淺談國內(nèi)外地鐵車輛車鉤緩沖裝置

陳煒森

摘要：車鉤緩沖裝置作為地鐵列車的安全配置，應(yīng)具備足夠的強(qiáng)度、連接分解操作簡單可靠、緩解加減速時列車內(nèi)產(chǎn)生的沖擊力等特點(diǎn)，保障乘客的安全及舒適感。本文通過對國內(nèi)外車鉤緩沖裝置的發(fā)展與對比分析，車體強(qiáng)度以及車鉤緩沖裝置在有無碰撞要求時存在較大差異。

一、地鐵車輛半自動車鉤和半永久車鉤論述

（一）半自動車鉤

半自動車鉤由車鉤頭、風(fēng)管接頭、車鉤牽引桿、橡膠墊鉤尾座、對中裝置、卡環(huán)、地線組成，可以實(shí)現(xiàn)鐵路車輛的自動連接。一節(jié)車廂駛到另一節(jié)車廂并對準(zhǔn)后，這種車鉤即可在無需人工協(xié)助的情況下實(shí)現(xiàn)車廂的連掛。即使在連掛車輛存在水平和垂直角度誤差時，這種車鉤也可實(shí)現(xiàn)車輛的自動連接，并可實(shí)現(xiàn)連掛列車的豎曲線和平曲線運(yùn)動及旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。

除可實(shí)現(xiàn)機(jī)械連掛外，這種車鉤實(shí)現(xiàn)了風(fēng)管自動對接，減震器確保了減震作用，對緩沖和牽引均有效。半自動車鉤配備了能量吸收裝置，可在受到重沖擊時起作用，從而保護(hù)了車身底架不受損。半自動車鉤實(shí)現(xiàn)機(jī)械連掛后，風(fēng)管會自動連接起來。半自動車鉤只能通過手動驅(qū)動車鉤頭處的解鉤桿來進(jìn)行解鉤，如兩個連掛車鉤的鉤鎖意外解開，需將車輛分離后再次連掛，在軌道旁完成解鉤和分離后，車鉤會再次進(jìn)入連掛準(zhǔn)備狀態(tài)。

半自動車鉤與傳統(tǒng)車鉤相比，它不需要人工操作，自動連掛方便快速。當(dāng)出現(xiàn)緊急故障時，能迅速自動對接被拖離現(xiàn)場，而不影響線路的正常運(yùn)營;傳統(tǒng)的車鉤不能實(shí)現(xiàn)自動連接，都是人工操作，所以半自動車鉤比傳統(tǒng)車鉤更加靈活。

（二）半永久車鉤

半永久車鉤由風(fēng)管接頭、車鉤牽引桿、橡膠墊鉤尾座、卡環(huán)、地線組成，它的設(shè)計可確保車輛的永久連接，使車輛的各節(jié)車廂在運(yùn)動中形成一個整體，除遇到緊急狀況或在庫區(qū)進(jìn)行維護(hù)之外，無需分離車輛，車鉤半部之間由便于拆卸的卡環(huán)連接，這種連接方式剛性佳、無松脫、安全性高，該款車鉤可實(shí)現(xiàn)列車的豎曲線和平曲線運(yùn)動。

半永久車鉤緩沖裝置確保了減震作用對緩沖和牽引均有效;半永久車鉤連掛后，風(fēng)管將自動完成連接;半永久車鉤半部分離只能手動完成。

半永久車鉤把整列車連掛成一個整體，而連掛之間沒有間隙，能實(shí)現(xiàn)風(fēng)管的自動對接，無特別情況下無需分離，這種與傳統(tǒng)的車鉤相比，傳統(tǒng)車鉤連掛后間隙大，有碰撞震動大，風(fēng)管的對接和分離都需要人工來操作，相比下半永久車鉤在連接和解鉤更具有優(yōu)點(diǎn)和先進(jìn)性。

目前典型的客車車鉤緩沖裝置是以歐系的密接式車鉤緩沖裝置為代表。日本鐵路按鉤型可分為普通車鉤、剛性車鉤和密接式車鉤。普通型車鉤類似于我國的2號、15號車鉤;剛性車鉤是在普通車鉤基礎(chǔ)上去掉了縱向間隙并增加了連鎖結(jié)構(gòu);密接式車鉤又分為方錐式與圓錐式2種。日本新干線電動車組用的密接式車鉤的破壞強(qiáng)度由原來1200 kN提高到1600 kN甚至達(dá)1800 kN。

