城轨车辆车钩缓冲器的配置与能量吸收.pdf

1 概述缓冲器是城轨车辆车钩系统重要部件之一，其主要作用如下1：1）缓和列车在正常运行中出现的纵向冲击，提高列车运行平稳性和舒适性；2）缓和和吸收列车正常联挂时产生的冲击；3）吸收列车在非正常状态下以较高速度撞击时的冲击能量，保护车底架不受损坏 、乘客不受伤 。城轨车辆车钩目前常用的缓冲器形式有橡胶缓冲器 、胶泥缓冲器 、气液缓冲器和压溃管等，不同的缓冲器配置直接影响车钩的缓冲和能量吸收性能 。本文通过对各种缓冲器的结构 、性能的介绍，阐述了缓冲器的不同配置对车钩系统缓冲和能量吸收性能的影响 。2 用的是环形的橡胶缓冲件 。牵引和压缩方向均具有能量吸收功能，目前在城轨车辆车钩系统中普遍采用 。时结合胶泥缓冲器或压溃管还可以满足较高速度下列车碰撞的能量吸收要求 。这种缓冲器可以根据容量的需要设计成有两组橡胶环的有三组橡胶环的 冲器属于可复原的能量吸收部件，其结构如图 1 所示 。1枢轴； 2轴承座； 3上壳体； 4橡胶环； 5芯轴； 6下壳体；7枢轴 。图 1 为 胶缓冲器的特性曲线，从图中可看出，作用力的大小与冲击速度有关，冲击速度越高，作用城轨车辆车钩缓冲器的配置与能量吸收帅纲要1，常 明2，何 华2（ 1. 南车株洲电力机车有限公司，湖南 株洲 412001； 2. 福伊特驱动技术（上海）有限公司，上海 201108）摘 要： 介绍了城轨车辆车钩缓冲器的形式，通过对缓冲器的结构 、性能和特性的分析，阐述了缓冲器的配置与能量吸收的关系，为城轨车辆车钩缓冲器的设计选型提供了依据 。关键词： 城轨车辆；缓冲器；配置；能量吸收中图分类号： 献标识码： A 文章编号： 16722009） 051. o., 12001, . 01108, it 2 卷 第 5 期2009 年 9 月 20 日32 5202009收稿日期： 2009- 03- 30作者简介：帅纲要，工程师， 1987 年毕业于株洲工学院机械制造专业，从事城轨车辆部件设计工作 。 大 。以下为目前国内 大压缩行程： 55大拉伸行程： 40量（压缩）： 量（拉伸）： 大静态压缩力： 680大静态拉伸力： 390量吸收率： 3040。图 2 泥缓冲器弹性胶泥缓冲器的工作原理和结构如图 3 所示 。图 3 胶泥缓冲器将弹性胶泥材料装进一个能够承受一定压力的缓冲器活塞缸体内，根据实际运用的需要增加一定的预压缩力，当活塞杆受到一定的压力（静压力或冲击力）时，活塞利用活塞缸内的节流孔或节流间隙以及弹性材料本身体积被压缩产生的反作用力产生一定的阻抗力 。当活塞杆外力撤销后，弹性胶泥的体积会自行膨胀，将活塞推回到原始位置 。弹性胶泥缓冲器一般具有较高的初始动作力，所以经常与 胶缓冲器配合使用，拉伸方向的冲击和压缩方向较小的冲击（例如车辆正常联挂时的冲击）由胶泥缓冲器吸收压缩方向较大的冲击 。胶泥缓冲器的容量较大，例如， 150 行程的胶泥缓冲器的容量约为 142 量吸收率一般为 55%65%。胶泥缓冲器的特性以及与 胶缓冲器配合的特性如图 4 所示，作用力随行程增加而上升，同时作用力随冲击速度上升而上升，但是不敏感 。所以这种缓冲器能在各种冲击速度下很好地发挥吸能作用，同时作用力不至于超过车体强度 。