高速動車組車鉤緩沖裝置技術的發展

陸青松，李 彬

(中車青島四方車輛研究所有限公司,山東 青島 266031)

我國軌道交通行業發展迅速，截至2020年年底，動車組保有量已超過3 800列，運用里程超過3.8萬km。從1996年成功研制第一列時速160 km動車組開始，我國動車組不斷提速，“大白鯊”高速電力動車組、DJJ1型“藍箭”電力動車組等時速200 km動車組相繼問世[1]；2002年我國擁有自主知識產權的DJJ2型“中華之星”電力動車組創造了當時321.5 km/h的“中國鐵路第一速”[2]；2004年我國開始引進技術，動車組設計制造水平又取得了長足的進步[3]。我國的動車組發展過程可分為3個階段：第1階段代表車型為CRH1A型、CRH2A型、CRH3C型和CRH5A型動車組；第2階段代表車型有CRH380A、CRH380BH和CRH380CL型動車組，CRH380D型動車組也誕生在這一階段；第3階段動車組是“復興號”動車組家族，包括時速350 km、250 km標準動車組和時速160 km動力集中動車組3個平臺產品，該階段的各系列動車組車鉤緩沖裝置除少部分為技術轉讓外，大部分完全由國內企業自主研發和生產。

1 我國高速動車組鉤緩裝置技術發展歷程

我國2002年研制的DJJ2型電力動車組使用的是擁有完全自主知識產權的鉤緩裝置，2004年開始引進動車組技術，初期同時引進了4個國外不同主機廠設計生產的動車組[4]，后期在設計中對技術引進的平臺產品均有一定程度的繼承，“復興號”動車組是我國自主知識產權的動車組，可作為單獨的一個平臺，因此，我國動車組鉤緩裝置可分為CRH1系列、CRH2系列、CRH3系列、CRH5系列和“復興號”系列動車組鉤緩裝置5大平臺[5]。

1.1 CRH1系列動車組鉤緩裝置

我國早期使用的CRH1A、CRH1B和CRH1E型動車組車鉤緩沖裝置由國外公司提供，后期使用的CRH1A-A和CRH380D型動車組車鉤緩沖裝置由國內外公司共同提供。CRH1A和CRH1B型動車組前端采用了伸縮式車鉤，以滿足前端開閉機構動作空間需求；CRH1E型動車組采用固定式前端開閉機構，所以車鉤取消了伸縮功能。該平臺短編動車組各車型的全自動車鉤均采用歐式10型車鉤配上置式電氣連接器的連掛系統，長編動車組各車型均使用符合AAR標準要求的D型和H型車鉤。圖1為CRH1A型動車組前端全自動鉤緩裝置，由機械車鉤、電氣車鉤、伸縮鎖定氣缸、伸縮機構、垂向支撐和橡膠餅緩沖器組成[6]。

圖1 CRH1A型動車組前端全自動鉤緩裝置

表1為CRH1系列動車組鉤緩裝置配置表。表1可以看出，動車組前端全自動鉤緩裝置的機械車鉤由原來的10型、H型和D型逐漸統一為歐式10型車鉤，緩沖器由橡膠餅緩沖器逐漸演變為氣液緩沖器，但中間鉤緩裝置的結構形式繼承度比較高，均為帶橡膠餅緩沖器的半永久車鉤。

1.2 CRH2系列動車組鉤緩裝置

CRH2A型動車組采用國外引進技術，CRH2B型動車組在CRH2A型動車組基礎上擴編至16輛編組，最高營運時速為250 km。早期的CRH2系列動車組全列車各個端面均采用柴田式連掛系統，短編動車組前端車鉤為自動車鉤，同時配有上置式電氣連接器，該型車鉤為分體式車鉤，機械車鉤和緩沖器通過十字銷連接。由于柱銷式車鉤和歐式10型車鉤并不能相互連掛，為了滿足鐵路總公司互聯互通要求，該平臺動車組后期普遍采用了統型車全自動車鉤，主要的變化在于機械車鉤由柱銷式車鉤改為歐式10型車鉤，橡膠緩沖器改為氣液緩沖器，分體式車鉤改為一體式車鉤。圖2為 CRH2A型動車組前端全自動鉤緩裝置，圖3 為CRH2A(統)和CRH380A型動車組前端全自動鉤緩裝置。

表1 CRH1系列動車組鉤緩裝置配置

圖2 CRH2A型動車組前端全自動鉤緩裝置

圖3 CRH2A(統)和CRH380A型動車組前端全自動鉤緩裝置

表2為CRH2系列動車組鉤緩裝置配置表。由表2可見，CRH2系列動車組前端全自動鉤緩裝置機械車鉤由原來的柱銷式車鉤逐漸演變為歐式10型車鉤，緩沖器逐漸統一為橡膠/氣液緩沖器，中間鉤緩裝置的結構形式繼承度比較高，均為帶疊層橡膠緩沖器的半自動鉤緩裝置。

