列车编组运营。在列车运行过程中,车钩可以传递纵向荷载,如牵引力和制动力,使车辆之间保持一定距离。车钩中的缓冲装置在列车启动、制动、调车作业以及列车运营作业中牵引力发生变化时能够缓和车辆间的纵向冲击和振动。另外车钩缓冲吸能装置作为车辆间主要的吸能部件,在列车发生碰撞时,能吸收大量冲击动能,降低乘员损伤,保护乘客安全。由此可见,车钩对于列车的安全运行起着至关重要的作用,对其抗冲击性能的研究已经是轨道交通领域的重要研究课题。当前高速动车组快速发展的大环境下,作为车辆间重要的连接部件,对动车组车钩的研究更为迫切。

动车组中间车钩缓冲吸能装置主要有钢弹簧缓冲器、橡胶缓冲器、液压缓冲器和气液缓冲器。如CRH2系列/CRH380A使用的柴田半永久车钩采用橡胶缓冲器,其缓冲器容量为10.78kJ;CRH3/CRH380B使用的福伊特半永久车钩缓冲吸能装置由金属环簧缓冲器、橡胶缓冲垫以及气液缓冲器组成,其中,金属环簧缓冲器容量为7.8kJ,气液缓冲器容量为40kJ;CRH5使用的丹纳半永久车钩缓冲吸能装置由金属环簧缓冲器、橡胶缓冲垫以及气液缓冲器组成,金属环簧缓冲器容量为2.5kJ,橡胶缓冲器容量为16kJ,气液缓冲器容量为75kJ;CRH1系列的中间半永久车钩缓冲吸能装置由金属环簧缓冲器、橡胶缓冲垫、压溃管组成,其金属环簧缓冲器容量为17kJ,压溃管容量达到525kJ。

综合对比发现,气液缓冲器与压溃管的吸能量明显高于其他类型的缓冲吸能装置。同时气液缓冲器使用氮气弹簧和液体黏滞阻力,具有容量大、性能稳定、良好的阻抗特性、无磨耗和维修量少等特点。因此,新统型的某中国标准动车组中间车钩缓冲吸能装置采用气液缓冲器与压溃管的串联结构,以满足更高运行速度中的缓冲与耗能需求。同时,既有中间车钩实验研究只针对单独的缓冲器或压溃管,对于气液缓冲器与压溃管串联模式的缓冲装置吸能特性的研究还尚未开展。因此,本文将以高速列车中间车钩为研究对象,探究其耐冲击行为。目前,车钩耐冲击性能的研究主要包括数学模型、静压实验、落锤实验与冲击实验。文献

推导气液缓冲器吸能量的计算公式,结合实际车辆连挂给出了缓冲能量的数值算例。文献建立车辆连挂冲击的数学模型和缓冲器修正模型,研究了钢弹簧缓冲器、橡胶缓冲器、液压缓冲器间的组合对车辆纵向冲击特性的影响。文献采用多体动力学方法,建立包括轨道、轮轨、车钩等多子系统的列车纵向-垂向平面碰撞动力学模型,研究列车碰撞响应机理。其中在对车钩建模时,根据实际车钩的动态特性曲线通过拟合方法获得了车钩的力函数。

文献建立两列车的对撞三维多体动力学模型,分析发现车钩作为列车碰撞过程中第一级吸能部件,能够有效保护车体。文献对缓冲器建立一种改进的非线性数学模型,其中考虑了弧面摩擦的影响,并增加了车钩转角失效单元,研究了车钩的稳定性与列车运行安全。文献建立考虑不同车钩和缓冲系统的列车动力学模型,分析车钩阻抗力和容量对列车运行安全的影响。由于车钩实际使用过程中强烈的非线性特性,采用数值模型并不能准确地得到车钩的力学特性,因此需要通过实验来分析车钩的力学行为,并获取其特性曲线。文献对车钩缓冲系统进行静强度实验,验证了车钩的伸缩性能,并分析了车钩的静态特性。

文献采用落锤实验研究缓冲器在加载和卸载过程中的迟滞特性,建立缓冲器非线性迟滞模型。文献通过12t落锤实验研究车钩缓冲器的特性曲线,并验证了低速台车冲击实验的有效性。由于气液缓冲器的耐碰撞性能受冲击质量、冲击速度影响较大,中间车钩长度为2.3m,落锤高度受到限制,实验速度无法满足实验要求。而台车冲击实验由于其更好的灵活性,冲击速度、冲击质量和能量均能模拟轨道车辆车钩的撞击场景需求,因此对车钩的动态实验采用台车冲击实验。

文献采用台车冲击实验研究头钩不同速度下的连挂特性,其实验方法是将一辆台车前端安装车钩的台车冲击另外一个安装在刚性墙上的车钩,考查其连接特性。然而,中间车钩与头钩不同,在动车组实际运营过程中始终处于连挂状态,其作用特性受前后两节车辆状态共同影响,其中包括复杂的轮轨关系、悬挂特性、动力分布等因素;其所受冲击速度也非列车碰撞速度,而是车辆间的相对速度。因此,需要对该种中间车钩设计特定的工装,来满足实验的要求。

1气液-压溃组合式缓冲装置吸能特性理论分析

国内某型号动车组用中间车钩总长为2.3m,结构如图1所示,由一端带缓冲器和一端带压溃管的两种车钩成对配合,实现车辆之间的机械连接。两种车钩之间通过连接卡环进行手工连接,采用易分离式连接卡环连接,能够确保连挂牢固、可靠、无间隙。带缓冲器中间车钩内装有环簧和气液缓冲器,由安装座、钩尾销、拉环橡胶轴承、气液缓冲器、风管连接器等零部件组成。带压溃管中间车钩装有压溃管装置,由安装座、钩尾销、拉环橡胶轴承、压溃管、连接卡环及风管连接器等组成。