图 4 胶泥缓冲器结合 液缓冲器气液缓冲器是将气体和液压油作为介质，利用气体和液压油的特性组合成具有吸能特性的可恢复式缓冲器，气体的可压缩性可满足较低速度初始能量吸收，液体的阻尼可满足较高速度的能量吸收 。如图 5 所示，气液缓冲器一端由一个带增压阀的活塞与充满液压油的油缸组成，另一端由充满氮气的气缸及带密封的活塞组成，活塞一边充满氮气而另一边充满液压油 。一般的气液缓冲器，气体和液压油均承受压缩方向负荷，在拉伸方向需要设置环弹簧实现缓冲；采用双行程（ 理的气液缓冲器在拉伸方向也具有缓冲作用，无需另外配置环弹簧 。气液缓冲器结构较复杂，密封性要求高，维修成本高，一般在大修时需要返回到缓冲器供货商处进行维修 。气液缓冲器的特性如图 6 所示，初始动作力较小，能量吸收后可自行恢复，吸能性能对冲击速度敏感，因此，这种缓冲器一般与球铰和摩擦环弹簧配合使用 。球铰里面只有很薄的一层橡胶，变形能力和吸能容量很小，压缩方向的较小冲击（例如车辆正常连联挂时的冲击）也由气液缓冲器吸收，摩擦环弹簧吸收拉伸方向的冲击 。气液缓冲器的吸能特性对冲击速度敏感，当列车冲击速度很高时，缓冲器会在短时间内产生很大的力，甚至超过车体强度 。例如：装有这种缓冲器的车钩安装在列车最前端，当考虑车体前端吸能区参与吸能提高最高允许冲击速度时，这种缓冲器会在很短时间很短行程内产生很大的力，随后造成过载保护装置动作，车钩缓冲器不再发挥吸能作用，这样列车剩余能量较大，需要车体前端吸能区设计有很大的吸能容量，对设计造成一定难度 。气液缓冲器的能量吸收率较高，一般为 80%85。以下为某气液缓冲图 5 气液缓冲器电力机车与城轨车辆 2009 年第 5 期术参数：最大行程： 150量： 145大阻抗力：1100量吸收率： 80%85。图 6 溃管压溃管是一种破坏性的能量吸收元件，通过特制的可压溃变形管安装于车钩杆上，在管子的管口安装一涨块，通过对管子的扩口变形来吸收能量，其结构如图 7 所示 。该缓冲器要求压溃管材料的强度被准确地控制在一个较小的范围内，压溃力理论上在全行程保持一恒定值 。该缓冲器结构简单，免维护，能量吸收率为 100%。由于存在初始动作力，压溃管一般配合 胶缓冲器使用，列车正常联挂时的冲击能量由 收，较高速度的冲击通过压溃管变形吸收能量，对车体进行保护 。1涨块； 2锁紧螺母； 3压溃管； 4销； 5标记销； 6拉杆；7中间牵引杆 。图 7 压溃管以下为深圳项目车钩用压溃管技术参数：最大行程：150 量： 150 大阻抗力： 1 000 量吸收率：约 100。表面上看，压溃管在受到较大冲击后即损坏，必须更换，使用成本较高 。但是由于压溃管在没有发生变形时基本是免维护的，它的运用成本比胶泥缓冲器和气液缓冲器低很多 。图 8 显示了三种缓冲器配置的寿命周期成本比较，胶泥缓冲器和气液缓冲器初次购买成本就比较高，运用中由于要返回缓冲器供应商处进行维修，其成本会远高于压溃管 。所以，只要列车撞击事故能被限制在较低的频次，压溃管是最经济的缓冲器配置 。图 8 载保护装置过载保护装置安装在车钩与车体的连接部位，其中包含有强度控制在很小公差范围内的连接元件，当车钩内发生的冲击作用力超过过载保护装置的强度时，过载保护装置动作，使车钩与车体分离，然后车辆前端防爬器接触，继续发挥吸能保护作用 。过载保护装置一般只在列车前端的车钩上使用 。