侯本虎，劉青波

(中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司 國(guó)家軌道客車工程研究中心，吉林 長(zhǎng)春 130062)*

鉤緩系統(tǒng)是連接軌道交通車輛的重要組成部分，它連通了兩節(jié)車輛之間的氣路和電路，傳遞車輛之間的牽引力，同時(shí)還在調(diào)車、制動(dòng)等過(guò)程中傳遞縱向沖擊力［1-2］.除此之外，鉤緩系統(tǒng)在列車連掛運(yùn)行和發(fā)生碰撞事故的瞬間，可以耗散大部分的撞擊動(dòng)能，從而起到保護(hù)司乘人員安全的目的［3-4］.隨著軌道車輛的不斷提速，鉤緩系統(tǒng)的對(duì)車輛發(fā)生意外撞擊時(shí)的能量吸收能力要求越來(lái)越高.

一般在低速或者車輛連掛速度等級(jí)下，列車所產(chǎn)生的能量完全可以通過(guò)車鉤可恢復(fù)性緩沖器進(jìn)行吸收，一旦撞擊的速度增加超過(guò)這個(gè)界限，車鉤將會(huì)發(fā)生破壞，觸發(fā)壓潰管進(jìn)行吸能［5］.在列車被動(dòng)安全領(lǐng)域，英國(guó)通過(guò)車輛實(shí)車的試驗(yàn)驗(yàn)證了車輛事故發(fā)生時(shí)的撞擊效果，最終形成了EN15227列車的耐撞性能標(biāo)準(zhǔn)［6］;隨后美國(guó)和法國(guó)等國(guó)家也對(duì)鐵路車輛進(jìn)行了相關(guān)的試驗(yàn)驗(yàn)證［7-8］，驗(yàn)證了列車車輛的分級(jí)吸能方案;Varanis M等人［9］利用彈簧和阻尼結(jié)合的方式模擬車輛之間的非線性關(guān)系，來(lái)滿足車輛之間的連掛關(guān)系;肖守訥等人［10-11］利用LS-DYNA中119號(hào)材料模擬車鉤的加載和卸載曲線特性，來(lái)模擬驗(yàn)證車輛的車鉤設(shè)計(jì)曲線是否滿足能量吸收要求.

綜上所述，目前鉤緩裝置模擬方法和碰撞能量管理的設(shè)計(jì)理念［12-13］較為全面，但是不同的碰撞速度對(duì)鉤緩裝置各界面的吸能變化規(guī)律研究相對(duì)較少，因此，通過(guò)列車車輛在不同碰撞速度條件下各界面的能量耗散來(lái)研究鉤緩系統(tǒng)的能量吸收規(guī)律.

1 鉤緩配置

1.1 鉤緩裝置組成

車鉤緩沖裝置主要由車鉤緩沖系統(tǒng)和壓潰管相互串聯(lián)而成，緩沖器的目的主要是緩解列車在正常運(yùn)行過(guò)程中或者正常聯(lián)掛過(guò)程中產(chǎn)生的沖擊能量，提高列車運(yùn)行的平穩(wěn)性和舒適性.而當(dāng)列車在非正常運(yùn)行條件下或者較高速度條件下撞擊時(shí)，將會(huì)觸發(fā)車鉤壓潰管，此時(shí)緩沖器和壓潰管兩者會(huì)同時(shí)吸收撞擊能量，保護(hù)車輛和司乘人員安全.

本文采用在地鐵車輛中較為常用的EFG3橡膠緩沖器進(jìn)行模擬分析，EFG3橡膠緩沖器屬于可復(fù)原型能量吸收元件，由三組環(huán)形的橡膠件組成，主要依靠橡膠內(nèi)部分子之間的摩擦和彈性變形起到來(lái)緩解撞擊以及耗散能量，在車輛牽引和壓縮兩個(gè)方向均具有一定的彈性變形范圍［14-15］.

