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        自動(dòng)旅客運(yùn)輸系統(tǒng)車輛全自動(dòng)鉤緩裝置設(shè)計(jì)

        2019-11-13 05:49:42包佳健錢名鑫勾洪浩趙金寶
        城市軌道交通研究 2019年10期
        關(guān)鍵詞:車鉤全自動(dòng)電磁閥

        包佳健 錢名鑫 勾洪浩 趙金寶

        (1. 中車浦鎮(zhèn)龐巴迪運(yùn)輸系統(tǒng)有限公司,241060,蕪湖;2. 中車青島四方車輛研究所有限公司,266031,青島//第一作者,工程師)

        根據(jù)自動(dòng)旅客運(yùn)輸(APM)系統(tǒng)對(duì)車輛的要求,本文設(shè)計(jì)開發(fā)了一款適用于APM車輛特點(diǎn)的全自動(dòng)鉤緩沖裝置。

        1 APM車輛鉤緩裝置的要求

        車輛鉤緩裝置作為軌道交通車輛的安全配置,必須具備足夠的強(qiáng)度、簡(jiǎn)單可靠的連掛和解鉤功能,并能很好地吸收車輛牽引和緩沖過程中產(chǎn)生的能量。常規(guī)軌道交通車輛的鉤緩裝置系統(tǒng)通常由半/全自動(dòng)車鉤、半永久車鉤組成,其車輛的鉤緩配置如圖1所示。

        APM系統(tǒng)的車輛設(shè)計(jì)和線路設(shè)計(jì)有其特殊要求:①需滿足車輛靈活編組要求;②需滿足最小水平曲線半徑22 m的線路設(shè)計(jì);③需滿足線路最大持續(xù)坡度10%等設(shè)計(jì)需求。

        為滿足以上APM需求,本文重新設(shè)計(jì)開發(fā)了一套適合APM車輛的全自動(dòng)鉤緩裝置。

        2 APM車輛鉤緩裝置總體設(shè)計(jì)

        圖2 APM列車編組形式示意圖

        PBTS膠輪路輪APM車輛的編組可由1節(jié)至6節(jié)靈活設(shè)置,在車輛兩端分別采用全自動(dòng)鉤緩裝置。1~4節(jié)編組的APM列車如圖2所示。

        2. 1 總體方案

        APM車輛全自動(dòng)鉤緩裝置采用模塊化的設(shè)計(jì),主要由連掛系統(tǒng)、緩沖系統(tǒng)、安裝吊掛系統(tǒng)等模塊組成,如圖3所示。

        圖3 APM全自動(dòng)鉤緩裝置示意圖

        APM車輛全自動(dòng)鉤緩裝置主要由機(jī)械鉤頭、電氣車鉤及緩沖器3部分組成,能滿足以下技術(shù)要求:

        1) 連掛時(shí)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)機(jī)械、電氣和風(fēng)路的連接;分解時(shí)操作者按解鉤按鈕后,可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)分解。

        2) 電氣車鉤在連掛時(shí)自動(dòng)伸出,分解時(shí)自動(dòng)縮回,需配備以太網(wǎng)通信接口。

        3) 非連掛模式下車鉤保持自動(dòng)對(duì)中。

        4) 滿足1列超載狀態(tài)(AW3)的列車以5 km/h或8 km/h的速度與1列處于停放制動(dòng)狀態(tài)的AW3列車連掛的碰撞工況;

        5) 縱向壓縮屈服強(qiáng)度≥400 kN,縱向拉伸屈服強(qiáng)度≥300 kN。

        2. 2 與常規(guī)地鐵車輛鉤緩裝置的區(qū)別

        APM車輛全自動(dòng)鉤緩沖裝置與常規(guī)地鐵車輛全自動(dòng)鉤緩裝置的基本功能相同。二者的區(qū)別主要有以下方面:

        1) 與常規(guī)地鐵車輛鉤緩裝置壓縮屈服強(qiáng)度≥1 250 kN、拉伸屈服強(qiáng)度≥850 kN相比,APM車輛全自動(dòng)鉤緩裝置的設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求較低。

        2) APM車輛鉤緩裝置更加緊湊,長(zhǎng)度僅1 130 mm;而地鐵車輛全自動(dòng)鉤緩裝置長(zhǎng)度通常約為1 700 mm。

        3) 為增大自動(dòng)連掛范圍,APM車輛鉤緩裝置鉤頭增加了導(dǎo)引桿。

        4) APM車輛鉤緩裝置的電氣車鉤更為復(fù)雜,增加了以太網(wǎng)模塊及動(dòng)態(tài)觸點(diǎn)接觸組件,且觸點(diǎn)芯數(shù)較多。

