地鐵車輛車鉤選型設計及實例分析

TypeSelectionDesignandCaseAnalysisofMetroVehicleCouplerHuiguangLi,XingwenWang,XiaojieWangEMUSDesignDepartment,NanjingPuzhenRollingStockCo.LTD,Nanjing Received:Nov.1st,2014;revised:Nov.27th,2014;accepted:Dec.5th,2014Copyright?2014byauthorsandHansPublishersInc.ThisworkislicensedundertheCreativeCommonsAttributionInternationalLicense(CCBY).AbstractTheconfigurationofmetrovehiclecouplerhasnounifiedrequirements.Thecouplerisdesignedbymodularintegrationmethod,soitspartscanbechosenflexibly.Tomakethechosencouplermeettheprojectrequirementsandhavegoodperformances,basedontheintroductionofmetrovehiclecouplerandbufferdevice’smainstructure,theinfluencefactorsofcouplertypeselectiondesignareanalyzedandstudiedinthispaper,andthenthecouplertypeselectiondesignofSuz-houmetroline2isperformedtofullymeettheprojectrequirementsfromviewofbasicrequire-ments,physicalproperties,functioncharacteristicsandsimulationcalculations.Theaboveworkscanalsoprovidereferencesforthetypeselectiondesignofothermetrovehicleprojects.MetroVehicle,Coupler,BufferDevice,TypeSelectionDesign地鐵車輛車鉤選型設計及實例分析南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司動車設計部，南京 收稿日期：2014年11月1日；修回日期：2014年11月27日；錄用日期：2014年12月5日地鐵車輛車鉤在配置上沒有統(tǒng)一要求，采用模塊化集成設計的車鉤各部件選擇靈活。為使選用的車鉤滿足項目要求并具有良好的性能，在介紹地鐵車輛車鉤緩沖裝置主要結構的基礎上，分析研究了車鉤緩沖裝置選型設計時的影響因素，并對蘇州地鐵二號線項目車鉤從基本要求、物理特性、功能特性和性能仿真計算等角度進行選型設計，使其充分滿足要求。以上工作也為其它地鐵車輛項目車鉤緩沖裝置的選型設計提供了參考。地鐵車輛，車鉤，緩沖裝置，選型設計車鉤緩沖裝置是用于連接車輛使之保持一定距離，并傳遞牽引力及制動力的重要部件。它能夠吸收及緩和列車連掛和運行時產(chǎn)生的沖擊，提高列車運行的平穩(wěn)性和舒適性，能夠在列車以較高速度碰撞時保護列車和乘客安全，并具有氣路連接和電氣連接等功能。