胡連軍，李忠繼，林紅松，楊吉忠

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，成都 610031)

擋車(chē)器作為軌道交通中的安全防護(hù)設(shè)備[1]，避免列車(chē)意外失控時(shí)沖出線(xiàn)路，防止人員傷害及車(chē)輛和其他設(shè)施損壞。作為一種新興制式的軌道交通，許多技術(shù)仍處于研究階段[2]，國(guó)內(nèi)外尚無(wú)關(guān)于懸掛式單軌列車(chē)擋車(chē)器的相關(guān)文獻(xiàn)。目前，有關(guān)懸掛式單軌交通系統(tǒng)的相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)正在制定，而《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》與《城市軌道交通技術(shù)規(guī)范》僅明確了車(chē)擋的速度要求[3]，但是在工程設(shè)計(jì)中，仍需考慮其他多種因素及技術(shù)參數(shù)。

隨著城市軌道交通的發(fā)展，懸掛式單軌交通系統(tǒng)的興起，對(duì)擋車(chē)器的設(shè)置及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了許多新的需求。與傳統(tǒng)軌道交通制式不同，懸掛式單軌交通的走行部位于列車(chē)上方，列車(chē)懸掛于軌道梁下方運(yùn)行[4]。由于采用懸掛式構(gòu)造，全線(xiàn)采用高架形式，因此對(duì)軌道梁終端的安全防護(hù)要求更高。同時(shí)，基于列車(chē)運(yùn)行速度.軸重.編組等因素，還需考慮擋車(chē)器的主要設(shè)計(jì)參數(shù)及線(xiàn)路預(yù)留長(zhǎng)度[5]。

1 擋車(chē)器的設(shè)計(jì)原則

1.1 足夠的制動(dòng)能力

擋車(chē)器應(yīng)該具有足夠的制動(dòng)能力，保證被列車(chē)車(chē)鉤撞擊之后安全平穩(wěn)停止[6]。最大制動(dòng)能力應(yīng)大于車(chē)輛撞擊動(dòng)能E=mv2/2。考慮失控車(chē)輛的速度不確定性.車(chē)重的增加及自然氣候等不利因素，兼顧擋車(chē)器螺栓的強(qiáng)度.撞擊強(qiáng)度及擋車(chē)器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等許可條件，考慮一定的安全系數(shù)1.3，條件惡劣的情況下，甚至取2.0。

1.2 合理的緩沖吸振

合理的緩沖吸振裝置，能夠吸收車(chē)輛的動(dòng)能，把對(duì)車(chē)輛的反作用力限定在一定范圍內(nèi)。對(duì)于撞擊速度高.撞擊動(dòng)能大的線(xiàn)路，常采用摩擦式或者液壓式擋車(chē)器，通過(guò)摩擦力或者黏質(zhì)液體來(lái)吸收撞擊能量[7]。固定式擋車(chē)器緩沖吸振能力非常有限，一般用于庫(kù)內(nèi)線(xiàn)等列車(chē)速度非常低的場(chǎng)合[8]。近年來(lái)還出現(xiàn)有彈性膠泥緩沖器.液氣擋車(chē)器等[9]。

1.3 安裝方便.易于維護(hù)

不同于傳統(tǒng)軌道交通，懸掛式單軌交通系統(tǒng)在軌道梁內(nèi)行駛，安裝.維護(hù).作業(yè)空間受到極大限制。因此，懸掛式單軌交通的擋車(chē)器應(yīng)便于安裝.易于更換.安全可靠，維護(hù)工作量少等。

1.4 美觀(guān)性好

懸掛式單軌交通通常采用高架形式敷設(shè)，很容易進(jìn)入人們的視線(xiàn)范圍。因此在設(shè)計(jì)時(shí)需注重美觀(guān)性，融入道路景觀(guān).城市綜合設(shè)計(jì)等，可進(jìn)行“植物擋車(chē)器”[10]的創(chuàng)新性研究，減小擋車(chē)器對(duì)城市的消極影響。

2 懸掛式單軌擋車(chē)器主要設(shè)計(jì)參數(shù)