二、車體強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)對縱向載荷的要求

車輛車體強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)我國與國外一些發(fā)達(dá)國家對車輛縱向載荷要求有所差異。美國標(biāo)準(zhǔn)（APTA SSA&S-034-9，Rev.2鐵道客車的結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)）中，對有無CEM（碰撞能量管理）系統(tǒng)的車體縱向壓縮強(qiáng)度的要求有很大區(qū)別：有CEM系統(tǒng)且?guī)Ъ羟熊囥^的車體壓縮力為2560kN，無CEM系統(tǒng)的車體壓縮力為3560kN;日本標(biāo)準(zhǔn)（JIS E7105鐵道車輛車體靜強(qiáng)度試驗(yàn)方法）中，對車體縱向壓縮強(qiáng)度的要求最大為980kN;歐洲標(biāo)準(zhǔn)（EN12663軌道車輛車體的結(jié)構(gòu)要求）中，車體縱向壓縮強(qiáng)度依據(jù)車輛種類而不同：干線客車的壓縮強(qiáng)度為1500kN或2000kN，城軌車輛一般為800kN;我國標(biāo)準(zhǔn)（TB /T1335鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計及試驗(yàn)鑒定規(guī)范）中，對車體縱向壓縮強(qiáng)度的要求為1180kN（轉(zhuǎn)化成與其他標(biāo)準(zhǔn)相同安全系數(shù)則壓縮強(qiáng)度為1700一1900kN）。除此之外，國際鐵路聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)（UIC566客車車體及其構(gòu)件的載荷）中，對車體縱向壓縮強(qiáng)度的要求為2000kN。對比如表1所列。

表1 國內(nèi)外車鉤強(qiáng)度及車體強(qiáng)度對比表??? kN

國家

車鉤強(qiáng)度

車體縱向壓縮強(qiáng)度

美國

2950

有CEM帶剪切車鉤

2560

無CEM

3560

日本

1600

干線客車

980

歐洲

1500

干線客車

1500/2000

城軌車輛

800

中國

1800/2000

25G/T客車

1700-1900

各個標(biāo)準(zhǔn)對車體承受縱向載荷的規(guī)定是由不同的設(shè)計理念決定的，美國和歐洲甚至我國強(qiáng)調(diào)發(fā)生事故后的消極防護(hù)，以確保乘客的生命安全，而日本則更偏向于輕量化車體結(jié)構(gòu)，充分利用車體結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度，用列車控制技術(shù)來保證安全性。但是，日本的車鉤強(qiáng)度卻不低，這說明事故的發(fā)生概率可以通過控制或謹(jǐn)慎駕駛來降低。但車鉤強(qiáng)度高在一定程度上提高了運(yùn)行的可靠性，延長了車鉤的使用年限，降低了更換率。

三、典型車輛的車鉤與車體強(qiáng)度

選取CRH系動車組，城軌車輛及25G/T客車為例，簡單介紹其所用車鉤及車體強(qiáng)度，具體參數(shù)見表2，從中基本看出二者一之間的聯(lián)系。

CHR系動車組一般都采用了自動車鉤、半永久性（半自動）車鉤及過渡車鉤（緊急車鉤）等3種車鉤。自動車鉤置于動車組頭車的前端，用于連接其他的動車組;半永久性（半自動）車鉤置于頭車的后端和所有其他車輛的兩端。過渡車鉤只有在動車組需要緊急救援回送時使用。

由表2所列幾種典型車輛的車鉤配置及車體強(qiáng)度可以看出，除了CRH2動車組車鉤強(qiáng)度遠(yuǎn)高于車體強(qiáng)度，CRH5動車組中間車鉤低于車體強(qiáng)度以外，CRH系動車組車鉤強(qiáng)度與車體強(qiáng)度基本相當(dāng)，城軌車輛的車鉤強(qiáng)度與車體強(qiáng)度也基本在同一水平，25型客車的車鉤強(qiáng)度高于車體強(qiáng)度。

