陳 旭，李 茁，張小龍，方 甄

（北京軌道交通技術(shù)裝備集團(tuán)有限公司，北京 100071）

地鐵車鉤系由連掛式系統(tǒng)、緩沖吸能系統(tǒng)及吊掛裝置三者組成，并垂直安裝連接于地鐵車體底架中的牽引梁內(nèi)，是連接地鐵車輛最重要的結(jié)構(gòu)部件之一，可以用于連接地鐵列車及各地鐵車輛系統(tǒng)，并使車輛之間保持一定安全距離，實(shí)現(xiàn)各車輛之間的機(jī)械、電路和氣路之間的穩(wěn)定連接，其還同時(shí)能夠迅速傳遞速度和質(zhì)量緩和鐵路列車系統(tǒng)在軌道運(yùn)行狀態(tài)中產(chǎn)生強(qiáng)烈的垂直縱向力場(chǎng)或徑向沖擊力[1]。

地鐵列車在設(shè)計(jì)之初，一般會(huì)合理確定車鉤緩沖裝置的吸能特性，以確保乘車的安全性。本文研究北京地鐵3號(hào)線列車發(fā)生碰撞時(shí)車鉤緩沖裝置的吸能情況，通過(guò)運(yùn)用多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)相關(guān)原理，借助基于MATLAB編制的仿真軟件進(jìn)行計(jì)算，最后得出結(jié)果[1]。

1 北京地鐵3號(hào)線車輛相關(guān)要求

1.1 車輛編組及車鉤布置

北京地鐵3號(hào)線車輛為A型車，4+4編組形式，動(dòng)拖比為3∶1，車輛編組及車鉤布置如圖1所示。

圖1 車輛編組及車鉤布置

其中：=表示全自動(dòng)車鉤；A表示半永久車鉤A；B表示半永久車鉤B；C表示半永久車鉤C。

1.2 車重及吸能要求

在AW0的工況下，TMc車與Mp車的重量均為42 000 kg。TMc車與Mp車的坐席數(shù)量為25個(gè)，每位乘客的重量約為60 kg。

對(duì)于車鉤及緩沖裝置，其吸能要求：

（1）車鉤及緩沖裝置可吸收速度為8 km/h的AW0列車與制動(dòng)的AW0列車相撞時(shí)產(chǎn)生的沖擊能量，任何部件不能損壞。

（2）車鉤及緩沖裝置可吸收速度為15 km/h的AW0列車與制動(dòng)的AW0列車相撞時(shí)產(chǎn)生的沖擊能量，在此沖擊速度下，除車鉤自身外，車輛不能有任何損壞。

（3）按照EN 15227：2020《Railway applications-Crashworthiness requirements for rail vehicles》（《鐵路設(shè)施－鐵路車輛的防撞性要求》）（以下簡(jiǎn)稱《要求》），當(dāng)2列AW0+50%坐席的列車在相對(duì)速度大于15 km/h至25 km/h相撞時(shí)，最大的碰撞能量發(fā)生在2輛頭車之間，當(dāng)車鉤不能吸收多余的能量后，司機(jī)室前端的防爬器嚙合并發(fā)生形變，吸收剩余能量，客室結(jié)構(gòu)不能有任何變形。

2 車鉤和緩沖裝置組成

在北京地鐵3號(hào)線項(xiàng)目上，由于要求車鉤設(shè)有可復(fù)原吸能裝置、首尾車底架前端設(shè)防爬裝置，因此北京地鐵3號(hào)線的吸能方案采用三級(jí)吸能方式，分別是膠泥緩沖器、壓潰管、防爬裝置。

2.1 膠泥緩沖器

全自動(dòng)車鉤和半永久車鉤A設(shè)置膠泥緩沖器，膠泥緩沖器的壓縮最大阻抗力為800 kN，最大壓縮行程為85 mm；拉伸最大阻抗力為600 kN，最大拉伸形成為30 mm。吸能曲線如圖2所示。