一种典型的过载保护装置结构如图 9 所示，变形套在受到过大的力时会发生塑性变形，直径变小，这样车钩尾座会从变形套上通过，车钩与车体分离 。过载保护装置的作用仅仅是分离车钩和车体，它能吸收的能量比较小 。图 9 变形套过载保护装置另一种过载保护装置的结构如图 10 所示，剪切元件布置在 承座通过普通连接螺栓与车体连接，当发生大的冲击时，剪切元件被剪断，整个车钩向后移动，穿过轴承座上的开孔，不再发挥缓冲吸能作用 。使用这种过载保护装置的车钩与车体的接口比较简单 。帅纲要 等 城轨车辆车钩缓冲器的配置与能量吸收 2009 年第 5 期图 10 置于 钩缓冲器系统的配置列车中的不同部位会根据需要配置不同的车钩，这些车钩及缓冲器会作为一个系统发挥缓冲和吸能作用，而不是孤立地起作用 。在设计列车的车钩缓冲器系统时，要根据车辆的技术数据 、缓冲吸能性能要求，综合考虑列车各个部位的缓冲器配置（必要时包括车体前端吸能区的特性），才能准确地找出满足要求的车钩缓冲器系统方案 。影响车钩缓冲器系统配置的列车数据和要求主要有：1）列车编组型式：确定车辆数量，列车各个部位的车钩型式 。2）列车各个车辆的质量：质量越大，运动的动能越大，对缓冲吸能性能要求越高 。一般使用 态的数据进行分析即可，虽然载有乘客的列车也有发生撞击的可能，但是乘客的质量与车体质量的连接是松散的，在撞击情况下乘客质量的表现和对缓冲吸能过程的影响很难把握，所以计算载有乘客状态下的列车的缓冲吸能性能并没有太多的实际意义 。3）车体强度：直接限制车钩缓冲器系统允许发生的最大作用力 。在配置车钩缓冲器时，缓冲器的作用力应低于过载保护装置的强度，过载保护装置的强度应低于车体强度，同时还需要考虑各部件强度的公差带，所以车体强度较低时，车钩缓冲器的允许作用力也会很低 。同时如果缓冲器的行程受到车辆总体布局和结构设计的限制不能相应增加，车钩缓冲器系统就很难获得高的吸能容量和允许冲击速度 。4）不导致车体损坏的最大冲击速度：速度越高，动能越大，对吸能容量要求越高 。不导致车钩损坏的最大冲击速度值还直接影响缓冲器的选型，如果该速度要求较高，就只能选用可恢复型的缓冲器 。5）车钩前端面允许突出车体前端的距离：直接限制列车前端车钩缓冲器的最大允许行程，该距离越小，车钩缓冲器系统设计难度越大 。6）如果被撞击列车是施加了停放制动的静止列车，停放制动的摩擦系数也有影响，摩擦系数越高，车钩缓冲器系统设计难度越大 。上述基本上都是在车辆设计早期就确定的车辆重要参数，所以车钩缓冲器系统的缓冲吸能性能要在项目早期就与车辆一起考虑 。图 11 是一种典型的列车前端车钩缓冲器配置方案，包括了 胶泥缓冲器 、过载保护装置 、车体两侧防爬器，这些缓冲吸能部件的初始动作力和强度是依次增加的，在列车发生较高速度的冲击时依次开始发挥缓冲吸能作用，整个缓冲吸能过程可以分为 4 个阶段：1） ）作用力上升达到胶泥缓冲器的初始动作力时，胶泥缓冲器开始变形，吸收冲击能量；3）胶泥缓冲器内的作用力随缓冲器行程增加而上升，当超过过载保护装置的强度时，过载保护装置将动作，使车钩与车体分离；4）车体两侧的防爬器以及车体前端吸能区接触，继续吸收冲击能量 。图 11 列车前端车钩缓冲器配置为了实现上述的列车前端车钩缓冲装置和车体吸能区的功能，列车前端的车钩等部件必须合理布置，如图 12所示 。