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车钩缓冲器强度及动力学性能研究 摘要 车钩缓冲器是地铁车辆的重要部件，连接相邻车辆，并且传递和缓冲列 车在运行或在调车作业时所产生的牵引力和纵向冲击力，保证乘客在乘车时 的舒适度。地铁在运行过程中频繁制动，车钩上的载荷也频繁的变化，为确 保地铁运行的安全性，必须对车钩主要受力部件进行强度的分析。 地铁调车作业时，运动车辆以恒定的初速度连挂静止的车辆，实现相邻 两个车钩的自动连挂。在连挂过程中，车钩端面产生纵向冲击力，短时间内 冲击力急剧增大，研究在不同编组下调车的最大冲击力和缓冲器性能对车辆 的安全有重要的指导作用。 本文首先介绍了车钩缓冲器的研究背景和国内外研究水平、车钩缓冲器 的工作原理，对车钩的主要受力部件做强度分析并对结构进行优化设计；其 次在不同速度下做车钩连挂分析；最后分析在不同工况调车作业中车钩缓冲 器的特性。 根据设计的要求建立车钩主要受力部件的三维模型，按照材料的等效疲 劳强度进行静强度分析；对车钩薄弱的地方进行结构改进和分析优化，使其 满足强度的要求；运用有限元方法对钩体进行了模态分析，保证车钩不会因 为车体振动而与其发生共振、产生断裂。 缓冲器缸体作为缓冲介质的载体，需要对缓冲器的缸体做强度和工作压 力的分析，并计算缸体内部不同位置的工作安全系数，保证其安全工作。 将装配好的车钩模型导入a d a m s 中，定义材料性能、给车钩不同部 件间添加运动副，在不同的速度下做连挂分析，根据最大冲击力、角加速度 曲线，得出最大冲击力和连挂速度的关系，运用冲量传递的方法分析不同速 度下最大冲击力产生的原因，并计算最大的接触压力。 在a d a m s 中建立不同编组下调车模型，缓冲器用弹簧代替，车体和 车钩分别用质量块代替，按刚性体处理。根据缓冲器静压曲线和冲击试验曲 线归纳缓冲器阻尼力与速度的关系公式，并编制缓冲器阻尼力的样条函数曲 线。研究在相同速度下，不同车辆编组和连挂面上最大冲击力以及缓冲器行 程的关系，得出在调车作业中应使静车编组数和动车编组数相差最大的结 论；计算冲击分界面上缓冲器的能量和吸收率，运用冲量方法和功能原理分 析仿真结果。 文章最后，在调车模型上给静车加摩擦，研究在相同速度、不同车辆编 组下，车钩连挂面上的最大冲击力，冲击分界面上缓冲器的行程、能量和吸 收率。 通过分析得出以下结论：车钩主要受力部件满足强度要求：车钩不会因 为车体振动而与其发生共振；最大冲击力和连挂速度成线性关系；地铁调车 作业中，动车编组数应小于静车编组数，动车编组数越少，车钩上的最大冲 击力越小，缓冲器的行程越短，缓冲器冲击分界面上的吸收率越高。 关键词：车钩缓冲器，强度分析，冲击力，阻尼力，动力学性能，行程曲线 s t r e n g t ha n s l y s i s a n dd y n a m i cr es e a r c ho nt h e co u p l e ra n db u f f e r a b s t r a c t t h ec o u p l e ra n db u f f e ra r ei m p o r t a n tc o m p o n e n t so fs u b w a y t h ec o u p l e a n db u f f e ra r eu s e dt od e l i v e rt h et r a c t i o nf o r c ea n da l l e v i a t ei m p a c t i n gf o r c e ， n e ya l s om a k ep a s s e n g e r sf e e lm o r ec o m f o r t a b l ei nt h es u b w a y t h ef o r c eo n t h ec o u p l e rc h a n g e sf r e q u e n t l yw h e nt h ev e h i c l e sb r a k e i no r d e rt oe n s u r et h e s a f e t yo ft h es u b w a y ，s t r e n g t ha n a l y s i ss h o u l db ec o n d u c t e do nt h ec o u p l e ra n d b u f f e r i nt h e p r o c e s so fs h u n t i n go p e r a t i o n s ，m o v i n gv e h i c l e sc o u p l e s t a t i c v e h i c l e sa tac o n s t a n ts p e e dt om a k ea d ja c e n tc o u p l e r sl i n kw i t he a c ho t h e r l o n g i t u d i n a li m p a c t i n gf o r c e se x i s to nt h ei n t e r f a c ei nt h ep r o c e s so fv e h i c l e c o u p l i n g t h ei m p a c t i n gf o r c ei n c r e a s e ss h a r p l yi nas h o r tt i m e ，s or e s e a r c h a b o u tt h em a x i m u ma l l o w a b l ei m p a c t i n gf o r c ea n dt h eb u f f e r sp r o p e r t i e si sv e r y i m p o r t a n t t os h u n t i n go p e r a t i