北京地鐵3號線車鉤吸能特性分析

陳 旭，李 茁，張小龍，方 甄

（北京軌道交通技術裝備集團有限公司，北京 100071）

地鐵車鉤系由連掛式系統、緩沖吸能系統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，是連接地鐵車輛最重要的結構部件之一，可以用于連接地鐵列車及各地鐵車輛系統，并使車輛之間保持一定安全距離，實現各車輛之間的機械、電路和氣路之間的穩定連接，其還同時能夠迅速傳遞速度和質量緩和鐵路列車系統在軌道運行狀態中產生強烈的垂直縱向力場或徑向沖擊力[1]。

地鐵列車在設計之初，一般會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號線列車發生碰撞時車鉤緩沖裝置的吸能情況，通過運用多體系統動力學相關原理，借助基于MATLAB編制的仿真軟件進行計算，最后得出結果[1]。

1 北京地鐵3號線車輛相關要求

1.1 車輛編組及車鉤布置

北京地鐵3號線車輛為A型車，4+4編組形式，動拖比為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車的坐席數量為25個，每位乘客的重量約為60 kg。

對于車鉤及緩沖裝置，其吸能要求：

（1）車鉤及緩沖裝置可吸收速度為8 km/h的AW0列車與制動的AW0列車相撞時產生的沖擊能量，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列車與制動的AW0列車相撞時產生的沖擊能量，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》（《鐵路設施－鐵路車輛的防撞性要求》）（以下簡稱《要求》），當2列AW0+50%坐席的列車在相對速度大于15 km/h至25 km/h相撞時，最大的碰撞能量發生在2輛頭車之間，當車鉤不能吸收多余的能量后，司機室前端的防爬器嚙合并發生形變，吸收剩余能量，客室結構不能有任何變形。

2 車鉤和緩沖裝置組成

在北京地鐵3號線項目上，由于要求車鉤設有可復原吸能裝置、首尾車底架前端設防爬裝置，因此北京地鐵3號線的吸能方案采用三級吸能方式，分別是膠泥緩沖器、壓潰管、防爬裝置。

2.1 膠泥緩沖器

全自動車鉤和半永久車鉤A設置膠泥緩沖器，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

壓潰管的強度略低于車底架的強度，高于車輛正常連掛速度下產生的縱向沖擊力。當列車在運行或連掛過程中發生碰撞，載荷大于壓潰管觸發力時，壓潰管發生作用產生塑性變形，最大限度吸收沖擊能量。

全自動車鉤及半永久車鉤均配置壓潰管，其中，全自動車鉤配置恒力值壓潰管，穩態力為1 100 kN，最大行程為200 mm；半永久車鉤A配置恒力值壓潰管，穩態力為1 200 kN，最大行程為140 mm；半永久車鉤B配置變力值壓潰管，穩態力為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，穩態力為1 000~1 200 kN，最大行程為380 mm。

2.3 過載保護裝置

北京地鐵3號線車輛采用在全自動車鉤鉤尾座內部設置剪切螺栓，觸發載荷為1 300 kN。當沖擊載荷大于觸發載荷時，鉤尾座內部的剪切螺栓被剪斷，車鉤與車體分離，從而達到保護車體的作用[2]。

2.4 防爬裝置

防爬器結構主要包括防爬齒和緩沖吸能裝置，通過受壓變形的方式吸收能量，同時防止與對面列車發生爬行。TMc車前端對稱配置2個防爬裝置，每個防爬裝置的穩態力為700 kN，最大壓縮行程為370 mm。

3 模擬仿真計算

計算程序基于MATLAB編制，采用了多體系統動力學理論，通過構建運動平衡方程，建立列車碰撞系統。在建模過程中，將列車碰撞系統簡化成了質量彈簧系統。即不考慮車體的剛度、長度等特性，并將吸能器看作非線性彈簧系統。

將車體看作是質量點，并將1個車體單獨拿出來進行受力分析。

基于圖3中單個車體的受力，基于達朗貝爾原理構建第i輛車的動力平衡方程

圖3 單個車體受力

式中：mi為車i的碰撞質量；為車i在碰撞過程中所受到的加速度；Finfi-1為車i左側界面受到的緩沖力，緩沖力由車鉤、吸能器或者是車端變形區變形產生的；Finfi為車i右側界面受到的緩沖力，緩沖力由車鉤、吸能器或者是車端變形區產生的；Ffi為車i受到的摩擦力，當車輛制動時，車輪與軌道之間由于相對滑動產生的摩擦力。

根據上述每輛車的動力平衡方程，可搭建整個碰撞系統的動力平衡方程組

4 計算結果

列車碰撞界面如圖4所示。

圖4 列車碰撞界面示意圖

當一列AW0列車以8 km/h的速度撞擊一列制動的AW0列車時，第8界面的界面力最大，達到了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，達到了167 mm，即單側緩沖器行程為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，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，不會觸發壓潰管。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

當一列AW0列車以15 km/h的速度撞擊一列制動的AW0列車時，第4、8、12界面的界面力最大，達到了1 100 kN，超出膠泥緩沖器的吸能范圍，觸發壓潰管，其中第8界面壓潰管壓縮行程最大，達到了318 mm，即單側壓潰管行程為159 mm，小于全自動車鉤壓潰管的最大壓縮行程200 mm；第3、5、7、9、11、13界面的界面力達到了1 050 kN，超出膠泥緩沖器的吸能范圍，觸發壓潰管，其中第7界面壓潰管壓縮行程最大，達到了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界面的界面力達到了1 000 kN，超出膠泥緩沖器的吸能范圍，觸發壓潰管，其中第6界面壓潰管壓縮行程最大，達到了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，未觸發壓潰管。所以，2列車以15 km/h的速度碰撞時，各界面產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2列AW0+50%坐席的列車在相對速度為25 km/h相撞時，第8界面的界面力最大，達到了1 400 kN，超過全自動車鉤的膠泥緩沖器和壓潰管的吸能范圍，觸發防爬裝置，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態力，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，各界面產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 結論

本文通過模擬仿真計算，得到了北京地鐵3號線列車車鉤及緩沖裝置在不同速度工況下發生碰撞時的吸能情況。計算結果顯示，2列AW0列車在相對速度8 km/h發生碰撞時，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列車在相對速度15 km/h發生碰撞時，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，車輛無任何損壞；2列AW0+50%坐席的列車在相對速度25 km/h發生碰撞時，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，客室無損壞。計算結果驗證了本項目車鉤及緩沖裝置配置的合理性，滿足本項目的設計要求。