地鐵車輛車鉤緩沖裝置在配置上沒有統(tǒng)一要求。不同城市或項目對車鉤的總體布置和性能要求存在差異，鉤頭形式、緩沖裝置形式、車鉤與車體的接口形式、車鉤氣路和電路控制方式的選擇具有很大靈活性[1][2]。文獻[3]-[5]分別對上海地鐵車輛、昆明地鐵車輛和突尼斯動車車輛的車鉤選型進行了研究。為使配置的車鉤更好地滿足性能要求，本文介紹了地鐵車輛車鉤主要結構的性能特點和技術現(xiàn)狀，研究了配置車鉤的主要影響因素，并在此基礎上對蘇州二號線的車鉤進行了選型設計。地鐵車輛車鉤為密接式車鉤，分為全自動車鉤、半自動車鉤和半永久牽引桿三種。全自動車鉤可以實現(xiàn)機械、氣路和電氣的自動連掛和解鉤，并可進行人工解鉤；半自動車鉤可以實現(xiàn)機械和氣路的自動連掛，但電氣的連掛和解鉤通過人工操作完成；半永久牽引桿的機械、氣路和電氣的連掛和解鉤均由人工操作完成。車鉤采用模塊化的集成系統(tǒng)設計，便于安裝、拆卸和維護，一般分為機械鉤頭、電氣連接裝置、鉤身和鉤尾座等部分，圖1給出了全自動車鉤的結構示意圖。常用的全自動車鉤和半自動車鉤機械鉤頭有35型和330型兩種形式。35型鉤頭連掛范圍較大，結構較為復雜，鉤舌解鉤和連掛呈兩種不同的狀態(tài)，可以通過鉤舌的轉動中心進行連掛狀態(tài)的識別，下部的導向桿導致電鉤只能布置在鉤頭兩側或上部。330鉤頭結構簡單、成本較低，但鉤舌連掛和解鉤只有一種狀態(tài)，須通過探測開關探測鉤舌位置進行車鉤狀態(tài)的識別。機械鉤頭內(nèi)集成有總風管連接器和解鉤風管連接器，可以在車輛機械連掛的同時實現(xiàn)氣路連掛。半永久牽引桿之間通過卡環(huán)和螺栓連接，具有剛性強、無松脫、安全性高等優(yōu)點。全自動車鉤一般用于車端，將低壓、信號、通信電纜等與電鉤的觸頭連接后，通過電鉤實現(xiàn)車輛的電氣連接，電鉤后部布置有機械操縱機構和氣缸，構成電鉤連接的執(zhí)行機構。半自動車鉤和半永久牽引桿一般用于車間，通過人工操作實現(xiàn)電氣連接。車間的電氣連接除包含低壓、信號、通信電纜外，還要傳遞AC380V和DC1500V的中高壓線。由于跨接電纜具有連接方便可靠、成本低的優(yōu)點，大部分項目均采用此方式。為監(jiān)測連掛狀態(tài)等關鍵信息，半自動車鉤和半永久牽引桿可根據(jù)需要設置車鉤連接器觸點。鉤身連接鉤頭和鉤尾座，一般由剛性牽引桿和吸能緩沖器組成。鉤身常用的緩沖器有彈性膠泥緩沖器、氣液緩沖器和壓潰管。彈性膠泥緩沖器利用彈性膠泥本身的材料阻尼和緩沖器中節(jié)流裝置提供的結構阻尼配合進行吸能。彈性膠泥緩沖器為可恢復吸能緩沖器，吸能容量較大，能量吸收率較高，具有較好的舒適性，性能穩(wěn)定，檢修周期長，價格適中。氣液緩沖器利用氣體的可壓縮性和液體的阻尼配合進行吸能。氣液緩沖器為可恢復吸能緩沖器，吸能容量大，能量吸收率高，初始動作力小，具有很好的舒適性，性能穩(wěn)定、檢修周期長，但對密封性要求較高，價格較高，不適用于列車沖擊速度要求較高的情況。壓潰管由膨脹管、加壓管和加壓錐等零件組成，當縱向壓縮載荷大于設定值時，加壓管和加壓錐進入膨脹管內(nèi)部，利用其變形吸收能量。壓潰管為不可恢復能量吸收裝置，吸能容量大，能量吸收率高，結構簡單，免維護，但壓潰管觸發(fā)后需重新更換。由于壓潰管僅吸收壓縮方向的能量，且觸發(fā)力較高，一般與鉤尾座中的彈性緩沖器配合使用。鉤尾座一般由安裝座、高度調(diào)整裝置、對中裝置、過載保護裝置和內(nèi)部緩沖裝置等組成。