裝后把緊固螺栓去掉后緩沖器漲開(kāi)，但緩沖器仍然處于被壓縮的狀態(tài)。緩沖器被壓縮安裝的這種狀態(tài)使得其在軸向方向很好地被固定，類似于過(guò)贏配合安裝。如圖 3(b)所示(只顯示部分工裝)，工裝在給緩沖器軸向壓縮的同時(shí)，還限制了其橫向移動(dòng)，保證了緩沖器在工作時(shí)的正確運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

圖3 緩沖器安裝于工裝后示意圖Fig. 3 Schematic diagram of the buffer installed in the fixture

為了得到車鉤在連掛過(guò)程中的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能，設(shè)計(jì)了車鉤碰撞試驗(yàn)。試驗(yàn)采用2個(gè)中間車鉤對(duì)撞的方式，將一個(gè)車鉤及工裝固定在試驗(yàn)臺(tái)車上，另一個(gè)固定在測(cè)力剛性墻上。由測(cè)速儀測(cè)得碰撞速度；由固定在剛性墻上的測(cè)力傳感器測(cè)得車鉤在連掛過(guò)程中的阻抗力；由高速攝影拍攝車鉤的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，進(jìn)而分析得到車鉤行程。運(yùn)動(dòng)臺(tái)車、工裝及車鉤總重共計(jì) 14.7 t，采用空氣炮彈射系統(tǒng)獲得不同的沖擊速度。

為保證車鉤在碰撞過(guò)程中不被一次性破壞，采用逐步增加沖擊速度的方式來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)。選擇從一個(gè)較低沖擊速度開(kāi)始試驗(yàn)，為確定最小沖擊速度，考慮沖擊動(dòng)能全部被緩沖器吸收的極限情況。車鉤對(duì)撞時(shí)2個(gè)緩沖器的壓縮容量之和是27 kJ，若此能量全部由14.7 t的臺(tái)車的動(dòng)能提供，那么臺(tái)車的速度約為7 km/h。選擇5 km/h的速度來(lái)開(kāi)始試驗(yàn)，設(shè)計(jì)試驗(yàn)工況如表2所示。

表2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)工況Table 2 Test design conditions

3 試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)工況開(kāi)展試驗(yàn)，但是由于空氣炮彈射系統(tǒng)存在不可控因素，試驗(yàn)沖擊速度與設(shè)計(jì)速度有一定的偏差。試驗(yàn)得到了5.033，7.042，7.366，8.442和10.807 km/h 5種碰撞速度下的碰撞試驗(yàn)。碰撞過(guò)程中首先是2個(gè)半圓形的鉤舌先接觸，然后在壓縮力的作用下兩鉤舌各自繞自己的旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)約 40°，同時(shí)車鉤的凸錐插入到對(duì)方車鉤的凹錐中，鉤舌在解構(gòu)桿彈簧的作用下回到原位，實(shí)現(xiàn)車鉤之間的連掛。之后繼續(xù)壓縮直到緩沖器達(dá)到最大壓縮量狀態(tài)，然后緩沖器開(kāi)始回彈，緩沖器處于被拉伸的狀態(tài)，達(dá)到緩沖器最大拉伸量狀態(tài)時(shí)，一個(gè)回程結(jié)束。之后循環(huán)往復(fù)，直到所有動(dòng)能全部消耗，碰撞結(jié)束。在5種工況下，車鉤均正常連掛。但碰撞速度為10.807 km/h時(shí)，運(yùn)動(dòng)車鉤鉤舌被壓彎，靜止車鉤正常，連掛后2車鉤無(wú)法解鎖。