車鉤壓潰管屬于不可復(fù)原型能量吸收元件，以可變形的膨脹管為主，能量吸收率較高，安裝于車鉤桿上，管件的管口安裝有略大于管口直徑的膨脹塊，可以吸收較高速度的沖擊，當(dāng)緩沖器能量吸收不足時(shí)，會(huì)觸發(fā)壓潰管通過(guò)自身的管件的膨脹來(lái)吸收能量.車鉤緩沖器和壓潰管觸發(fā)示意圖如圖1所示.

1.2 碰撞動(dòng)力學(xué)

目前，現(xiàn)成的物理和數(shù)學(xué)模型只能建立部分現(xiàn)象和問(wèn)題的方程，而對(duì)于復(fù)雜的現(xiàn)象或問(wèn)題，比如涉及到非線性大變形的列車碰撞過(guò)程，就無(wú)法利用現(xiàn)成的數(shù)學(xué)方程來(lái)表述，但是根據(jù)影響系統(tǒng)中各參數(shù)之間的因果關(guān)系可以在模型設(shè)計(jì)暴露系統(tǒng)中的物理實(shí)質(zhì).

對(duì)于不同的模型和不同的模型對(duì)象，可選用不同的量綱參數(shù)進(jìn)行求解，根據(jù)E.Buckingham對(duì)于物理現(xiàn)象的研究過(guò)程中，提出了用基本物理量和導(dǎo)出物理量的關(guān)系，結(jié)合一般機(jī)械結(jié)構(gòu)模型的特點(diǎn)，得出普遍現(xiàn)象的通用理論［16］:

圖1 鉤緩系統(tǒng)吸能順序示意圖

式中:m代表質(zhì)量，a代表加速度，v代表速度，x代表長(zhǎng)度，F(xiàn)代表系統(tǒng)作用激勵(lì)，t代表時(shí)間.

根據(jù)文獻(xiàn)［8］中對(duì)車輛碰撞彈塑性行為變形的模擬，車輛之間以及輪軌之間的關(guān)系通過(guò)彈簧和阻尼來(lái)模擬非線性的行為，可得出地鐵列車的碰撞動(dòng)力學(xué)運(yùn)動(dòng)方程為:

其中:［M］、［C］、［K］分別為地鐵列車系統(tǒng)的質(zhì)量、阻 尼 和 剛 度 矩 陣; {(t )}、 {(t )}、{ X (t)}分別為地鐵列車系統(tǒng)的加速度、速度和位移向量;{F}、{P } 分別為地鐵列車系統(tǒng)的外部作用力向量和接觸界面力向量(僅碰撞界面).

2 碰撞模擬

2.1 碰撞模型的建立

本文以某6輛編組的地鐵車輛為研究對(duì)象，建立列車碰撞動(dòng)力學(xué)模型，如圖2所示，鉤緩系統(tǒng)分為頭鉤全自動(dòng)車鉤、中間半自動(dòng)車鉤和中間半永久車鉤三種，根據(jù)列車中間界面的碰撞吸能規(guī)律建立了三種配置的半永久鉤緩裝置.

圖2 列車碰撞動(dòng)力學(xué)模型

全自動(dòng)車鉤具有自動(dòng)連掛和自動(dòng)解鉤的功能，用于列車之間的連接，半自動(dòng)車鉤用于編組單元(Tc-Mp-M為一個(gè)編組單元)之間的連接，可以自動(dòng)連掛，但需手動(dòng)解鉤，半永久車鉤永久編組單元內(nèi)部車輛之間的連接，需手動(dòng)連掛和手動(dòng)解鉤，車鉤配置具體參數(shù)如表1所示.

表1 鉤緩系統(tǒng)配置參數(shù)匯總表

根據(jù)不同的碰撞速度建立了包括(5，8，10，15，20 km/h)在內(nèi)的五種碰撞工況，分別針對(duì)不同速度條件下，車鉤緩沖器和壓潰管的具體壓縮特性進(jìn)行研究，具體碰撞工況如表2所示.

本文以以一般B型地鐵車輛的重量進(jìn)行設(shè)置，Tc車質(zhì)量33t，Mp/M車質(zhì)量35 t.