圖2 膠泥緩沖器吸能曲線

2.2 壓潰管

壓潰管的強(qiáng)度略低于車底架的強(qiáng)度，高于車輛正常連掛速度下產(chǎn)生的縱向沖擊力。當(dāng)列車在運(yùn)行或連掛過(guò)程中發(fā)生碰撞，載荷大于壓潰管觸發(fā)力時(shí)，壓潰管發(fā)生作用產(chǎn)生塑性變形，最大限度吸收沖擊能量。

全自動(dòng)車鉤及半永久車鉤均配置壓潰管，其中，全自動(dòng)車鉤配置恒力值壓潰管，穩(wěn)態(tài)力為1 100 kN，最大行程為200 mm；半永久車鉤A配置恒力值壓潰管，穩(wěn)態(tài)力為1 200 kN，最大行程為140 mm；半永久車鉤B配置變力值壓潰管，穩(wěn)態(tài)力為1 050~1 200 kN，最大行程為380 mm；半永久車鉤C配置變力值壓潰管，穩(wěn)態(tài)力為1 000~1 200 kN，最大行程為380 mm。

2.3 過(guò)載保護(hù)裝置

北京地鐵3號(hào)線車輛采用在全自動(dòng)車鉤鉤尾座內(nèi)部設(shè)置剪切螺栓，觸發(fā)載荷為1 300 kN。當(dāng)沖擊載荷大于觸發(fā)載荷時(shí)，鉤尾座內(nèi)部的剪切螺栓被剪斷，車鉤與車體分離，從而達(dá)到保護(hù)車體的作用[2]。

2.4 防爬裝置

防爬器結(jié)構(gòu)主要包括防爬齒和緩沖吸能裝置，通過(guò)受壓變形的方式吸收能量，同時(shí)防止與對(duì)面列車發(fā)生爬行。TMc車前端對(duì)稱配置2個(gè)防爬裝置，每個(gè)防爬裝置的穩(wěn)態(tài)力為700 kN，最大壓縮行程為370 mm。

3 模擬仿真計(jì)算

計(jì)算程序基于MATLAB編制，采用了多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論，通過(guò)構(gòu)建運(yùn)動(dòng)平衡方程，建立列車碰撞系統(tǒng)。在建模過(guò)程中，將列車碰撞系統(tǒng)簡(jiǎn)化成了質(zhì)量彈簧系統(tǒng)。即不考慮車體的剛度、長(zhǎng)度等特性，并將吸能器看作非線性彈簧系統(tǒng)。

將車體看作是質(zhì)量點(diǎn)，并將1個(gè)車體單獨(dú)拿出來(lái)進(jìn)行受力分析。

基于圖3中單個(gè)車體的受力，基于達(dá)朗貝爾原理構(gòu)建第i輛車的動(dòng)力平衡方程

圖3 單個(gè)車體受力

式中：mi為車i的碰撞質(zhì)量；為車i在碰撞過(guò)程中所受到的加速度；Finfi-1為車i左側(cè)界面受到的緩沖力，緩沖力由車鉤、吸能器或者是車端變形區(qū)變形產(chǎn)生的；Finfi為車i右側(cè)界面受到的緩沖力，緩沖力由車鉤、吸能器或者是車端變形區(qū)產(chǎn)生的；Ffi為車i受到的摩擦力，當(dāng)車輛制動(dòng)時(shí)，車輪與軌道之間由于相對(duì)滑動(dòng)產(chǎn)生的摩擦力。

根據(jù)上述每輛車的動(dòng)力平衡方程，可搭建整個(gè)碰撞系統(tǒng)的動(dòng)力平衡方程組

4 計(jì)算結(jié)果

列車碰撞界面如圖4所示。

圖4 列車碰撞界面示意圖

當(dāng)一列AW0列車以8 km/h的速度撞擊一列制動(dòng)的AW0列車時(shí)，第8界面的界面力最大，達(dá)到了793kN，小于膠泥緩沖器的最大阻抗力800 kN；第8界面緩沖器壓縮行程最大，達(dá)到了167 mm，即單側(cè)緩沖器行程為83.5 mm，小于膠泥緩沖器的最大壓縮行程85 mm。所以，2列車以8 km/h的速度碰撞時(shí)，各吸能界面的壓縮行程與載荷均在膠泥緩沖器的有效范圍內(nèi)，不會(huì)觸發(fā)壓潰管。8 km/h界面力-行程曲線如圖5所示。

