陳春棉 劉國(guó)偉

（1.湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 株洲 412001）（2.中南大學(xué)軌道交通安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 長(zhǎng)沙 410075）

1 引言

目前，全世界尤其是我國(guó)的軌道交通進(jìn)入新的大發(fā)展時(shí)期，隨著相關(guān)科技的不斷進(jìn)步，軌道交通車(chē)輛的性能不斷完善，使得列車(chē)運(yùn)行速度不斷提高，一旦發(fā)生列車(chē)碰撞和追尾事故將造成更加嚴(yán)重的后果。面對(duì)接連發(fā)生的列車(chē)碰撞和追尾事故，悲痛之外人們更多關(guān)注地是如何避免此類(lèi)事故的再次發(fā)生或者盡量減少傷亡，因此如何保證軌道交通的安全性也逐漸成為整個(gè)社會(huì)輿論關(guān)注的焦點(diǎn)。

密接式車(chē)鉤緩沖裝置是列車(chē)連掛、運(yùn)行以及制動(dòng)過(guò)程中車(chē)輛間縱向瞬態(tài)沖擊的主要受力部件［1］。密接式車(chē)鉤緩沖裝置以其結(jié)合面間隙小、舒適性和安全性高已成為25T 型特快列車(chē)、高速動(dòng)車(chē)組［2］以及地鐵車(chē)輛［3］平穩(wěn)安全運(yùn)行的關(guān)鍵部位之一［4］。列車(chē)安全技術(shù)中非常重要的一點(diǎn)就是如何實(shí)現(xiàn)列車(chē)的被動(dòng)安全保護(hù)，即由于事發(fā)突然等原因?qū)е聼o(wú)法通過(guò)人為作用避免事故發(fā)生，比如緊急制動(dòng)或及時(shí)通知路況等。要實(shí)現(xiàn)列車(chē)在一定的撞擊速度下的被動(dòng)安全保護(hù)，即保證車(chē)體外安裝的各部分吸能裝置，包括車(chē)鉤緩沖器、壓潰管、防爬器和主體吸能裝置以及車(chē)體結(jié)構(gòu)次要部位在高速的撞擊速度下，能按照人的意志實(shí)現(xiàn)逐級(jí)、有序、可控的塑形變形，其前提是保證將要發(fā)生碰撞或追尾的列車(chē)的相鄰車(chē)鉤能順利且穩(wěn)定連掛［5～9］。

2 密接式車(chē)鉤的工作原理分析

全自動(dòng)密接式車(chē)鉤緩沖裝置連接系統(tǒng)包括機(jī)械連接、電氣連接以及氣路連接三個(gè)部分［9～10］。本文主要研究最重要的機(jī)械連接部分，其連掛原理如下。

圖1 密接式車(chē)鉤組成示意圖

如圖1 所示，機(jī)械連接部分由鉤體、中心軸、鉤舌、鉤鎖連接桿、鉤鎖彈簧、鉤舌定位桿及彈簧、定位桿頂塊及彈簧、解鉤風(fēng)缸等組成。鉤體的前端一邊為凸錐體，另一邊為凹錐孔，呈對(duì)稱(chēng)分布，連掛時(shí)相鄰車(chē)鉤的凸錐體分別插入對(duì)應(yīng)的凹錐孔中，起到連接導(dǎo)向作用；中心軸通過(guò)定位銷(xiāo)垂直固定在鉤體中央，其上固定有鉤舌，鉤舌呈不規(guī)則曲線形狀；鉤嘴的位置靠近凹錐孔，鉤舌尾部通過(guò)銷(xiāo)孔與鉤鎖連接桿連接，鉤舌繞中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)可帶動(dòng)鉤鎖連接桿動(dòng)作；鉤舌定位桿通過(guò)銷(xiāo)孔與鉤舌連接，起到連接時(shí)定位和供解鉤風(fēng)缸活塞桿作用，是車(chē)鉤實(shí)現(xiàn)連掛動(dòng)作的關(guān)鍵零件，鉤舌定位桿上設(shè)有兩個(gè)定位凸緣，使鉤舌定位在待掛或連掛狀態(tài)；鉤鎖彈簧一端固定在鉤體上，一端與鉤鎖連接桿尾部相連，初始狀態(tài)處于拉伸狀態(tài)；連掛時(shí)，鉤鎖連接桿在鉤鎖彈簧拉力作用下使車(chē)鉤連接可靠；定位桿頂塊受到推力后，頂動(dòng)鉤舌定位桿啟動(dòng)兩車(chē)鉤的連掛［10～12］。