車鉤通過安裝座與車體連接，在高度方向由固定于鉤尾座的橡膠堆支撐，松開橡膠堆兩側的螺母即可旋轉螺栓調(diào)整車鉤高度，根據(jù)相對車鉤安裝面的位置不同，可分為前置式安裝和后置式安裝。對中裝置有氣動對中和機械對中，自動對中角度一般為±15。，超過此角度后車鉤將停在偏心位置，須手動推回中間位置。鉤尾座內(nèi)部緩沖裝置通常為EFG3橡膠緩沖器或球鉸軸承，利用橡膠內(nèi)的摩擦和彈性變形來緩沖和吸收能量，在牽引和壓縮兩個方向均具有能量吸收功能，結構簡單，價格較低。EFG3橡膠緩沖器為可恢復吸能緩沖器，經(jīng)常與壓潰管配合使用，但由于橡膠的老化特性，吸能效果和舒適性隨時間的推移而降低。也可將彈性膠泥緩沖器集成于鉤尾座中。過載保護裝置能夠在列車受到強烈沖擊、車鉤產(chǎn)生的作用力超過設定值時發(fā)生動作，使車鉤脫離車體向后回退，防爬器相互作用繼續(xù)發(fā)揮吸能保護作用。過載保護裝置一般用于列車端部車鉤，通過在車鉤鉤尾座內(nèi)部設置剪切銷或在鉤尾座與車體的連接螺栓后設置過載保護套實現(xiàn)。由于不同項目對車鉤的總體布置和性能要求存在差異，車鉤各模塊選擇搭配靈活，為使車鉤更好的滿足要求，必須綜合考慮各種影響因素，根據(jù)車輛技術參數(shù)和車鉤性能要求從列車系統(tǒng)的角度進行車鉤選型設計。影響車鉤緩沖裝置選型配置的主要因素有：根據(jù)列車編組形式可以確定車鉤數(shù)量及連接車輛的車鉤類型。常見的六輛編組列車配置為：*Tc-M-M+M-M-Tc*其中：*為全自動車鉤或半自動車鉤；+為中間半自動車鉤或半永久牽引桿；-為半永久牽引桿。選用的車鉤應滿足緩沖吸能要求，在進行車鉤選型配置時需綜合考慮車輛質量、碰撞速度、車體強度及車鉤安裝位置等因素。車輛的質量越大、允許的沖擊速度越高，相應產(chǎn)生的動能越大，對車鉤緩沖裝置的性能和車體強度的要求越高。車體強度直接限制了允許車鉤緩沖裝置產(chǎn)生的最大作用力，車體強度越低，允許的車鉤緩沖器作用力越低，吸能容量和允許的沖擊速度越低。安裝后車鉤前端突出車體的距離直接限制了車鉤的最大允許行程，距離越小，車鉤選型的難度越大。在設計時需保證車鉤吸能原件的作用力低于過載保護裝置的觸發(fā)力，過載保護裝置的觸發(fā)力低于車體強度，同時注意各部分的強度公差范圍。當列車以較高的速度發(fā)生碰撞時，首先是車鉤緩沖裝置吸能，其次是過載保護裝置動作后的防爬器吸能，最后是車體前端吸能區(qū)吸能。為保證三級吸能充分發(fā)揮作用，車鉤選型和車輛布置時應使車鉤連掛面與防爬器前端面之間的距離大于過載保護裝置動作之前車鉤的壓縮行程，避免車鉤行程用盡之前兩車防爬器接觸，車鉤與防爬器疊加的強度高于車體強度，導致車體損壞。車鉤安裝座后方應有足夠的空間，使過載保護裝置動作后車鉤能充分向后移動，避免防爬器和車體前端吸能區(qū)行程用盡之前車鉤與車體結構再次接觸，兩者疊加的強度高于車體強度，導致車體損壞。列車前端結構布置圖可以參見圖2。列車連掛和碰撞時，端部車鉤最先接觸傳力和吸能，為使中間車鉤能夠充分發(fā)揮吸能作用，可在配置車鉤時對列車端部車鉤和中間車鉤設定不同的參數(shù)。選用的車鉤應能在各種不利工況下順利通過項目的線路條件并可進行連掛，在進行車鉤選型配置時應綜合考慮線路條件(最小圓曲線、S曲線等)、車輛長度和寬度、車鉤長度、車鉤安裝位置至枕梁中心距離等因素。車鉤連掛面距車鉤回轉中心的距離和車鉤回轉中心距枕梁中心的距離越大，曲線通過和連掛能力越差。