開啟式液壓緩沖擋車器設計應用研究

韓鵬賢 中國鐵路上海局集團有限公司上海經濟開發公司

1 概述

擋車器一般安裝于軌道盡頭線終端，是為了避免列車意外失控時沖出線路，防止人員傷害及車輛和其他設施（建筑物、軌道、車站、遂道等等）的損壞，確保運營安全的必不可少的安全設備。

但在某些特殊情況下，擋車器需要安裝于線路中端區域而不是軌道盡頭線終端，以達到阻斷軌道線路的目的，不僅能夠適用于有特殊運營需求的既有線路，也適用于新建線路的分期、分階段建設的正線、或與正線接通的聯絡線、工程線或營業線改造的臨時“開通”和“遮斷”等有特殊要求的線路。既能保證運營線路的行車安全，又能為后續工程的建造與銜接提供安全的線路運行環境、便利的運輸聯絡。

為此，需要研究開發一種新型的擋車器產品，以滿足上述應用要求。例如，上海軌道交通二號線，實際是分段運行，廣蘭路站是分段運行的交匯點，所以需要有擋車器設備安裝于股道中間，把虹橋站方向和浦東機場方向的列車隔開，以防止意外發生。通常情況下，安裝在軌道上的這種擋車器處于制動狀態，以防止來自虹橋機場方向列車失控，沖撞處于正常運營、折返浦東機場方向的列車。當線路需要全線貫通時，擋車器則需要開啟，處于非制動狀態、矗立于軌道一側保證線路貫通、列車安全通過。

2 開啟式擋車器的設計依據

開啟式液壓緩沖擋車器與普通擋車器的應用場景完全不同，所以其設計必須根據使用場合的實際工況作為依據。

2.1 限界要求

根據建筑限界和設備限界之間應充分考慮建筑物上的設備和管線安裝位置，在寬度方向上設備和管線與設備限界之間應留出20 mm～50 mm安全間隙。

線路貫通時，擋車器矗立于軌道一側，設備內側邊緣距軌道中心≥1750 mm（凈距）。

2.2 擋車器設計參數

最大撞擊載荷：514 t（8輛、重載）；

最大撞擊速度：5 km/h（惰性速度）；

撞擊中心距軌面高度：720 mm；

鋼軌型號：60軌；

鋼軌軌距：1435 mm。

2.3 運行要求

安裝于鐵路軌道混凝土基礎上，平時處于制動狀態（中斷線路），可承受失控車輛的撞擊；當線路需要貫通時，擋車器開啟，處于非制動狀態，并矗立于軌道一側,保證線路貫通，車輛安全通過。

3 開啟式液壓緩沖擋車器的設計

開啟式液壓緩沖擋車器的設計分兩大部分，即擋車器主機設計和安裝基礎設計。

3.1 擋車器主機設計

3.1.1 結構特征

主機由鋼結構主架、液壓緩沖器、鋼結構基礎、卷揚機開啟牽引系統、電路控制系統等五大部分組成。擋車器結構如圖1所示。擋車器的主要受力部件主架三維圖如圖2所示。

圖1 擋車器結構示意圖

圖2 擋車器主架三維圖

鋼結構主架上部安裝液壓緩沖器，液壓緩沖器定位于線路中心位置，液壓緩沖器的前端裝有旋轉撞擊頭，鋼結構主架的下部通過前后支撐座鉸接于鋼結構基礎上，同時鋼結構主架內部會自動伸出支腿支撐于軌道中間，使鋼結構主架保持工作時的穩定性。

卷揚機開啟牽引系統由固定于鋼結構基礎后部的卷揚機、鋼絲繩、固定于墻壁上的定滑輪、固定于主架上的動滑輪和固定于墻壁上的復位緩沖器組成。3.1.2受力分析和液壓緩沖器的選取

根據工況要求，設備須滿足車輛撞擊動能：

需要選用一種制動能力不小于上述撞擊動能的液壓緩沖器，可滿足設計要求。

3.1.3 擋車器的工作原理

開啟式液壓緩沖擋車器定位于線路中心位置。當失控車輛沖撞擋車器時，車輛與旋轉撞擊頭接觸，承受失控車輛的慣性撞擊，并將失控車輛的慣性動能傳遞給液壓緩沖器。液壓緩沖器吸收車輛撞擊動能的同時，將撞擊力通過主架傳遞至鋼結構基礎上，從而達到止停車輛的目的。鋼結構主架的下部通過前后支撐座鉸接于鋼結構基礎上，同時鋼結構主架內部會自動伸出支腿支撐于軌道中間，使鋼結構主架保持工作時的穩定性。

當需要線路貫通時，卷揚機通過鋼絲繩，經過多組定滑輪和動滑輪，提升鋼結構主架到垂直位置，此時擋車器結構部分處于鐵路機車車輛限界條件（距軌道中心1750 mm）以外，復位緩沖器被壓縮，此時車輛可以安全通行；當需要阻斷線路時，卷揚機反轉，復位緩沖器推動鋼結構主架至一定角度，使其可以靠自身重力使液壓緩沖器定位于軌道中心位置，中斷線路。