        5) APM車輛鉤緩裝置的推送控制系統(tǒng)更加復(fù)雜。

        3 APM車輛全自動(dòng)鉤緩裝置組成及功能

        3. 1 連掛系統(tǒng)

        APM車輛全自動(dòng)鉤緩裝置的連掛系統(tǒng)集成了機(jī)械車鉤、電氣車鉤和風(fēng)管連接器,實(shí)現(xiàn)機(jī)械、電氣和風(fēng)路的自動(dòng)連接和分解。

        3. 1. 1 機(jī)械車鉤

        機(jī)械車鉤內(nèi)部主要由鉤舌、連掛桿、回復(fù)彈簧、解鉤氣缸等組成,如圖4所示。工作狀態(tài)有連掛位(同時(shí)也是待掛位)和全開位2種狀態(tài),如圖5所示。

        圖4 機(jī)械車鉤內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

        圖5 機(jī)械車鉤連掛和全開狀態(tài)示意圖

        連掛時(shí),兩車鉤相互撞擊,鉤體內(nèi)部的鉤舌等機(jī)構(gòu)發(fā)生順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。在兩鉤相互連掛過程中,對(duì)方鉤體的凸錐推動(dòng)本鉤鉤舌等連掛機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)到最大角度,到達(dá)全開位,然后在回復(fù)彈簧的作用下迅速回復(fù)到鎖定位,完成機(jī)械連接。

        解鉤時(shí),向解鉤氣缸充風(fēng)或者人工拉動(dòng)解鉤手柄,使內(nèi)部的鉤舌及其它機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)到最大角度,到達(dá)全開位,此時(shí)兩車鉤可以正常分離。釋放解鉤手柄后,在回復(fù)彈簧力的作用下,鉤舌等其它內(nèi)部機(jī)構(gòu)回復(fù)到待連掛位。

        3. 1. 2 風(fēng)管連接器

        機(jī)械車鉤下部集成有自閉塞式的主風(fēng)管連接器,如圖6所示。風(fēng)管連接器可以在列車連掛時(shí)自動(dòng)連通列車管路,在列車分解時(shí)自動(dòng)關(guān)斷列車管路。

        圖6 風(fēng)管連接器連掛后風(fēng)路示意圖

        3. 1. 3 電氣車鉤及推送控制系統(tǒng)

        針對(duì)APM車輛要求所設(shè)計(jì)研發(fā)的電氣車鉤及推送控制系統(tǒng),其電氣車鉤可在推送控制系統(tǒng)的作用下實(shí)現(xiàn)兩列車電氣線路的自動(dòng)連掛和分離。當(dāng)車鉤處于非連掛狀態(tài)時(shí),電氣車鉤在推送控制系統(tǒng)的作用下,處于回縮狀態(tài),前蓋關(guān)閉保持密封;當(dāng)車鉤處于連掛狀態(tài)時(shí),先完成機(jī)械車鉤的連掛,隨后推送控制系統(tǒng)將電氣車鉤向前推出,同時(shí)打開前蓋,使電氣車鉤連掛面緊靠在一起,實(shí)現(xiàn)連掛。

        如圖7所示,電氣車鉤主要由殼體、絕緣面板、前蓋、插針及插孔等接觸組件組成,其中,絕緣面板包含56對(duì)插針插孔接觸組件、12對(duì)動(dòng)態(tài)觸頭以及4組8芯以太網(wǎng)絡(luò)模塊。非連掛狀態(tài)時(shí),配對(duì)的動(dòng)觸點(diǎn)與靜觸點(diǎn)實(shí)現(xiàn)短接;連掛時(shí)動(dòng)觸點(diǎn)與靜觸點(diǎn)的短接自動(dòng)斷開。車體端的哈丁連接器內(nèi)采用了相應(yīng)的8芯以太網(wǎng)模塊,用于傳輸以太網(wǎng)信號(hào)。

        圖7 APM車輛電氣車鉤示意圖

        推送控制系統(tǒng)由推送機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)構(gòu)成。推送機(jī)構(gòu)是電氣車鉤的驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)??刂葡到y(tǒng)采用了電氣控制的方式,其元器件如表1所示,控制原理如圖8所示。

