地鐵車輛車鉤選型設(shè)計(jì)及實(shí)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(shè)計(jì)及實(shí)例分析南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司動車設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)的車鉤各部件選擇靈活。為使選用的車鉤滿足項(xiàng)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(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，分析研究了車鉤緩沖裝置選型設(shè)計(jì)時(shí)的影響因素，并對蘇州地鐵二號線項(xiàng)目車鉤從基本要求、物理特性、功能特性和性能仿真計(jì)算等角度進(jìn)行選型設(shè)計(jì)，使其充分滿足要求。以上工作也為其它地鐵車輛項(xiàng)目車鉤緩沖裝置的選型設(shè)計(jì)提供了參考。地鐵車輛，車鉤，緩沖裝置，選型設(shè)計(jì)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(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的沖擊，提高列車運(yùn)行的平穩(wěn)性和舒適性，能夠在列車以較高速度碰撞時(shí)保護(hù)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(xiàng)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(xiàn)[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(jìn)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(jié)構(gòu)的性能特點(diǎn)和技術(shù)現(xiàn)狀，研究了配置車鉤的主要影響因素，并在此基礎(chǔ)上對蘇州二號線的車鉤進(jìn)行了選型設(shè)計(jì)。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(shí)現(xiàn)機(jī)械、氣路和電氣的自動連掛和解鉤，并可進(jìn)行人工解鉤；半自動車鉤可以實(shí)現(xiàn)機(jī)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(jī)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(shè)計(jì)，便于安裝、拆卸和維護(hù)，一般分為機(jī)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(jié)構(gòu)示意圖。常用的全自動車鉤和半自動車鉤機(jī)械鉤頭有35型和330型兩種形式。35型鉤頭連掛范圍較大，結(jié)構(gòu)較為復(fù)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(zhuǎn)動中心進(jìn)行連掛狀態(tài)的識別，下部的導(dǎo)向桿導(dǎo)致電鉤只能布置在鉤頭兩側(cè)或上部。330鉤頭結(jié)構(gòu)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(guān)探測鉤舌位置進(jìn)行車鉤狀態(tài)的識別。機(jī)械鉤頭內(nèi)集成有總風(fēng)管連接器和解鉤風(fēng)管連接器，可以在車輛機(jī)械連掛的同時(shí)實(shí)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(qiáng)、無松脫、安全性高等優(yōu)點(diǎn)。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(shí)現(xiàn)車輛的電氣連接，電鉤后部布置有機(jī)械操縱機(jī)構(gòu)和氣缸，構(gòu)成電鉤連接的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。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(shí)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(diǎn)，大部分項(xiàng)目均采用此方式。為監(jiān)測連掛狀態(tài)等關(guān)鍵信息，半自動車鉤和半永久牽引桿可根據(jù)需要設(shè)置車鉤連接器觸點(diǎn)。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(jié)構(gòu)阻尼配合進(jìn)行吸能。彈性膠泥緩沖器為可恢復(fù)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(jià)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(jìn)行吸能。氣液緩沖器為可恢復(fù)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(jià)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(dāng)縱向壓縮載荷大于設(shè)定值時(shí)，加壓管和加壓錐進(jìn)入膨脹管內(nèi)部，利用其變形吸收能量。壓潰管為不可恢復(fù)能量吸收裝置，吸能容量大，能量吸收率高，結(jié)構(gòu)簡單，免維護(hù)，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(hù)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(cè)的螺母即可旋轉(zhuǎn)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(jī)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(gè)方向均具有能量吸收功能，結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格較低。EFG3橡膠緩沖器為可恢復(fù)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(shí)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(hù)裝置能夠在列車受到強(qiáng)烈沖擊、車鉤產(chǎn)生的作用力超過設(shè)定值時(shí)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(hù)作用。