根據(jù)項目要求不同，車鉤具有的功能特性有所不同。車鉤常見的功能要求有：使用壽命要求，重量要求，機械、氣路、電路連掛要求，解鉤要求，自動對中、高度調(diào)整要求，電鉤觸點數(shù)量及密封要求，氣路密封性要求，貫通道支撐要求等。蘇州2號線列車為五輛編組的B2型車輛，編組方式為：=Tc*Mp*M*Mp*Tc=其中，Tc表示帶司機室的拖車；Mp表示帶受電弓的動車；M表示不帶受電弓的動車；＝表示全自動車鉤；*表示半永久牽引桿。根據(jù)招標文件，車鉤選型將滿足以下基本要求：車鉤結構件使用壽命不小于30年，彈性緩沖器吸能元件使用壽命不小于10年。能夠在蘇州二號線的線路上順利通過，并實現(xiàn)車輛之間的連掛，最困難曲線半徑為車場線R150m和正線R350m-20m-R350m。車體按標準EN12663-2010中P-Ⅲ類車輛設計，要求車鉤抗拉載荷不低于640kN，抗壓載荷不低于800kN。滿足當兩列AW2列車以5km/h的相對速度碰撞時，沖擊能量由可復原的緩沖器吸收，保證列車及所有車載設備的絕對安全；當兩列AW0列車以15km/h的相互速度碰撞時，沖擊能量全部由可復原和不可復原的能量吸收元件吸收，不造成車體結構的損壞。根據(jù)車體結構設計強度為1000KN，參考蘇州2號線總體布置方案和車輛平面圖，選用的車鉤采用前置式安裝方式，由彈性膠泥緩沖器結合壓潰管緩沖吸能，頭部全自動車鉤的機械鉤頭為330型鉤頭，電鉤下置式安裝，設有35個觸點以滿足電氣傳遞和控制的要求，車鉤結構如圖1所示，詳細的物理特性如表1所示。半永久桿結構示意圖如圖3所示。在滿足項目合同要求的前提下，充分考慮車鉤使用和維護需要，表2給出了蘇州2號線車鉤選型設計時具備的功能特性。為驗證車鉤的緩沖吸能特性，假設車輛為剛體，車輛間的碰撞為對心碰撞，根據(jù)列車縱向動力學理論利用LS-DYNA進行碰撞仿真計算，計算模型如圖4所示。一列AW2列車與另一列考慮停放制動的AW2列車以6.5km/h的速度連掛時，其碰撞仿真結果如表3所示，可以看出，最大車鉤力發(fā)生在直接沖擊的連掛斷面5，車鉤壓縮力峰值為559kN，小于壓潰管的觸發(fā)力，壓潰管沒有被觸發(fā)，但第4斷面緩沖器行程接近極限。結果表明，即使考慮停放制動的影響，選定的車鉤配置仍能在彈性變形范圍內(nèi)吸收兩列車以6.5km/h的相對速度連掛時的沖擊能量。(a)公半永久牽引桿Table1.Physicalcharacteristicsofcoupl序號物理特性全自動車鉤公半永久桿11234/5/6≥1200≥1200≥12007≥850≥850≥8508//9//±25?±35?±35?±6?±6?±6?±15?//一列AW0列車與另一列考慮停放制動的AW0列車以16.8km/h的速度發(fā)生碰撞時，其碰撞仿真結果如表4所示，可以看出，最大車鉤力發(fā)生在直接沖擊的連掛斷面5上，車鉤壓縮力峰值為850kN，壓潰管接近最大行程，列車編組內(nèi)距離直接連掛沖擊斷面越遠，緩沖器行程順次減少。結果表明，即使考慮停放制動的影響，選定的車鉤配置仍能吸收兩列車以16.8km/h的相對速度碰撞時的沖擊能量。為驗證車鉤的曲線通過和連掛性能，采用繪圖軟件Catia進行連掛仿真分析。因頭車全自動車鉤最長，1○○234○○56○○7○○8○9●○○●○○●●○○●●○○表3.兩列AW2列車以6.5km/h相對速度碰撞時的仿真結果最大車鉤力(kN)緩沖器行程(mm)表4.兩列AW0列車以16.8km/h相對速度碰撞時的仿真結果