圖5 8 km/h碰撞界面力-行程曲線

當(dāng)一列AW0列車以15 km/h的速度撞擊一列制動(dòng)的AW0列車時(shí)，第4、8、12界面的界面力最大，達(dá)到了1 100 kN，超出膠泥緩沖器的吸能范圍，觸發(fā)壓潰管，其中第8界面壓潰管壓縮行程最大，達(dá)到了318 mm，即單側(cè)壓潰管行程為159 mm，小于全自動(dòng)車鉤壓潰管的最大壓縮行程200 mm；第3、5、7、9、11、13界面的界面力達(dá)到了1 050 kN，超出膠泥緩沖器的吸能范圍，觸發(fā)壓潰管，其中第7界面壓潰管壓縮行程最大，達(dá)到了121 mm，小于半永久車鉤B壓潰管的最大壓縮行程380 mm；第6、10界面的界面力達(dá)到了1 000 kN，超出膠泥緩沖器的吸能范圍，觸發(fā)壓潰管，其中第6界面壓潰管壓縮行程最大，達(dá)到了106 mm，小于半永久車鉤C壓潰管的最大壓縮行程380 mm；第1、2、14、15界面的界面力均小于85 kN，未觸發(fā)壓潰管。所以，2列車以15 km/h的速度碰撞時(shí)，各界面產(chǎn)生的能量均可以由該界面的緩沖器和壓潰管完全吸收。15 km/h界面力-行程曲線如圖6所示。

圖6 15 km/h碰撞界面力-行程曲線

按照《要求》，當(dāng)2列AW0+50%坐席的列車在相對(duì)速度為25 km/h相撞時(shí)，第8界面的界面力最大，達(dá)到了1 400 kN，超過(guò)全自動(dòng)車鉤的膠泥緩沖器和壓潰管的吸能范圍，觸發(fā)防爬裝置，防爬裝置壓縮行程為343 mm，小于防爬裝置的最大壓縮行程370 mm；其余界面的界面力均不大于該界面的壓潰管最大穩(wěn)態(tài)力，且界面壓縮行程均小于該界面緩沖器與壓潰管的最大壓縮行程總和。所以，按照《要求》，2列車以25 km/h的速度碰撞時(shí)，各界面產(chǎn)生的能量均可以由該界面的緩沖器、壓潰管及防爬裝置完全吸收。25 km/h界面力-行程曲線如圖7所示。

圖7 25 km/h碰撞界面力-行程曲線

5 結(jié)論

本文通過(guò)模擬仿真計(jì)算，得到了北京地鐵3號(hào)線列車車鉤及緩沖裝置在不同速度工況下發(fā)生碰撞時(shí)的吸能情況。計(jì)算結(jié)果顯示，2列AW0列車在相對(duì)速度8 km/h發(fā)生碰撞時(shí)，碰撞能量可以由膠泥緩沖器完全吸收，不損換任何部件；2列AW0列車在相對(duì)速度15 km/h發(fā)生碰撞時(shí)，碰撞能量可以由膠泥緩沖器和壓潰管完全吸收，除車鉤自身外，車輛無(wú)任何損壞；2列AW0+50%坐席的列車在相對(duì)速度25 km/h發(fā)生碰撞時(shí)，碰撞能量可以由膠泥緩沖器、壓潰管以及連掛界面的防爬器均參與吸能，客室無(wú)損壞。計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證了本項(xiàng)目車鉤及緩沖裝置配置的合理性，滿足本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)要求。