鉤緩系統在不同速度條件下各界面吸能特性研究

侯本虎，劉青波

(中車長春軌道客車股份有限公司 國家軌道客車工程研究中心，吉林 長春 130062)*

鉤緩系統是連接軌道交通車輛的重要組成部分，它連通了兩節車輛之間的氣路和電路，傳遞車輛之間的牽引力，同時還在調車、制動等過程中傳遞縱向沖擊力［1-2］.除此之外，鉤緩系統在列車連掛運行和發生碰撞事故的瞬間，可以耗散大部分的撞擊動能，從而起到保護司乘人員安全的目的［3-4］.隨著軌道車輛的不斷提速，鉤緩系統的對車輛發生意外撞擊時的能量吸收能力要求越來越高.

一般在低速或者車輛連掛速度等級下，列車所產生的能量完全可以通過車鉤可恢復性緩沖器進行吸收，一旦撞擊的速度增加超過這個界限，車鉤將會發生破壞，觸發壓潰管進行吸能［5］.在列車被動安全領域，英國通過車輛實車的試驗驗證了車輛事故發生時的撞擊效果，最終形成了EN15227列車的耐撞性能標準［6］;隨后美國和法國等國家也對鐵路車輛進行了相關的試驗驗證［7-8］，驗證了列車車輛的分級吸能方案;Varanis M等人［9］利用彈簧和阻尼結合的方式模擬車輛之間的非線性關系，來滿足車輛之間的連掛關系;肖守訥等人［10-11］利用LS-DYNA中119號材料模擬車鉤的加載和卸載曲線特性，來模擬驗證車輛的車鉤設計曲線是否滿足能量吸收要求.

綜上所述，目前鉤緩裝置模擬方法和碰撞能量管理的設計理念［12-13］較為全面，但是不同的碰撞速度對鉤緩裝置各界面的吸能變化規律研究相對較少，因此，通過列車車輛在不同碰撞速度條件下各界面的能量耗散來研究鉤緩系統的能量吸收規律.

1 鉤緩配置

1.1 鉤緩裝置組成

車鉤緩沖裝置主要由車鉤緩沖系統和壓潰管相互串聯而成，緩沖器的目的主要是緩解列車在正常運行過程中或者正常聯掛過程中產生的沖擊能量，提高列車運行的平穩性和舒適性.而當列車在非正常運行條件下或者較高速度條件下撞擊時，將會觸發車鉤壓潰管，此時緩沖器和壓潰管兩者會同時吸收撞擊能量，保護車輛和司乘人員安全.

本文采用在地鐵車輛中較為常用的EFG3橡膠緩沖器進行模擬分析，EFG3橡膠緩沖器屬于可復原型能量吸收元件，由三組環形的橡膠件組成，主要依靠橡膠內部分子之間的摩擦和彈性變形起到來緩解撞擊以及耗散能量，在車輛牽引和壓縮兩個方向均具有一定的彈性變形范圍［14-15］.

車鉤壓潰管屬于不可復原型能量吸收元件，以可變形的膨脹管為主，能量吸收率較高，安裝于車鉤桿上，管件的管口安裝有略大于管口直徑的膨脹塊，可以吸收較高速度的沖擊，當緩沖器能量吸收不足時，會觸發壓潰管通過自身的管件的膨脹來吸收能量.車鉤緩沖器和壓潰管觸發示意圖如圖1所示.

1.2 碰撞動力學

目前，現成的物理和數學模型只能建立部分現象和問題的方程，而對于復雜的現象或問題，比如涉及到非線性大變形的列車碰撞過程，就無法利用現成的數學方程來表述，但是根據影響系統中各參數之間的因果關系可以在模型設計暴露系統中的物理實質.

對于不同的模型和不同的模型對象，可選用不同的量綱參數進行求解，根據E.Buckingham對于物理現象的研究過程中，提出了用基本物理量和導出物理量的關系，結合一般機械結構模型的特點，得出普遍現象的通用理論［16］:

圖1 鉤緩系統吸能順序示意圖

式中:m代表質量，a代表加速度，v代表速度，x代表長度，F代表系統作用激勵，t代表時間.

根據文獻［8］中對車輛碰撞彈塑性行為變形的模擬，車輛之間以及輪軌之間的關系通過彈簧和阻尼來模擬非線性的行為，可得出地鐵列車的碰撞動力學運動方程為:

其中:［M］、［C］、［K］分別為地鐵列車系統的質量、阻 尼 和 剛 度 矩 陣; {(t )}、 {(t )}、{ X (t)}分別為地鐵列車系統的加速度、速度和位移向量;{F}、{P } 分別為地鐵列車系統的外部作用力向量和接觸界面力向量(僅碰撞界面).