當(dāng)兩列車到站時(shí)的制動(dòng)或發(fā)生車輛連掛時(shí)，車鉤緩沖器在可恢復(fù)性的能量吸收范圍內(nèi)完成操作，無(wú)需更換部件.

當(dāng)車輛發(fā)生低速碰撞或者意外碰撞的時(shí)候，車鉤壓潰管會(huì)被觸發(fā)，發(fā)生塑性變形并吸收大部分的能量，以保護(hù)司乘人員和車輛的安全.

表2 碰撞工況匯總表

2.2 不同工況仿真分析

根據(jù)2.1節(jié)中車輛的配置和工況進(jìn)行計(jì)算，鉤緩系統(tǒng)能量配置如圖3所示，“=”為頭鉤全自動(dòng)車鉤;“+”為中間半自動(dòng)車鉤;“A、B、C”為中間半永久牽引桿.

圖3 鉤緩系統(tǒng)配置圖

S6是列車的碰撞界面，也是能量吸收的主要界面，符合列車碰撞特點(diǎn)［17-18］，S6界面在不同工況條件下的界面行程如圖4所示，碰撞界面的行程使用量與初始碰撞動(dòng)能成正比，當(dāng)界面的吸能行程控制在緩沖器的行程范圍(55+55)mm內(nèi)時(shí)，各界面的吸能行程隨著碰撞速度的提高呈線性增長(zhǎng);而當(dāng)界面的吸能行程超過(guò)緩沖器的行程范圍(55+55)mm內(nèi)時(shí)，車鉤壓潰管參與吸能，各界面的吸能行程隨著碰撞速度的提高呈正相關(guān)，速度增加越大，動(dòng)能越大，從而導(dǎo)致各界面的吸能量增加，但是壓潰管塑性變形屬于非線性范疇，所以各界面的車鉤的行程壓縮量沒(méi)有一定的規(guī)律，五種工況各界面的壓縮行程如圖5所示，工況一、工況

圖4 碰撞界面的行程與時(shí)間特性曲線

圖5 各界面的吸能行程特性曲線

二和工況三的速度增加量較小，初始動(dòng)能的增加量小，所以各界面行程使用變化量小，但是隨著碰撞速度的增加，初始動(dòng)能量也成倍的增加，S5和S6兩個(gè)主要的能量吸收界面所需要耗散的能量也會(huì)成指數(shù)型上漲，各界面的具體使用行程如表3所示.

表3 碰撞界面使用行程對(duì)比 mm

由于碰撞結(jié)果顯示主被動(dòng)車輛各界面的使用行程幾乎對(duì)稱，本文以主動(dòng)車各界面為研究對(duì)象，各界面行程使用量從S6界面到S1界面依次遞減，但除碰撞界面外，各界面的行程使用量較為平均，極大降低了個(gè)別界面的承載壓力，平衡了各個(gè)界面的能量吸收，也體現(xiàn)了配有EFG3緩沖器鉤緩系統(tǒng)的吸能特點(diǎn)，各界面具體行程使用量見(jiàn)表4.

表4 不同工況各界面使用行程匯總 mm

3 結(jié)論

(1)列車車輛的鉤緩系統(tǒng)是保障車輛正常運(yùn)行和連掛的重要部件，車鉤緩沖器在其可復(fù)原性變形范圍內(nèi)緩解車輛連掛所產(chǎn)生的沖擊能量，提高列車運(yùn)行的平穩(wěn)性和舒適性.一旦列車車輛發(fā)生意外碰撞，車鉤壓潰管將會(huì)被觸發(fā)，緩沖器和壓潰管共同吸收撞擊能量，保護(hù)車輛和司乘人員安全;

(2)碰撞界面是碰撞發(fā)生時(shí)主要的能量吸收界面，此界面的鉤緩裝置行程壓縮量與列車車輛的初始動(dòng)能有關(guān)，與初始動(dòng)能的增加量成正相關(guān);

(3)通過(guò)不同碰撞速度的模擬分析，除碰撞界面外，其余各界面鉤緩裝置行程壓縮量從一位端到二位端呈遞減趨勢(shì)，但總體較為均衡，有效緩解了列車車輛一位端的沖擊壓力.