图 12 列车前端的布局车钩前端面与车体吸能区前端面之间的距离必须大于过载保护装置动作之前车钩可能发生的压缩行程（如并留有一定的制造公差，否则车钩行程用尽之前会出现两车前端吸能区接触，两者叠加的强度高于车体强度，可能导致车体损坏 。车体上的车钩安装座后方也必须留有足够的空间，保证车钩过载保护装置动作后车钩能充分向后移动，避免在车体吸能区行程用尽之前再次承受纵向力并与车体吸能区叠加形成高强度导致车体损坏 。在配置车钩缓冲器系统时，有时也会为列车前端的车钩和内部的车钩设定不同的参数，例如，为列车前端车钩的缓冲器设定比内部车钩高的初始动作力 。当发生冲击时，作用力会很快传递到列车内部，使内部车钩的缓冲器先动作，当作用力持续上升达到前端车钩缓冲器的初始动作力时，前端车钩缓冲器开始动作发挥缓冲吸能作用，这样列车内部的车钩也能充分发挥吸能作用 。但是这电力机车与城轨车辆 2009 年第 5 期强度为 1 200 车前端自动车钩的过载保护装置强度确定为 1 100 位置车钩缓冲器配置见表 1：表 1 各位置车钩缓冲器配置通过计算机仿真计算，可以得到在发生 15 km/h 冲击时各个车钩处的力 - 行程曲线，如图 14 所示（移动列车的车钩作用力） 。图 14 移动列车的车钩力 - 行程曲线计算结果表明，各个车钩产生的作用已经超过胶泥缓冲器的初始动作力，胶泥缓冲器发生了较大的变形，但是作用力最大值都不超过过载保护装置的强度，也就是说在 15 km/h 的冲击下，过载保护装置不动作，车钩不与车体分离，车体不损坏 。由于胶泥缓冲器是可恢复的缓冲器，在发生较大位移后可以恢复至初始状态，所以车钩也不发生损坏 。由于各个车钩处的位移速度不同，而胶泥缓冲器的初始动作力是与速度有关的，前端车钩位移速度高，缓冲器动作力高，内部车钩位移速度低，缓冲器动作力低，所以各个位置的缓冲器都能比较充分地发挥吸能作用 。多个 胶缓冲器与胶泥缓冲器的组合可以满足 15 km/h 冲击不损坏车体和车钩的要求 。5 结束语车钩缓冲器系统的缓冲吸能性能是列车的一项总体性能，列车的很多总体参数都影响车钩缓冲器系统的吸能性，特别是车体强度，几乎可以说对列车的允许冲击速度有决定性的影响，所以对车钩缓冲器系统的吸能性能要求应与列车的总体参数一起考虑 。多个地铁项目的选型和运用经验表明， 胶缓冲器配合压溃管的设计可以满足列车正常联挂对吸能保护的要求，运用的寿命周期成本较低； 达 15 km/h）的可恢复冲击吸能要求，但是胶泥缓冲器和气液缓冲器的维护成本较高，而气液缓冲器的特性对冲击速度敏感，在发生更高速度（例如 20 km/h）的冲击时会过早动作过载保护装置，为车体前端吸能区的设计带来难度 。参考文献 ：1 严隽耄 . 车辆工程 M. 北京：中国铁道出版社， 1999.2 邹稳根 . 国内外机车车辆用车钩缓冲器发展综述 J. 国外机车车辆工艺， 2006（ 2） 胶缓冲器 + 150 过载保护装置半永久车钩， 胶缓冲器 + 150 胶缓冲器半自动车钩， 胶缓冲器 + 100 胶缓冲器帅纲要 等 城轨车辆车钩缓冲器的配置与能量吸收 2009 年第 5 期样配置时，前端车辆因为没有得到很好的缓冲保护，在冲击发生时的加速度会比较大，一般在