表2? 典型車輛車鉤及車體強(qiáng)度

列車

編組數(shù)/輛

重量/t

制動力/kN

車鉤配置及強(qiáng)度 /kN

車體強(qiáng)度/kN

CRH1

8

485

400

自動車鉤，半永久性車鉤

1500壓縮

1000拉伸

1500壓縮

1000拉伸

CRH2

8

408.5

300

自動車鉤，半自動車鉤

3100壓縮

1600拉伸

980壓縮

CRH3

8

475

300

自動車鉤，

半永久性車鉤

1500壓縮

1000拉伸

1500壓縮

1000拉伸

CRH5

6

364

260

自動車鉤，

半永久性車鉤

1500壓縮

1000拉伸

800壓縮

700拉伸

A型地鐵

6

220

410

自動車鉤，半永久性車鉤，半自動車鉤

1200壓縮

1000拉伸

1200壓縮

1000拉伸

B型地鐵

6

201

375

自動車鉤，半永久性車鉤，半自動車鉤

1000壓縮

800拉伸

1000壓縮

800拉伸

25G/T

18

1000

480

15號車鉤

密接式車鉤

2000壓縮

1800壓縮

1180壓縮/980拉伸

四、車鉤與車體強(qiáng)度的匹配

從上述對比中可以看到，美國車輛無論是車鉤還是車體強(qiáng)度要求都比較高，大于2500kN;歐洲車輛的車鉤與車體強(qiáng)度基本在同一水平，約1500kN左右;日本車輛的車鉤強(qiáng)度遠(yuǎn)高于車體強(qiáng)度;我國干線客車的車鉤強(qiáng)度也高于車體強(qiáng)度，而城軌車輛則車鉤、車體強(qiáng)度相當(dāng)。

低速碰撞時，碰撞所產(chǎn)生的能量只依賴于車鉤緩沖裝置來吸收是不夠的，需要考慮多級能量吸收系統(tǒng)來有序地耗散，圖1給出了耐碰撞車體的縱向載荷變形行程曲線。

圖1? 耐碰撞車體縱向載荷----變形行程特征

圖2給出了一種典型列車前端車鉤緩沖器配置方案。包括了EFG橡膠緩沖器、膠泥緩沖器、過載保護(hù)裝置、車體兩側(cè)防爬器，這些緩沖吸能部件的初始動作力和強(qiáng)度是依次增加的，在列車發(fā)生較高速度的沖擊時依次開始發(fā)揮緩沖吸能作用。

圖2? 列車前端車鉤緩沖器配置

整個緩沖吸能過程可以分為4個階段：

（1）EFG橡膠緩沖器最先發(fā)揮緩沖吸能作用;

（2）作用力上升達(dá)到膠泥緩沖器的初始動作力時，膠泥緩沖器開始變形，吸收沖擊能量;

（3）膠泥緩沖器內(nèi)的作用力隨緩沖器行程增加而上升，當(dāng)超過過載保護(hù)裝置的強(qiáng)度時，過載保護(hù)裝置將動作，使車鉤與車體分離;

（4）車體兩側(cè)的防爬器以及車體前端吸能區(qū)接觸，繼續(xù)吸收沖擊能量。

為了實(shí)現(xiàn)上述的列車前端車鉤緩沖裝置和車體吸能區(qū)的功能，列車前端的車鉤等部件必須合理布置，如圖3所示。

圖3? 列車前端的布置

車鉤前端面與車體吸能區(qū)前端面之間的距離必須大于過載保護(hù)裝置動作之前車鉤可能發(fā)生的壓縮行程（如EFG橡膠緩沖器與壓潰管的行程之和），并留有一定的制造公差。否則，車鉤行程用盡之前會出現(xiàn)兩車前端吸能區(qū)接觸，兩者一疊加的強(qiáng)度高于車體強(qiáng)度，可能導(dǎo)致車體損壞。車體上的車鉤安裝座后方也必須留有足夠的空間，保證車鉤過載保護(hù)裝置動作后車鉤能充分向后移動，避免在車體吸能區(qū)行程用盡之前再次承受縱向力并與車體吸能區(qū)疊加形成高強(qiáng)度導(dǎo)致車體損壞。

由此可見，在考慮低速碰撞時，需要設(shè)計一個完整的由多個吸能裝置構(gòu)成的能量耗散系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)能量的有序消散。車鉤緩沖裝置的性能作為列車的一項(xiàng)總體性能，列車的其他總體參數(shù)，如列車編組型式、編組中各車輛的重量、車體強(qiáng)度、不導(dǎo)致車體損壞的最大沖擊速度、車鉤前端面允許突出車體前端的距離、停放制動列車的摩擦系數(shù)等，都影響車鉤緩沖裝置的配置，特別是車體強(qiáng)度，幾乎可以說對列車的允許沖擊速度有決定性的影響，所以，車鉤緩沖裝置強(qiáng)度適當(dāng)?shù)陀谲圀w強(qiáng)度的同時，其配置要求應(yīng)與列車的總體參數(shù)一起考慮。

5、結(jié)語

通過對比國內(nèi)外車鉤緩沖裝置發(fā)展、車體強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)對車體縱向載荷的要求，以及典型車輛車鉤配置和車體強(qiáng)度指標(biāo)，總結(jié)如下兩點(diǎn)：（1）在不考慮碰撞的情況下，車鉤緩沖裝置的強(qiáng)度一般與車體強(qiáng)度相當(dāng)，或者略高于車體強(qiáng)度。（2）在考慮低速碰撞時，需設(shè)置剪切車鉤或過載保護(hù)裝置，車鉤緩沖裝置的強(qiáng)度應(yīng)適當(dāng)?shù)氐陀谲圀w強(qiáng)度。