過載保護(hù)裝置一般用于列車端部車鉤，通過在車鉤鉤尾座內(nèi)部設(shè)置剪切銷或在鉤尾座與車體的連接螺栓后設(shè)置過載保護(hù)套實(shí)現(xiàn)。由于不同項(xiàng)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(shù)參數(shù)和車鉤性能要求從列車系統(tǒng)的角度進(jìn)行車鉤選型設(shè)計(jì)。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(yīng)滿足緩沖吸能要求，在進(jìn)行車鉤選型配置時(shí)需綜合考慮車輛質(zhì)量、碰撞速度、車體強(qiáng)度及車鉤安裝位置等因素。車輛的質(zhì)量越大、允許的沖擊速度越高，相應(yīng)產(chǎn)生的動能越大，對車鉤緩沖裝置的性能和車體強(qiáng)度的要求越高。車體強(qiáng)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(qiáng)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(shè)計(jì)時(shí)需保證車鉤吸能原件的作用力低于過載保護(hù)裝置的觸發(fā)力，過載保護(hù)裝置的觸發(fā)力低于車體強(qiáng)度，同時(shí)注意各部分的強(qiáng)度公差范圍。當(dāng)列車以較高的速度發(fā)生碰撞時(shí)，首先是車鉤緩沖裝置吸能，其次是過載保護(hù)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(shí)應(yīng)使車鉤連掛面與防爬器前端面之間的距離大于過載保護(hù)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(qiáng)度高于車體強(qiáng)度，導(dǎo)致車體損壞。車鉤安裝座后方應(yīng)有足夠的空間，使過載保護(hù)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(jié)構(gòu)再次接觸，兩者疊加的強(qiáng)度高于車體強(qiáng)度，導(dǎo)致車體損壞。列車前端結(jié)構(gòu)布置圖可以參見圖2。列車連掛和碰撞時(shí)，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(shí)對列車端部車鉤和中間車鉤設(shè)定不同的參數(shù)。選用的車鉤應(yīng)能在各種不利工況下順利通過項(xiàng)目的線路條件并可進(jìn)行連掛，在進(jìn)行車鉤選型配置時(shí)應(yīng)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(zhuǎn)中心的距離和車鉤回轉(zhuǎn)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(xiàng)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(jī)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(diǎn)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(jī)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(biāo)文件，車鉤選型將滿足以下基本要求：車鉤結(jié)構(gòu)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(shí)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(biāo)準(zhǔn)EN12663-2010中P-Ⅲ類車輛設(shè)計(jì)，要求車鉤抗拉載荷不低于640kN，抗壓載荷不低于800kN。滿足當(dāng)兩列AW2列車以5km/h的相對速度碰撞時(shí)，沖擊能量由可復(fù)原的緩沖器吸收，保證列車及所有車載設(shè)備的絕對安全；當(dāng)兩列AW0列車以15km/h的相互速度碰撞時(shí)，沖擊能量全部由可復(fù)原和不可復(fù)原的能量吸收元件吸收，不造成車體結(jié)構(gòu)的損壞。根據(jù)車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)強(qiáng)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(jié)合壓潰管緩沖吸能，頭部全自動車鉤的機(jī)械鉤頭為330型鉤頭，電鉤下置式安裝，設(shè)有35個(gè)觸點(diǎn)以滿足電氣傳遞和控制的要求，車鉤結(jié)構(gòu)如圖1所示，詳細(xì)的物理特性如表1所示。半永久桿結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。在滿足項(xiàng)目合同要求的前提下，充分考慮車鉤使用和維護(hù)需要，表2給出了蘇州2號線車鉤選型設(shè)計(jì)時(shí)具備的功能特性。為驗(yàn)證車鉤的緩沖吸能特性，假設(shè)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(xué)理論利用LS-DYNA進(jìn)行碰撞仿真計(jì)算，計(jì)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(shí)，其碰撞仿真結(jié)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(jié)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(shí)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(shí)，其碰撞仿真結(jié)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(yuǎn)，緩沖器行程順次減少。結(jié)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(shí)的沖擊能量。為驗(yàn)證車鉤的曲線通過和連掛性能，采用繪圖軟件Catia進(jìn)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(shí)的仿真結(jié)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(shí)的仿真結(jié)果