3 仿真模型的建立

按照某密接式車(chē)鉤的實(shí)際尺寸，運(yùn)用ADAMS軟件建立密接式車(chē)鉤沖擊連掛的三維模型，其主要包括運(yùn)動(dòng)臺(tái)車(chē)、軌道、車(chē)鉤緩沖裝置模型和地面工裝。圖2 為密接式車(chē)鉤沖擊連掛的三維模型，左邊的為運(yùn)動(dòng)臺(tái)車(chē)及車(chē)鉤，右邊是地面工裝及靜止車(chē)鉤。

在仿真分析時(shí)，設(shè)定運(yùn)動(dòng)車(chē)鉤以15km/h 的速度沖擊固定車(chē)鉤，運(yùn)動(dòng)臺(tái)車(chē)及地面工裝的質(zhì)量均為3000kg，密接式車(chē)鉤質(zhì)量為360kg。

圖2 車(chē)鉤沖擊連掛三維模型

4 密接式車(chē)鉤沖擊連掛過(guò)程仿真研究

運(yùn)動(dòng)車(chē)鉤以15km/h 的速度沖擊靜止車(chē)鉤，兩車(chē)鉤成功連掛，并最后以相同的速度一起運(yùn)行，仿真結(jié)果如表1 所示。下面對(duì)其連掛過(guò)程及主要連掛特性進(jìn)行分析。

表1 時(shí)速15km/h沖擊連掛仿真結(jié)果

4.1 連掛過(guò)程圖分析

如圖3 所示為車(chē)鉤沖擊連掛的過(guò)程圖，圖中左方的是靜止的車(chē)鉤，右方的是運(yùn)動(dòng)車(chē)鉤，運(yùn)動(dòng)車(chē)鉤以15km/h 的速度沖擊靜止車(chē)鉤。由圖可見(jiàn)，兩車(chē)鉤開(kāi)始連掛到連掛成功的過(guò)程中運(yùn)動(dòng)車(chē)輛就推著靜止車(chē)輛移動(dòng)了，而在這短暫的移動(dòng)過(guò)程中，鉤鎖連接機(jī)構(gòu)完成連掛鎖閉的動(dòng)作，之后兩車(chē)一起運(yùn)行且兩車(chē)鉤沒(méi)有發(fā)生脫鉤的現(xiàn)象?？梢?jiàn)在15km/h 的沖擊速度下，運(yùn)動(dòng)車(chē)輛沖擊靜止車(chē)輛能夠順利連掛成功。

圖3 車(chē)鉤連掛過(guò)程圖

4.2 連掛時(shí)間分析

連掛時(shí)間指的是相鄰車(chē)鉤的鉤鎖連接機(jī)構(gòu)從車(chē)鉤待掛狀態(tài)到兩車(chē)鉤的鉤舌和鉤鎖連接桿形成一個(gè)平行四邊形連桿機(jī)構(gòu)，完成兩車(chē)鉤穩(wěn)定的連接鎖閉所用的時(shí)間。由于無(wú)法直觀判斷其準(zhǔn)確的連掛時(shí)間，所以需通過(guò)間接的方式來(lái)分析。如圖4 所示，鉤鎖連接桿與鉤舌的連接孔的圓心點(diǎn)A 與中心軸軸心O 以及鉤鎖彈簧與鉤頭的連接點(diǎn)B 所形成的夾角AOB的大小在連掛前和連掛后是不同的，而且整個(gè)連掛過(guò)程中O 點(diǎn)和B 點(diǎn)不會(huì)移動(dòng)，只有A 點(diǎn)隨著鉤鎖連接桿伸入相鄰鉤舌的鉤舌嘴內(nèi)而移動(dòng)從而造成夾角AOB角度的變化，故可通過(guò)分析其夾角變化所經(jīng)歷的時(shí)間來(lái)判斷連掛時(shí)間的長(zhǎng)短。

圖4 連掛前后夾角變化

圖5 夾角-時(shí)間變化曲線

圖5 所示為角AOB 隨時(shí)間的變化曲線圖，由圖可知連掛前的夾角大小為85.4°，連掛后夾角大小為32.4°；觀察曲線圖可以發(fā)現(xiàn)從夾角開(kāi)始變化到達(dá)到鎖閉位夾角的時(shí)間很短，只有43ms，而之后夾角有一段小小的波動(dòng)，最后才完全穩(wěn)定下來(lái)，而這整個(gè)過(guò)程所經(jīng)歷的時(shí)間即為連掛的時(shí)間，由圖可知連掛時(shí)間為49ms。

5 結(jié)語(yǔ)

在15km/h 的沖擊速度下，運(yùn)動(dòng)車(chē)輛沖擊靜止車(chē)輛能夠順利連掛成功，且連掛時(shí)間為49ms。對(duì)密接式車(chē)鉤的沖擊連掛過(guò)程進(jìn)行仿真分析，能夠得到連掛過(guò)程的仿真結(jié)果及連掛時(shí)間，對(duì)密接式車(chē)鉤的性能研究具有借鑒作用。