車鉤力由固定在剛性墻上的測(cè)力傳感器測(cè)得，由力的傳遞性可知，靜止車鉤與運(yùn)動(dòng)車鉤的車鉤力是相同的。圖4中，車鉤力為正時(shí)，緩沖器處于壓縮狀態(tài)；車鉤力為負(fù)時(shí)，緩沖器處于拉伸狀態(tài)。在2車鉤連掛時(shí)，車鉤力在短時(shí)間內(nèi)迅速增加并達(dá)到最大值，之后由于壓縮過(guò)程中儲(chǔ)存在緩沖器內(nèi)的能量開(kāi)始釋放，使得緩沖器回彈，車鉤力開(kāi)始減小直到減小到 0，壓縮過(guò)程結(jié)束。緊接著，車鉤進(jìn)入與壓縮過(guò)程一致的拉伸階段。由于在車鉤在壓縮過(guò)程中有一部分能量的耗散，使得進(jìn)入拉伸階段后得到的最大拉伸力比最大壓縮力小很多，而且拉伸階段要比壓縮階段的持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。對(duì)比不同速度的車鉤力可以看出，當(dāng)碰撞速度增大時(shí)，緩沖器每完成一個(gè)壓縮-拉伸的回程的時(shí)間變短，最大壓鉤力變大，最大拉鉤力也變大。但是由于碰撞速度是 10.807 km/h時(shí)車鉤已經(jīng)出現(xiàn)損壞，此時(shí)的最大拉鉤力要比幾個(gè)低速碰撞下的要小。

圖4 車鉤力-時(shí)間曲線Fig. 4 Coupler force-time curves

通過(guò)對(duì)高速攝影拍到車鉤碰撞圖像分析，得到靜止車鉤與運(yùn)動(dòng)車鉤的緩沖器壓縮量如圖5所示。隨著撞擊速度的變大，緩沖器最大壓縮量逐漸變大。對(duì)于靜止端緩沖器，在車鉤壓縮過(guò)程中，隨沖擊速度的增大，最大壓縮量的變化較為規(guī)律，而拉伸階段并沒(méi)有呈現(xiàn)出較好的變化規(guī)律。而對(duì)于運(yùn)動(dòng)端緩沖器，無(wú)論是在壓縮階段還是拉伸階段，都呈現(xiàn)出了較好的變化規(guī)律。對(duì)比圖5(a)和5(b)，在相同的撞擊速度下，運(yùn)動(dòng)車鉤緩沖器的壓縮量要比靜止車鉤緩沖器的壓縮量要大。靜止端與運(yùn)動(dòng)端在同一撞擊速度下完成一個(gè)壓縮-拉伸回程的時(shí)間基本一致，在碰撞速度是10.807 km/h時(shí)，靜止端緩沖器的最大壓縮量是53.33 mm，小于該緩沖器的設(shè)計(jì)行程56 mm。但是運(yùn)動(dòng)端緩沖器的最大壓縮量在碰撞速度是7.042 km/h時(shí)就已經(jīng)達(dá)到了55.94 mm，在碰撞為7.366，8.422和10.807 km/h的工況下，運(yùn)動(dòng)端緩沖器的最大壓縮量都超過(guò)了設(shè)計(jì)行程。只有當(dāng)碰撞速度是10.807 km/h時(shí)，車鉤出現(xiàn)破壞的情況，說(shuō)明盡管該緩沖器的設(shè)計(jì)行程是56 mm，但是在超過(guò)這個(gè)值的一定范圍內(nèi)，該車鉤緩沖裝置仍能正常工作。

圖5 緩沖器壓縮量-時(shí)間曲線Fig. 5 Buffer displacement-time curves

當(dāng)碰撞速度達(dá)到10.807 km/h時(shí)，車鉤力的變化和靜止端緩沖器壓縮量的變化偏離了前面幾個(gè)速度較低的工況下的變化趨勢(shì)，但是這只發(fā)生在拉伸段。為了得到緩沖器的動(dòng)態(tài)性能曲線，只需要壓縮段的車鉤力與緩沖器壓縮量的數(shù)據(jù)，所以5個(gè)工況下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均可用來(lái)分析該緩沖器的動(dòng)態(tài)性能特性。

由車鉤力-時(shí)間歷程和緩沖器壓縮量-時(shí)間曲線合成得到第一個(gè)循環(huán)的壓縮過(guò)程的緩沖器特性曲線，如圖6所示。從圖中可以看出，隨著碰撞速度的增大，包絡(luò)線的范圍也變大，這就意味著緩沖器吸收的能量也就越多。撞擊速度從5.030 km/h到7.042 km/h，加載曲線是變高的；但是撞擊速度從8.442 km/h到10.807 km/h時(shí)，加載曲線確實(shí)降低的。這說(shuō)明車鉤緩沖器在真實(shí)的碰撞過(guò)程中并不是完全走同一條加載曲線，在一定的碰撞速度范圍內(nèi)，隨著碰撞速度的提高，加載曲線會(huì)相應(yīng)的升高；當(dāng)超過(guò)臨界碰撞速度時(shí)，隨著碰撞速度的提高。加載曲線會(huì)相應(yīng)的降低。靜止車鉤緩沖器和運(yùn)動(dòng)車鉤緩沖器得到的特性曲線都應(yīng)正了這一點(diǎn)。碰撞試驗(yàn)得到的整體結(jié)果見(jiàn)表3。

