楊慶龍

(中車(chē)戚墅堰機(jī)車(chē)車(chē)輛工藝研究所有限公司 江蘇 常州 213011)

1 項(xiàng)目背景

空軌列車(chē)可構(gòu)建“立體交通”體系，減少平面道路交叉。空軌列車(chē)不占用地面，無(wú)須動(dòng)遷，無(wú)污染，可作為區(qū)域微循環(huán)和郊區(qū)新城與軌道線的延伸和補(bǔ)充，以及重點(diǎn)發(fā)展區(qū)域的配套路網(wǎng)需要，補(bǔ)充軌道交通未覆蓋的問(wèn)題。造價(jià)是地鐵的1/5，運(yùn)營(yíng)成本是地鐵的1/4，主要部件全部為鋼結(jié)構(gòu)，可建可拆，零垃圾，拆卸后可循環(huán)利用[1-2]。對(duì)于各個(gè)城市來(lái)說(shuō)都是很好的選擇，市場(chǎng)前景十分廣闊。運(yùn)營(yíng)線路在空中，不干擾周?chē)用裆钚菹ⅲ芍苯舆M(jìn)入建筑樓宇，可沿道路的綠化隔離帶建設(shè)，與周?chē)h(huán)境相得益彰，既是交通運(yùn)輸線，又可美化成為景觀線。

2 車(chē)輛信息與技術(shù)要求

2.1 車(chē)輛信息

列車(chē)速度為50 km/h左右，每小時(shí)能單向運(yùn)輸1.5萬(wàn)人次。

2.2 技術(shù)參數(shù)

車(chē)鉤緩沖裝置的技術(shù)要求如表1所示。

表1 鉤緩裝置技術(shù)條件

3 選型設(shè)計(jì)

根據(jù)車(chē)輛應(yīng)用工況及技術(shù)要求，研制了密接式車(chē)鉤緩沖裝置。懸掛式空軌列車(chē)為2輛編組。編組方式為：+ Mc = Mc +。其中：Mc為帶司機(jī)室的動(dòng)車(chē)；+為全自動(dòng)車(chē)鉤；=為半永久牽引桿。

車(chē)輛端部采用全自動(dòng)車(chē)鉤，中間采用半永久車(chē)鉤。全自動(dòng)車(chē)鉤可以自動(dòng)實(shí)現(xiàn)機(jī)械、電氣的聯(lián)掛與分解，半永久車(chē)鉤的連接與分解需要手動(dòng)完成。

項(xiàng)目的難點(diǎn)在于：輕量化設(shè)計(jì)，與地鐵車(chē)輛車(chē)鉤緩沖裝置相比，車(chē)鉤功能要求一致，但是要求車(chē)鉤整體在體積、重量方面做出“小”和“輕”的設(shè)計(jì)，給設(shè)計(jì)增加了很大的難度。

3.1 全自動(dòng)車(chē)鉤緩沖裝置

全自動(dòng)鉤緩裝置位于列車(chē)兩頭(見(jiàn)圖1)，能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)械、電氣的自動(dòng)連接與分解，在需要時(shí)可手動(dòng)解鉤。全自動(dòng)車(chē)鉤緩沖裝置采用QG全自動(dòng)車(chē)鉤裝置、彈性體緩沖器組合方案。其中車(chē)鉤裝置與彈性體緩沖器是專(zhuān)為輕軌設(shè)計(jì)的輕量化產(chǎn)品。

圖1 全自動(dòng)車(chē)鉤緩沖裝置示意圖

采用QG330型車(chē)鉤，機(jī)械車(chē)鉤上部集成電氣車(chē)鉤?？蓪?shí)現(xiàn)機(jī)械、電氣的自動(dòng)連接與分解。

緩沖器選擇適用于輕軌的彈性體緩沖器，相較于膠泥緩沖器，在實(shí)現(xiàn)同樣吸能要求的情況下，具有重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，能夠滿(mǎn)足輕軌車(chē)輛、空軌車(chē)輛的要求。

3.2 半永久車(chē)鉤緩沖裝置

半永久車(chē)鉤緩沖裝置如圖2所示，用于連接兩節(jié)車(chē)廂，傳遞牽引力并緩和沖擊，其連接和分解需手工操作。半永久車(chē)鉤緩沖裝置分為兩部分：一部分為帶緩沖器方案；另一部分采用不帶緩沖器的牽引桿方案。兩部分在列車(chē)單元內(nèi)部配對(duì)使用，采用卡環(huán)連接。