開啟式液壓緩沖擋車器的開啟和中斷的極限位置由位置開關通過電控箱控制，并由保險銷鎖定。

手動葫蘆用于斷電狀態下的應急操作。當出現電力故障或其他不可估計的問題時，只能采取人工操作，可利用手動葫蘆，以保證線路的正常使用，確保安全運輸。

該擋車器操作簡單、可在車控室和現場分別操作或組合操作，以保證操作過程的安全性。設備中通過手拉葫蘆、保險銷、限位開關的組合應用保證了設備使用的安全性。

液壓緩沖器是擋車器的核心部件，用于吸收撞擊列車的動能。其為一閉式液壓系統，其油缸體內填充有一定壓力的氮氣及一定量的液壓油。氮氣與液壓油被一活塞分別隔離于兩個密閉空間內。由于氮氣具有可壓縮的特性，故而失控車輛撞擊液壓緩沖器的緩沖過程顯而易見，然后在失控車輛持續作用下液壓油從油缸體內的一腔通過閥孔排向另一腔，此時會產生大量的熱量。這一過程是液壓緩沖擋車器作制動功的過程，即消耗失控車輛慣性動能的過程。

液壓緩沖器在被壓縮的同時，油缸體內的總容積在縮小、氮氣的壓力在增大，液壓緩沖器內腔積聚了大量的壓力能，當列車撤離后，液壓緩沖器可通過壓力能的自動釋放幫助其自動復位至原始工作位。液壓緩沖擋車器自動復位功能將大大縮短事故處理時間，盡快恢復運營通車。

3.2 擋車器的安裝基礎設計

安裝基礎是連接擋車器主機和道床的部件，除了起到連接的作用，也承受來自車輛的撞擊力和扭矩，安裝基礎的設計必須根據擋車器的受力狀況來決定。

為滿足軌道交通的要求，擋車器和土建結構接口采取防迷流的絕緣措施，即中間增加10 mm厚的橡膠絕緣板。

3.2.1 擋車器安裝基礎的受力分析

根據上述對擋車器的結構設計，分析擋車器基礎的受力狀況。擋車器需承受F＝700 kN的水平撞擊力，其撞擊中心距軌面高度為720 mm，由于受到限界的控制，擋車器的設計主要尺寸如圖3和圖4所示。

圖3 擋車器安裝基礎示意圖

圖4 擋車器安裝基礎受力圖

擋車器安裝基礎分為基礎A和基礎B。

基礎A位于軌道路基上，與擋車器的鋼板基座通過螺栓連接，與隧道底板通過鋼筋連接，由于擋車器的水平撞擊力為700 kN，基礎A需承受的扭矩可分為水平面和垂直面的扭矩。計算中擋車器自重較小，可忽略不計。

水平面（側向）扭矩：M=700 kN×1.9 m=1330 kN·m

垂直面（縱向）扭矩：M=700 kN×0.861 m=603 kN·m

基礎B位于整體道床上，與擋車器通過銷釘連接，需承受垂直上拔力，其上拔力約為F=100 kN。

3.2.2 基礎A設計

基礎A采用C50鋼筋混凝土結構，長度為6 450 mm，寬度為450 mm。為保證基礎A能承受并傳遞擋車器巨大的縱向力和扭矩至矩形隧道底板上，通過植筋膠在矩形隧道底版上植入55根HRB500級φ20 mm鋼筋，鋼筋縱向布置間隔為350 mm，以保證基礎和底版的整體性，使基礎A和底板能錨固為一體；在基礎兩端設置高為300 mm的混凝土擋肩，以抵抗縱向撞擊力和水平扭矩。

擋車器鋼板基座和基礎的連接采用預埋尼龍套管和螺旋道釘緊固連接，并在基座和基礎間設置10 mm厚橡塑絕緣墊板，要求絕緣墊板與混凝土基礎及鋼板的摩擦系數大于0.55，并滿足絕緣電阻大于108 Ω，預埋套管和螺旋道釘的抗拔力大于100 kN。圖5為基座鋼板和基礎連接設計示意圖。

3.2.3 基礎B設計

基礎B長度為600 mm，寬度為600 mm。基礎B直接在原整體道床上鉆孔通過植筋膠植入4個尼龍套管，采用螺旋道釘緊固連接，并在鋼板基座和道床間設置10mm厚橡塑絕緣墊板，并滿足絕緣電阻大于108 Ω，預埋套管和螺旋道釘的抗拔力大于40 kN。圖6為基礎B和道床連接結構設計示意圖。

3.2.4 其他配套設計

擋車器用電功率約2 kW，在安裝現場需配套380 V動力電源，用于開啟擋車器。車站控制室與擋車器安裝現場間需敷設控制電纜。

4 結束語

開啟式液壓緩沖擋車器屬于國內首創，填補了軌道交通行業內開、啟合一擋車器的又一空白，為軌道交通的安全運營提供了又一新型保障設備。

安裝于上海軌道交通二號線東延伸段工程廣蘭路站地下隧道內的GYKQ720712型開啟式液壓緩沖擋車器，經過幾年的正常使用，目前狀態良好，受到用戶好評。

隨著軌道交通的高速發展，對軌道交通運行的安全設施要求越來越高，同時軌道交通形式多樣，應用場景層出不窮，由此需要性能優良高質量擋車器滿足現場運用要求。開啟式液壓緩沖擋車器的創新設計，對保證軌道交通運營安全暢通具有十分重要的意義。