1.3 CRH3系列動車組鉤緩裝置

CRH3C型動車組是我國引入的唯一一個時速300 km以上速度級的車型。CRH3C型和CRH380B型動車組鉤緩裝置是目前國內動車組用的車鉤中技術復雜程度最高的產品，圖4為CRH380B型動車組前端全自動鉤緩裝置，由機械車鉤、電氣車鉤、緩沖器、緩沖壓潰裝置、伸縮裝置和安裝吊掛裝置組成，其中伸縮系統可以實現車鉤200 mm的伸縮量。

表2 CRH2系列動車組鉤緩裝置配置

圖4 CRH380B型動車組前端全自動鉤緩裝置

CRH3系列動車組鉤緩裝置統一性較高，前端全自動鉤緩裝置均配有伸縮裝置，長編動車組僅在短編動車組基礎上取消了電氣車鉤。表3為CRH3系列動車組鉤緩裝置配置。

1.4 CRH5系列動車組鉤緩裝置

CRH5A型動車組設計營運速度為250 km/h，前端全自動鉤緩裝置由機械車鉤、電氣車鉤、緩沖器和安裝吊掛裝置組成(圖5)。電氣車鉤兩側放置，為2×98芯，采用200 mm的超大行程氣液緩沖器。

圖5 CRH5A型動車組前端全自動鉤緩裝置

CRH5系列動車組鉤緩裝置統一性較高，長編動車組僅在短編動車組基礎上取消了電氣車鉤。CRH5A型動車組中間鉤緩裝置采用擺動螺栓方式連接，為剛性連接。表4為CRH5系列動車組鉤緩裝置配置。

表3 CRH3系列動車組鉤緩裝置配置

表4 CRH5系列動車組鉤緩裝置配置

1.5 “復興號”系列動車組鉤緩裝置

動車組發展的第3階段是我國動車組技術全面走向自主知識產權關鍵階段，成功研制了“復興號”系列動車組。“復興號”系列動車組3個平臺產品中，每個速度級平臺下不同車型的車鉤緩沖裝置技術特征完全相同，不僅可以無障礙地實現相互救援，還可以實現重連運行。同時各平臺產品技術高度統一，重聯端車鉤均為歐式10型車鉤，電氣車鉤統一為上置式196芯大容量電氣車鉤，CR400型動車組和CR300型動車組平臺相同端面的緩沖器相同，且參數一致，僅在壓潰管配置上有所區別。另外“復興號”系列動車組鉤緩裝置完全由國內企業自主設計和生產。

CR400型動車組前端全自動鉤緩裝置主要由機械車鉤、電氣車鉤、后置式壓潰裝置、安裝吊掛裝置和緩沖器組成(圖6)，采用100 mm長行程氣液緩沖器、600 mm長行程壓潰管、上置式電氣車鉤，電氣車鉤動作可在車上單獨控制。表5 為“復興號”平臺動車組鉤緩裝置配置。

圖6 CR400型動車組前端全自動鉤緩裝置

表5 “復興號”平臺動車組鉤緩裝置配置

2 設計理念

由于動車組均設有流線型的前端開閉機構，同時，為提高其被動碰撞安全防護能力，部分車型車端還設有防爬吸能裝置，車鉤緩沖裝置、防爬吸能裝置和前端開閉機構組成了有機的整體，在設計階段不僅要系統考慮車端能量分配及動作順序，還需全面考慮其運動和空間的關系。因此，鉤緩裝置遵循了車端部件協同設計理念(圖7)，即在設計階段車鉤、前端開閉機構、防爬器和主吸能結構同步進行協同交互設計，未來將發展成為列車前端一體化設計，可對列車前端系統進行運動關系和位置關系校核，以提高設計的科學性和準確性[7]。

圖7 車端部件協同設計理念

3 碰撞試驗及仿真分析

3.1 實車碰撞試驗

針對列車碰撞設計了3個階段的碰撞吸能分配：列車發生碰撞時，其前端開閉機構碎裂，前端車鉤連掛，車鉤上的緩沖器、壓潰管等吸能機構受到撞擊后發生動作，完成列車的第一級吸能；當碰撞產生的能量高于車鉤的吸收能力時，主吸能結構觸發并與車鉤一同變形后退，完成第二級吸能；若碰撞沒有結束，碰撞界面后退至防爬器端面時，防爬器被觸發變形并與主吸能結構一同后退，完成第三級吸能。該設計提高了列車碰撞時能量吸收能力和效率，降低了列車爬車或脫軌的風險，大大提高了列車的安全性。圖8為針對動車組列車前端系統進行的實車碰撞試驗[8]。