因?yàn)榭哲壾?chē)輛較輕，能量吸收較小，并且為了節(jié)約成本并減輕產(chǎn)品重量，配對(duì)使用的半永久車(chē)鉤只需一端車(chē)鉤中設(shè)置緩沖器即可。

圖2 半永久車(chē)鉤緩沖裝置

4 驗(yàn)證分析

4.1 仿真計(jì)算

4.1.1靜力學(xué)強(qiáng)度計(jì)算

為指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計(jì)選材，并進(jìn)行產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)產(chǎn)品中關(guān)鍵受力件進(jìn)行有限元計(jì)算，以驗(yàn)證強(qiáng)度是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。圖3所示為部分有限元計(jì)算模型。

圖3 鉤體與鉤鎖組件有限元計(jì)算模型

計(jì)算結(jié)果表明，分別在280 kN的極限拉伸力和壓縮力作用力下，各關(guān)鍵受力件的最大應(yīng)力均不超過(guò)材料的屈服極限，強(qiáng)度滿(mǎn)足要求。圖4、圖5分別為280 kN壓力下鉤體應(yīng)力云圖與鉤鎖連接桿應(yīng)力云圖。

圖4 280 kN壓力下鉤體應(yīng)力云圖

圖5 280 kN拉力下鉤鎖連接桿應(yīng)力云圖

4.1.2動(dòng)力學(xué)分析計(jì)算

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的車(chē)鉤緩沖裝置，在3 km/h速度下進(jìn)行相互掛鉤或相互碰撞的計(jì)算分析。將列車(chē)看作一個(gè)含有質(zhì)量、剛度及阻尼的多剛體系統(tǒng)，每節(jié)車(chē)簡(jiǎn)化為單個(gè)質(zhì)點(diǎn)，該質(zhì)點(diǎn)僅有縱向自由度。列出動(dòng)車(chē)組中每輛車(chē)的動(dòng)力學(xué)方程，運(yùn)用數(shù)值方法對(duì)列車(chē)的縱向運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行分析計(jì)算。

兩車(chē)的連掛碰撞方式為：train1以一定速度連掛碰撞靜止車(chē)輛train2，其中train1的3車(chē)全自動(dòng)車(chē)鉤與train2的1車(chē)全自動(dòng)車(chē)鉤之間為連掛碰撞面，如圖6所示。

注：A—彈性體緩沖器+防爬器；B—彈性體緩沖器。圖6 連掛碰撞方式示意圖

計(jì)算結(jié)果表明：

2列車(chē)在AW0狀態(tài)下，以3 km/h的速度沖擊時(shí)，最大車(chē)鉤力為135 kN，沖擊能量全部由緩沖器吸收，車(chē)體不變形，最大加速度值約為0.56g。

4.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

按照技術(shù)要求以及TB/T 2399標(biāo)準(zhǔn)對(duì)車(chē)鉤進(jìn)行了靜強(qiáng)度試驗(yàn)如圖7所示。

圖7 全自動(dòng)車(chē)鉤強(qiáng)度試驗(yàn)

試驗(yàn)結(jié)果表明，車(chē)鉤緩沖裝置在280 kN極限拉伸力與280 kN極限壓縮力的作用下， 各關(guān)鍵零部件變形量均小于±0.2%，無(wú)塑性變形發(fā)生，滿(mǎn)足靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

中車(chē)戚墅堰機(jī)車(chē)車(chē)輛工藝研究所有限公司研發(fā)的空軌列車(chē)用車(chē)鉤緩沖裝置通過(guò)了業(yè)主的首件鑒定(見(jiàn)圖8)，并成功在中車(chē)南京浦鎮(zhèn)車(chē)輛有限公司懸掛式空軌列車(chē)中裝車(chē)應(yīng)用。

產(chǎn)品所應(yīng)用列車(chē)的成功下線標(biāo)志著我國(guó)已具備空軌列車(chē)的生產(chǎn)能力，從而使我國(guó)成為繼德國(guó)和日本之后世界上第3個(gè)擁有空軌列車(chē)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的國(guó)家。 產(chǎn)品已經(jīng)交付業(yè)主使用， 到目前為止，隨車(chē)運(yùn)行狀況良好。

圖8 懸掛式空鐵列車(chē)