與大多數(shù)軌道交通制式類(lèi)似，擋車(chē)器的設(shè)計(jì)既要保證車(chē)輛運(yùn)行故障后的安全，又要考慮經(jīng)濟(jì)性，主要技術(shù)參數(shù)如下。

(1)撞擊荷載：根據(jù)線(xiàn)路使用功能(如站前折返線(xiàn).站后折返線(xiàn).停車(chē)線(xiàn))可分為重載和空載。

(2)撞擊速度：車(chē)輛失控時(shí)撞擊擋車(chē)器的速度?！冻鞘熊壍澜煌夹g(shù)規(guī)范》規(guī)定：設(shè)在正線(xiàn).折返線(xiàn)和車(chē)輛試車(chē)線(xiàn)的車(chē)擋應(yīng)能承受列車(chē)以15 km/h速度撞擊時(shí)的沖擊荷載。日本規(guī)范《單軌構(gòu)造設(shè)計(jì)指南》[11]：列車(chē)有自動(dòng)停止裝置，且車(chē)輛的調(diào)換.入庫(kù)等原因速度非常低，僅為3～4 km/h?？紤]我國(guó)國(guó)情及懸掛式單軌車(chē)輛構(gòu)造，正線(xiàn).折返線(xiàn)及試車(chē)線(xiàn)建議采用15 km/h為額定撞擊速度，車(chē)輛段庫(kù)內(nèi)線(xiàn)采用5 km/h為額定撞擊速度。

(3)制動(dòng)減速度：目前我國(guó)設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)擋車(chē)器制動(dòng)減速度沒(méi)有規(guī)定。結(jié)合國(guó)內(nèi)外運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)，為保護(hù)乘客安全，擋車(chē)器的制動(dòng)減速度一般不得大于1.5 m/s2；為保護(hù)列車(chē)設(shè)施，制動(dòng)減速度值一般應(yīng)小于3～4 m/s2。

(4)線(xiàn)路預(yù)留安裝長(zhǎng)度：由于使用工況和擋車(chē)器產(chǎn)品的多樣性，規(guī)范或技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)并沒(méi)有規(guī)定線(xiàn)路預(yù)留安裝長(zhǎng)度，但是在設(shè)計(jì)過(guò)程中，需考慮擋車(chē)器長(zhǎng)度.運(yùn)行工況等。

①固定式擋車(chē)器，線(xiàn)路預(yù)留長(zhǎng)度為擋車(chē)器實(shí)際長(zhǎng)度。

②對(duì)于滑移式擋車(chē)器.滑移液壓緩沖式擋車(chē)器，線(xiàn)路預(yù)留最小安裝長(zhǎng)度=設(shè)備占用線(xiàn)路長(zhǎng)度+最短滑移距離+安全距離。其中，最短滑移距離Smin=v2/2a，a為車(chē)輛的減加速度。

(5)車(chē)體撞擊點(diǎn)：為有效保護(hù)車(chē)輛，將車(chē)鉤作為車(chē)輛與擋車(chē)器的撞擊點(diǎn)[12]，設(shè)計(jì)時(shí)需考慮撞擊點(diǎn)的高度。

3 主要結(jié)構(gòu)形式

由于懸掛式單軌交通形式在我國(guó)處于起步階段，市場(chǎng)上的產(chǎn)品相對(duì)較少，因此，可以創(chuàng)新設(shè)計(jì)的地方較多。從滿(mǎn)足阻擋列車(chē)脫線(xiàn).保證安全的功能角度出發(fā)，與傳統(tǒng)軌道擋車(chē)器類(lèi)似，懸掛式單軌擋車(chē)器主要由支撐單元(框架結(jié)構(gòu))和制動(dòng)單元組成，按照支撐單元的可動(dòng)與否，常分為固定式與滑移式兩種。區(qū)別于傳統(tǒng)軌道擋車(chē)器，懸掛式單軌擋車(chē)器在實(shí)現(xiàn)形式可以多種多樣。