圖8 動車組列車實車碰撞試驗

試驗由一列動車組列車以36 km/h的速度與另一列相同動車組的前端系統發生碰撞。試驗結果顯示，列車前端開閉機構發生碎裂，兩側車鉤連掛并發生變形后退，主吸能結構與防爬器發生變形后退。碰撞過程中所產生的總能量E利用動量定理計算，即：

(1)

式中：m——沖擊列車質量；

v——沖擊列車速度。

前端系統吸能結構吸收的能量EK根據動能定理計算，即：

(2)

式中：F——被沖擊車受力；

S——變形位移。

選取動車組碰撞試驗前2 s試驗結果對其能量變化進行分析。分析結果顯示，在碰撞過程中，列車碰撞產生的總能量保持不變，總動能不斷降低，總內能不斷增加，如圖9所示。總內能主要包括：前端開閉機構、車鉤、防爬器、主吸能結構等吸能結構吸收的能量。隨著碰撞過程的深入，在某個時間點總內能超過總動能，總動能為0時整個碰撞過程結束。列車的耐碰撞性能主要取決于列車前端吸能機構的能量吸收能力，如果吸能機構的能量吸收能力大于發生碰撞時產生的總內能，表明列車的耐撞性良好，列車上乘客的安全性高。

圖9 碰撞試驗能量變化圖

3.2 仿真分析

隨著我國對動車組技術的深度掌握和計算能力的提升，針對動車組的被動安全性能，部分車型在設計階段就參考國內外行業標準、結合我國實際情況設置碰撞場景，通過理論計算系統地對整列車能量吸收能力進行分配[9]。而車鉤緩沖裝置作為整車碰撞時最早參與能量吸收的部件，其緩沖器和壓潰管參數的選擇尤為關鍵，國內鉤緩裝置生產企業設計開發了列車縱向動力學計算軟件，利用列車縱向動力學計算軟件進行一體化協同仿真得到每個端面車鉤能量吸收參數的配置，為科學配置列車級能量吸收提供了理論支撐。計算時，對列車參數、車鉤參數以及防爬器參數進行配置，可通過列車縱向動力學計算軟件計算出列車各個斷面的車鉤力，并與其設計值進行對比，以判斷列車是否發生斷裂[10]。圖10為鉤緩系統列車級能量吸收仿真結果。圖10可見，設置相應參數后，通過列車縱向動力學計算軟件計算出最大車鉤力為623 kN，可將最大車鉤力與設計的車鉤力進行對比分析，判斷車鉤是否發生斷裂。

圖10 鉤緩系統列車級能量吸收及仿真結果

4 結論與展望

從我國動車組發展歷程來看，動車組鉤緩技術將把連掛接口統一為歐式10型車鉤，車鉤高度統一為1 000 mm，電氣車鉤統一為196芯，緩沖器統一為氣液緩沖器，且同平臺動車組其參數也有統一的趨勢。“復興號”動車組研制成功后，時速350 km、250 km和160 km動力集中動車組鉤緩裝置產品顯現出明顯的平臺特征，即“復興號”動車組平臺下全自動鉤緩裝置技術非常接近，且同速度級平臺、不同廠家生產的動車組可以互聯互通，重聯運行。

智能化是將來技術發展的方向，基于故障預判和大數據管理的智能化鉤緩裝置能顯著提高高速動車組車鉤緩沖裝置的技術水平。隨著電子技術的快速發展，以高帶寬、低延時等高速傳輸技術，高精度、小型化傳感器，實時監控為基礎的鉤緩裝置智能化和健康管理將成為技術發展的方向之一。同時，鉤緩裝置的發展離不開裝備技術的進步，研究能夠高效模擬實車運行的新試驗裝備，能夠促進鉤緩技術的進步，為鉤緩行業注入新的發展契機。列車前端一體化設計將提高設計的科學性和準確性，同時也將縮短列車的設計周期。目前國內的各大廠家正在投入試點一體化設計，未來一段時間內，列車前端一體化的設計方式將被廣泛推廣、應用。

總之，近年來由于以標準動車組為代表的技術研發和多年的技術積累，通過技術創新，自主開發研制的

鉤緩裝置產品全面覆蓋高速動車組、城市軌道交通車輛、干線機客車，其性能和壽命均達到了國外同行的水平。國內動車組鉤緩技術將朝著簡統化、平臺化、譜系化、數據互聯和智能化方向發展。