圖6 車鉤力-緩沖器壓縮量曲線Fig. 6 Coupler force-buffer compression curves

表3 碰撞試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Impact test results

4 落錘試驗(yàn)與碰撞試驗(yàn)對(duì)比

落錘試驗(yàn)是在車輛緩沖器落錘試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行的。錘重12 t，錘高160 mm得到的某高速動(dòng)車組中間車鉤緩沖器的特性曲線如圖7實(shí)線所示。

取碰撞速度是5.030 km/h到8.442 km/h 4個(gè)工況的靜止端與運(yùn)動(dòng)端緩沖器特性曲線與落錘試驗(yàn)得到的緩沖器特性曲線對(duì)比，如圖7所示。從圖7可以看出，碰撞試驗(yàn)靜止端緩沖器的特性曲線與落錘試驗(yàn)得到的特性曲線走勢(shì)基本一致。而碰撞試驗(yàn)中運(yùn)動(dòng)端緩沖器的壓縮量較大，因此，由運(yùn)動(dòng)端緩沖器得到的特性曲線與落錘試驗(yàn)得到的特性曲線有差別。碰撞試驗(yàn)中靜止端緩沖器與落錘試驗(yàn)中的緩沖器在2個(gè)試驗(yàn)中都是被撞端，因此二者得到的特性曲線較為一致。由此可見(jiàn)，碰撞試驗(yàn)得到的緩沖器特性曲線是正確的。

圖7 緩沖器落錘試驗(yàn)與碰撞試驗(yàn)特性曲線對(duì)比Fig. 7 Comparison of dynamic and static characteristics of buffer

相比于落錘試驗(yàn)，碰撞試驗(yàn)?zāi)芊从吵鲕囥^的連掛特性，而且能得到運(yùn)動(dòng)端與靜止端緩沖器的特性曲線之間的差別。由上面的對(duì)比可知，落錘試驗(yàn)得到的特性曲線可以很好地應(yīng)用于被撞車的車鉤緩沖器，但應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)車的車鉤緩沖器并不很合適。有必要對(duì)緩沖器進(jìn)行碰撞試驗(yàn)來(lái)獲取其真實(shí)的特性曲線。

5 結(jié)論

1) 當(dāng)碰撞速度增大時(shí)，緩沖器每完成一個(gè)壓縮-拉伸的回程的時(shí)間變短，碰撞速度是10.807 km/h時(shí)車鉤已經(jīng)出現(xiàn)損壞。

2) 在相同的撞擊速度下，運(yùn)動(dòng)車鉤緩沖器的壓縮量要比靜止車鉤緩沖器的最大壓縮量要大。盡管某高速動(dòng)車組中間車鉤緩沖器的設(shè)計(jì)行程是 56 mm，但是在超過(guò)這個(gè)值的一定范圍內(nèi)，緩沖器仍能正常工作。

3) 落錘試驗(yàn)得到的特性曲線可以很好地應(yīng)用于被撞車的車鉤緩沖器，但應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)車的車鉤緩沖器并不很合適。車鉤緩沖器在真實(shí)的碰撞過(guò)程中并不是完全走同一條加載曲線，在一定的碰撞速度范圍內(nèi)，隨著碰撞速度的提高，加載曲線會(huì)相應(yīng)的升高；當(dāng)超過(guò)臨界碰撞速度時(shí)，隨著碰撞速度的提高，加載曲線會(huì)相應(yīng)的降低。

4) 碰撞試驗(yàn)可以很好地反應(yīng)車鉤的連掛特性，并能夠得到運(yùn)動(dòng)端與靜止端緩沖器的不同的性能曲線，所以有必要對(duì)緩沖器進(jìn)行碰撞試驗(yàn)來(lái)獲取其真實(shí)的特性曲線。

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