3.1 固定式擋車(chē)器

固定式擋車(chē)器(圖1)最顯著的特點(diǎn)在于支撐單元直接固定在軌道梁上，為便于安裝拆卸，通常采用螺栓連接[13]。

圖1 固定式擋車(chē)器示意

擋車(chē)器的制動(dòng)單元主要用于阻擋車(chē)輛的前進(jìn)，由緩沖頭和緩沖部件組成，可以有多種形式。緩沖頭一般為橡膠平板，為保證穩(wěn)定性，常在其下方或者旁邊加裝導(dǎo)向連桿。考慮懸掛式單軌列車(chē)具有擺動(dòng)效果，特別在橫風(fēng)作用下，為保證車(chē)鉤與緩沖頭位置對(duì)齊，采用引導(dǎo)式開(kāi)口緩沖頭(圖2)[14]。

圖2 引導(dǎo)式緩沖頭

對(duì)于緩沖部件，常用的有液壓緩沖器.彈簧減振器和橡膠緩沖器等，具有存儲(chǔ).耗散機(jī)械能量的功能，同時(shí)能夠恢復(fù)到原有工作狀態(tài)。近年來(lái)，彈性膠泥緩沖器(圖3)受到熱捧，其具有容量大.阻抗力小.結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單.性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)(圖4)[15]。該種擋車(chē)器的緩沖吸振能力較好，可用于正線(xiàn)及配線(xiàn)等，但其滑動(dòng)距離較短，參考地鐵制式，常用于車(chē)輛段庫(kù)內(nèi)線(xiàn)。

圖3 彈性膠泥緩沖器原理

圖4 彈性膠泥緩沖器力-位移曲線(xiàn)

3.2 滑移式擋車(chē)器

借鑒傳統(tǒng)地鐵滑移式擋車(chē)器，懸掛式單軌列車(chē)擋車(chē)器在機(jī)架上方安裝制動(dòng)摩擦單元，特點(diǎn)在于通過(guò)在軌道梁腹板上用螺栓連接角鋼，倒置安裝摩擦軌，利用阻尼器與摩擦軌之間的摩擦阻力來(lái)消耗失控車(chē)輛的動(dòng)能[16]。為進(jìn)一步降低擋車(chē)器對(duì)車(chē)輛的影響，可以考慮在主體架下方安裝液壓緩沖結(jié)構(gòu)[17](圖5)?；剖綋踯?chē)器以其雙重減振的優(yōu)勢(shì)，可用于正線(xiàn)及配線(xiàn).試車(chē)線(xiàn).牽出線(xiàn)的終端。

圖5 滑移式液壓緩沖式擋車(chē)器示意

3.3 新型擋車(chē)器

(1)雙緩沖器懸掛式擋車(chē)器

如圖6所示，雙緩沖器懸掛式擋車(chē)器[18]通過(guò)兩個(gè)緩沖器對(duì)列車(chē)起到緩沖和吸引沖擊能量的作用。第一緩沖器采用雙桿緩沖器，既增強(qiáng)了制動(dòng)能力，同時(shí)也可起到自動(dòng)導(dǎo)向的作用，不用單獨(dú)設(shè)置導(dǎo)向連桿，結(jié)構(gòu)更為緊湊。第一緩沖器固定安裝在主體架內(nèi)，主體架上方直接搭在軌道梁走行面上，既起到支撐作用，同時(shí)與軌道梁走行面形成摩擦，具有緩沖吸振效果。第二緩沖器連接主體架上方，可選用與第一緩沖器同樣類(lèi)型的緩沖器，也可采用其他類(lèi)型。

圖6 雙緩沖器懸掛式擋車(chē)器

該擋車(chē)器的特點(diǎn)在于制動(dòng)能力強(qiáng)，三重緩沖吸振作用效果下，為減小擋車(chē)器占用線(xiàn)路長(zhǎng)度，兩個(gè)緩沖器可采用固定連接的方式。為便于拆卸，通常采用螺栓連接的方式，可設(shè)在正線(xiàn).折返線(xiàn)和試車(chē)線(xiàn)等。

