密接式車鉤沖擊連掛過程仿真研究?

陳春棉 劉國偉

（1.湖南鐵道職業技術學院 株洲 412001）（2.中南大學軌道交通安全教育部重點實驗室 長沙 410075）

1 引言

目前，全世界尤其是我國的軌道交通進入新的大發展時期，隨著相關科技的不斷進步，軌道交通車輛的性能不斷完善，使得列車運行速度不斷提高，一旦發生列車碰撞和追尾事故將造成更加嚴重的后果。面對接連發生的列車碰撞和追尾事故，悲痛之外人們更多關注地是如何避免此類事故的再次發生或者盡量減少傷亡，因此如何保證軌道交通的安全性也逐漸成為整個社會輿論關注的焦點。

密接式車鉤緩沖裝置是列車連掛、運行以及制動過程中車輛間縱向瞬態沖擊的主要受力部件［1］。密接式車鉤緩沖裝置以其結合面間隙小、舒適性和安全性高已成為25T 型特快列車、高速動車組［2］以及地鐵車輛［3］平穩安全運行的關鍵部位之一［4］。列車安全技術中非常重要的一點就是如何實現列車的被動安全保護，即由于事發突然等原因導致無法通過人為作用避免事故發生，比如緊急制動或及時通知路況等。要實現列車在一定的撞擊速度下的被動安全保護，即保證車體外安裝的各部分吸能裝置，包括車鉤緩沖器、壓潰管、防爬器和主體吸能裝置以及車體結構次要部位在高速的撞擊速度下，能按照人的意志實現逐級、有序、可控的塑形變形，其前提是保證將要發生碰撞或追尾的列車的相鄰車鉤能順利且穩定連掛［5～9］。

2 密接式車鉤的工作原理分析

全自動密接式車鉤緩沖裝置連接系統包括機械連接、電氣連接以及氣路連接三個部分［9～10］。本文主要研究最重要的機械連接部分，其連掛原理如下。

圖1 密接式車鉤組成示意圖

如圖1 所示，機械連接部分由鉤體、中心軸、鉤舌、鉤鎖連接桿、鉤鎖彈簧、鉤舌定位桿及彈簧、定位桿頂塊及彈簧、解鉤風缸等組成。鉤體的前端一邊為凸錐體，另一邊為凹錐孔，呈對稱分布，連掛時相鄰車鉤的凸錐體分別插入對應的凹錐孔中，起到連接導向作用；中心軸通過定位銷垂直固定在鉤體中央，其上固定有鉤舌，鉤舌呈不規則曲線形狀；鉤嘴的位置靠近凹錐孔，鉤舌尾部通過銷孔與鉤鎖連接桿連接，鉤舌繞中心軸轉動可帶動鉤鎖連接桿動作；鉤舌定位桿通過銷孔與鉤舌連接，起到連接時定位和供解鉤風缸活塞桿作用，是車鉤實現連掛動作的關鍵零件，鉤舌定位桿上設有兩個定位凸緣，使鉤舌定位在待掛或連掛狀態；鉤鎖彈簧一端固定在鉤體上，一端與鉤鎖連接桿尾部相連，初始狀態處于拉伸狀態；連掛時，鉤鎖連接桿在鉤鎖彈簧拉力作用下使車鉤連接可靠；定位桿頂塊受到推力后，頂動鉤舌定位桿啟動兩車鉤的連掛［10～12］。

3 仿真模型的建立

按照某密接式車鉤的實際尺寸，運用ADAMS軟件建立密接式車鉤沖擊連掛的三維模型，其主要包括運動臺車、軌道、車鉤緩沖裝置模型和地面工裝。圖2 為密接式車鉤沖擊連掛的三維模型，左邊的為運動臺車及車鉤，右邊是地面工裝及靜止車鉤。

在仿真分析時，設定運動車鉤以15km/h 的速度沖擊固定車鉤，運動臺車及地面工裝的質量均為3000kg，密接式車鉤質量為360kg。

圖2 車鉤沖擊連掛三維模型

4 密接式車鉤沖擊連掛過程仿真研究

運動車鉤以15km/h 的速度沖擊靜止車鉤，兩車鉤成功連掛，并最后以相同的速度一起運行，仿真結果如表1 所示。下面對其連掛過程及主要連掛特性進行分析。

表1 時速15km/h沖擊連掛仿真結果

4.1 連掛過程圖分析

如圖3 所示為車鉤沖擊連掛的過程圖，圖中左方的是靜止的車鉤，右方的是運動車鉤，運動車鉤以15km/h 的速度沖擊靜止車鉤。由圖可見，兩車鉤開始連掛到連掛成功的過程中運動車輛就推著靜止車輛移動了，而在這短暫的移動過程中，鉤鎖連接機構完成連掛鎖閉的動作，之后兩車一起運行且兩車鉤沒有發生脫鉤的現象。可見在15km/h 的沖擊速度下，運動車輛沖擊靜止車輛能夠順利連掛成功。

圖3 車鉤連掛過程圖

4.2 連掛時間分析

連掛時間指的是相鄰車鉤的鉤鎖連接機構從車鉤待掛狀態到兩車鉤的鉤舌和鉤鎖連接桿形成一個平行四邊形連桿機構，完成兩車鉤穩定的連接鎖閉所用的時間。由于無法直觀判斷其準確的連掛時間，所以需通過間接的方式來分析。如圖4 所示，鉤鎖連接桿與鉤舌的連接孔的圓心點A 與中心軸軸心O 以及鉤鎖彈簧與鉤頭的連接點B 所形成的夾角AOB的大小在連掛前和連掛后是不同的，而且整個連掛過程中O 點和B 點不會移動，只有A 點隨著鉤鎖連接桿伸入相鄰鉤舌的鉤舌嘴內而移動從而造成夾角AOB角度的變化，故可通過分析其夾角變化所經歷的時間來判斷連掛時間的長短。

圖4 連掛前后夾角變化

圖5 夾角-時間變化曲線

圖5 所示為角AOB 隨時間的變化曲線圖，由圖可知連掛前的夾角大小為85.4°，連掛后夾角大小為32.4°；觀察曲線圖可以發現從夾角開始變化到達到鎖閉位夾角的時間很短，只有43ms，而之后夾角有一段小小的波動，最后才完全穩定下來，而這整個過程所經歷的時間即為連掛的時間，由圖可知連掛時間為49ms。

5 結語

在15km/h 的沖擊速度下，運動車輛沖擊靜止車輛能夠順利連掛成功，且連掛時間為49ms。對密接式車鉤的沖擊連掛過程進行仿真分析，能夠得到連掛過程的仿真結果及連掛時間，對密接式車鉤的性能研究具有借鑒作用。