2 碰撞模擬

2.1 碰撞模型的建立

本文以某6輛編組的地鐵車輛為研究對象，建立列車碰撞動力學模型，如圖2所示，鉤緩系統分為頭鉤全自動車鉤、中間半自動車鉤和中間半永久車鉤三種，根據列車中間界面的碰撞吸能規律建立了三種配置的半永久鉤緩裝置.

圖2 列車碰撞動力學模型

全自動車鉤具有自動連掛和自動解鉤的功能，用于列車之間的連接，半自動車鉤用于編組單元(Tc-Mp-M為一個編組單元)之間的連接，可以自動連掛，但需手動解鉤，半永久車鉤永久編組單元內部車輛之間的連接，需手動連掛和手動解鉤，車鉤配置具體參數如表1所示.

表1 鉤緩系統配置參數匯總表

根據不同的碰撞速度建立了包括(5，8，10，15，20 km/h)在內的五種碰撞工況，分別針對不同速度條件下，車鉤緩沖器和壓潰管的具體壓縮特性進行研究，具體碰撞工況如表2所示.

本文以以一般B型地鐵車輛的重量進行設置，Tc車質量33t，Mp/M車質量35 t.

當兩列車到站時的制動或發生車輛連掛時，車鉤緩沖器在可恢復性的能量吸收范圍內完成操作，無需更換部件.

當車輛發生低速碰撞或者意外碰撞的時候，車鉤壓潰管會被觸發，發生塑性變形并吸收大部分的能量，以保護司乘人員和車輛的安全.

表2 碰撞工況匯總表

2.2 不同工況仿真分析

根據2.1節中車輛的配置和工況進行計算，鉤緩系統能量配置如圖3所示，“=”為頭鉤全自動車鉤;“+”為中間半自動車鉤;“A、B、C”為中間半永久牽引桿.

圖3 鉤緩系統配置圖

S6是列車的碰撞界面，也是能量吸收的主要界面，符合列車碰撞特點［17-18］，S6界面在不同工況條件下的界面行程如圖4所示，碰撞界面的行程使用量與初始碰撞動能成正比，當界面的吸能行程控制在緩沖器的行程范圍(55+55)mm內時，各界面的吸能行程隨著碰撞速度的提高呈線性增長;而當界面的吸能行程超過緩沖器的行程范圍(55+55)mm內時，車鉤壓潰管參與吸能，各界面的吸能行程隨著碰撞速度的提高呈正相關，速度增加越大，動能越大，從而導致各界面的吸能量增加，但是壓潰管塑性變形屬于非線性范疇，所以各界面的車鉤的行程壓縮量沒有一定的規律，五種工況各界面的壓縮行程如圖5所示，工況一、工況

圖4 碰撞界面的行程與時間特性曲線

圖5 各界面的吸能行程特性曲線

二和工況三的速度增加量較小，初始動能的增加量小，所以各界面行程使用變化量小，但是隨著碰撞速度的增加，初始動能量也成倍的增加，S5和S6兩個主要的能量吸收界面所需要耗散的能量也會成指數型上漲，各界面的具體使用行程如表3所示.

表3 碰撞界面使用行程對比 mm

由于碰撞結果顯示主被動車輛各界面的使用行程幾乎對稱，本文以主動車各界面為研究對象，各界面行程使用量從S6界面到S1界面依次遞減，但除碰撞界面外，各界面的行程使用量較為平均，極大降低了個別界面的承載壓力，平衡了各個界面的能量吸收，也體現了配有EFG3緩沖器鉤緩系統的吸能特點，各界面具體行程使用量見表4.

表4 不同工況各界面使用行程匯總 mm

3 結論

(1)列車車輛的鉤緩系統是保障車輛正常運行和連掛的重要部件，車鉤緩沖器在其可復原性變形范圍內緩解車輛連掛所產生的沖擊能量，提高列車運行的平穩性和舒適性.一旦列車車輛發生意外碰撞，車鉤壓潰管將會被觸發，緩沖器和壓潰管共同吸收撞擊能量，保護車輛和司乘人員安全;

(2)碰撞界面是碰撞發生時主要的能量吸收界面，此界面的鉤緩裝置行程壓縮量與列車車輛的初始動能有關，與初始動能的增加量成正相關;

(3)通過不同碰撞速度的模擬分析，除碰撞界面外，其余各界面鉤緩裝置行程壓縮量從一位端到二位端呈遞減趨勢，但總體較為均衡，有效緩解了列車車輛一位端的沖擊壓力.