(2)永磁式懸掛式擋車(chē)器

永磁式懸掛式擋車(chē)器[19]，通過(guò)內(nèi)部安裝的永磁式緩沖器中同極相斥的永磁鐵，利用磁場(chǎng)來(lái)抵抗列車(chē)的撞擊力，如圖7所示。其中，永磁式緩沖器包括：筒狀的絕磁殼體，在殼體內(nèi)部安裝有若干塊同極相對(duì)的圓環(huán)永磁體，內(nèi)部設(shè)置有彈簧連接，外部直線(xiàn)移動(dòng)柱與緩沖頭連接。內(nèi)部設(shè)置的彈簧能夠起到附加緩沖吸振的作用，同時(shí)在緩沖器復(fù)位過(guò)程中也能起到防止過(guò)快恢復(fù)到原有位置產(chǎn)生破壞的作用。絕磁殼體與緩沖頭連接一端還需要固接(比如螺紋連接)一塊擋塊，防止緩沖器在復(fù)位過(guò)程永磁體彈出殼體。

圖7 永磁式懸掛式擋車(chē)器

該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于利用彈簧與磁場(chǎng)雙重減振吸能，減振效果明顯，同時(shí)具有快速?gòu)?fù)位的功能，可用于正線(xiàn).折返線(xiàn)和試車(chē)線(xiàn)等。

(3)阻攔索式擋車(chē)器

參照航母阻攔索，將艦載機(jī)高速攔停，阻攔索式擋車(chē)器[20]應(yīng)用于懸掛式單軌系統(tǒng)，如圖8所示。在軌道梁末端對(duì)稱(chēng)布置阻尼器，安裝方向與軌道梁縱向呈一定角度。其中，活動(dòng)支架起到張緊阻攔索的作用，保證列車(chē)車(chē)鉤與阻攔索對(duì)齊，車(chē)鉤順利鉤住阻攔索。通過(guò)阻尼器的緩沖吸振，有效吸收列車(chē)動(dòng)能，阻止列車(chē)?yán)^續(xù)前行，保護(hù)列車(chē)，可用于車(chē)輛段庫(kù)內(nèi)線(xiàn)。其中，阻尼器可以選擇多種類(lèi)型的阻尼器，優(yōu)選液壓阻尼器。

圖8 阻攔索式擋車(chē)器

3.4 擋車(chē)器選型

目前城市軌道交通擋車(chē)器選型對(duì)于使用工況指標(biāo)沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。表1總結(jié)了懸掛式單軌列車(chē)擋車(chē)器的相關(guān)技術(shù)參數(shù)及使用工況，力求為擋車(chē)器合理選型提供依據(jù)。

表1 擋車(chē)器選型對(duì)比

4 結(jié)論

結(jié)合傳統(tǒng)軌道交通擋車(chē)器，通過(guò)對(duì)懸掛式單軌列車(chē)擋車(chē)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)的分析，得出以下結(jié)論。

(1)研究和總結(jié)了擋車(chē)器設(shè)計(jì)應(yīng)遵從足夠的制動(dòng)能力.合理的緩沖吸振.易于安裝維護(hù).美觀(guān)性好等原則，確保失控車(chē)輛在擋車(chē)器的作用下安全完好地停下來(lái)。

(2)梳理了懸掛式單軌列車(chē)擋車(chē)器的主要技術(shù)參數(shù)包括撞擊荷載.撞擊速度.制動(dòng)減速度.線(xiàn)路預(yù)留安裝長(zhǎng)度.車(chē)體撞擊點(diǎn)等。

(3)與傳統(tǒng)軌道交通擋車(chē)器類(lèi)似，根據(jù)功能需求，懸掛式單軌擋車(chē)器主要分為固定式與滑移式兩種，研究提出多種適用于懸掛式單軌列車(chē)的擋車(chē)器結(jié)構(gòu)。

(4)總結(jié)了懸掛式單軌列車(chē)擋車(chē)器的相關(guān)技術(shù)參數(shù)及使用工況，為擋車(chē)器的合理選型提供了一定的支撐。

(5)傳統(tǒng)軌道交通僅提出了擋車(chē)器的速度要求，針對(duì)擋車(chē)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)仍有待開(kāi)展，為相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的制定提供理論和數(shù)據(jù)支持。