        表1 車鉤連掛/解鉤控制系統(tǒng)元器件列表

        圖8 車鉤連掛/解鉤控制系統(tǒng)氣路原理圖

        車鉤連掛時(shí),兩車撞擊完成機(jī)械連掛,限位開關(guān)S1和S2反饋機(jī)械車鉤連掛完成信號(hào),將連掛到位信號(hào)反饋至車輛控制端;同時(shí)給電磁閥EV1通電,雙控2位5通電磁閥轉(zhuǎn)換方向,電氣車鉤推出,對(duì)中氣缸無氣路通過,氣動(dòng)對(duì)中切除,從而完成自動(dòng)連掛。

        車鉤解鉤時(shí),按下解鉤按鈕,連掛反饋信號(hào)立即消失,電磁閥EV2通電,雙控2位5通電磁閥轉(zhuǎn)換方向,電氣車鉤縮回,對(duì)中氣路恢復(fù)連通,車鉤對(duì)中功能恢復(fù);同時(shí)電鉤縮回到位后觸發(fā)限位開關(guān)S3閉合,電磁閥EV3通電,單控2位5通電磁閥換向,解鉤氣缸充氣;解鉤氣缸頂推鉤舌完成解鉤動(dòng)作,隨后可分離兩車。

        關(guān)閉氣動(dòng)控制手動(dòng)截止閥,可將整個(gè)氣動(dòng)控制回路關(guān)閉,電氣車鉤伸縮動(dòng)作、機(jī)械解鉤動(dòng)作失效,氣動(dòng)對(duì)中切除。保持氣動(dòng)控制手動(dòng)截止閥打開,只關(guān)閉氣動(dòng)對(duì)中手動(dòng)截止閥,可只切除氣動(dòng)對(duì)中。

        3. 2 緩沖系統(tǒng)

        緩沖系統(tǒng)主要由緩沖器殼體、緩沖器芯子、環(huán)簧等組成,如圖9所示。鉤緩裝置采用拉壓獨(dú)立的緩沖方式,受拉時(shí)環(huán)彈簧起到緩沖作用,受壓時(shí)緩沖器芯子起到緩沖作用。

        圖9 緩沖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

        3. 3 安裝吊掛系統(tǒng)

        安裝吊掛系統(tǒng)主要有3個(gè)作用,分別是:將全自動(dòng)鉤緩裝置連接到車體,并傳遞力;通過垂向支撐設(shè)施為整個(gè)鉤緩裝置提供垂向支撐及調(diào)節(jié)鉤高的功能;通過氣動(dòng)對(duì)中設(shè)施使非連掛狀態(tài)下的鉤緩裝置保持在對(duì)中位置,便于車鉤的連掛。

        4 能量吸收性能仿真分析

        按照列車縱向動(dòng)力學(xué)理論,可將整列車視為由鉤緩裝置連接的若干單自由度(縱向)質(zhì)點(diǎn)。通過對(duì)質(zhì)點(diǎn)系運(yùn)動(dòng)微分方程組的逐步求解,計(jì)算整個(gè)碰撞過程各個(gè)車位的加速度、車鉤力、速度等指標(biāo),研究不同工況下鉤緩裝置的受力情況和能量吸收情況。

        通過仿真計(jì)算得出:1列4輛編組的AW3列車以5 km/h速度與另1列靜止并處于停放制動(dòng)狀態(tài)的4輛編組AW3列車沖擊后,最大車鉤力為223.5 kN;1列4輛編組的AW3列車以8 km/h速度與另1列靜止并處于停放制動(dòng)狀態(tài)的4輛編組AW3列車沖擊后,最大車鉤力為315.7 kN,如圖10所示。這2種工況下的最大車鉤力均小于縱向壓縮屈服強(qiáng)度400 kN。

        圖10為2列列車以8 km/h碰撞時(shí)的分析模型和車鉤最大受力斷面圖。其結(jié)果表明,全自動(dòng)鉤緩裝置能夠完全吸收列車低速(v≤8 km/h)碰撞過程中產(chǎn)生的沖擊能量,滿足設(shè)計(jì)要求。

        圖10 2列車碰撞的分析模型

        5 結(jié)語

        本文根據(jù)APM車輛要求,設(shè)計(jì)開發(fā)了一套適用于APM車輛的全自動(dòng)鉤緩裝置。介紹了該鉤緩裝置的連掛系統(tǒng)、電氣車鉤、推送控制系統(tǒng)及安裝吊掛系統(tǒng)等核心模塊的組成、工作原理及功能。通過采用列車縱向動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算可知,全自動(dòng)鉤緩裝置能夠吸收要求的碰撞工況沖擊能量,滿足設(shè)計(jì)要求。

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