o n s f i r s t , t h i sp a p e ri n t r o d u c e dt h eb a c k g r o u n do fe x i s t i n gc o u p l e r sa n d b u f f e r s a n dt h e p r i n c i p l e o fh o wc o u p l e r sw o r k s t r e n g t ha n a l y s i s a n dd e s i g n o p t i m i z a t i o no nt h ec o u p l e rw e r ec o m p l e t e d t h es y s t e m sb e h a v i o ra td i f f e r e n t c o u p l i n gs p e e d sw a sa n a l y z e d l a s t l y , t h ei m p a c t i n gc h a r a c t e r i s t i c so fs h u n t i n g o p e r a t i o n sw e r ea n a l y z e d a f t e rt h ec o u p l e r st h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e lw a sc r e a t e d ，t h em o d e lw a s a n a l y z e da n do p t i m i z e db a s e do nm a t e r i a lf a t i g u es g e n g t h i no r d e rt oa v o i d r e s o n a t ew i t ht h ev e h i c l e ，t h ec o u p l e r sf r e q u e n c yw a sc a l c u l a t e d t h ec r o c ki sf i l l e dw i t he l a s t i cc l a y i t ss t r e n g t ha n dp r e s s u r ep a r a m e t e r si s i m p o r t a n tt ot h eb u f f e r so p e r a t i o n t oe n s u r et h es a f e t yo ft h eb u f f e r , d i f f e r e n t s a f e t yc o e f f i c i e n tw e r ec a l c u l a t e d t h ec o u p l e r st h r e e d i m e n s i o n a lm o d e lw a sa l s ou s e dt oa n a l y z et h es y s t e m c h a r a c t e r i s t i c su n d e rd i f f e r e n tc o u p l i n gs p e e d s t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n i m p a c t i n gf o r c ea n dc o u p l i n gs p e e d sw a sf o u n da c c o r d i n gt oi m p a c t i n gf o r c e c r r v ea n da c c e l e r a t i o nc u r v e s t h ei m p a c t i n gf o r c ew a sa n a l y z e db ym e a n so f t h ei m p u l s et r a n s m i s s i o nm e t h o d t h em a x i m u mc o n t a c t i n gp r e s s u r ew a sa l s o c a l c u l a t e da n dr e s e a r c h e d t h ee l a s t i cc l a yw a ss i m u l a t e da sas p r i n gi nt h ea d a m s t h eb u f f e r s s t i f f n e s sa n dd a m p i n gw e r es i m u l a t e da c c o r d i n gt ot h et e s td a t a t h ed a m p i n g c o e f f i c i e n tw a sa p p r o x i m a t e da saf u n c t i o no fs p e e d u n d e rt h es a m ec o u p l i n g s p e e d ，t h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nd i f f e r e n t s h u n t i n gg r o u p s ，t h e m a x i m u m i m p a c t i n gf o r c ea n dt h eb u f f e rs t r o k ew e r er e s e a r c h e d t h ed i f f e r e n ti m p a c t i n g c h a r a c t e r i s t i c so ft h es y s t e mw e r ea l s oa n a l y z e du n d e rd i f f e r e n ts h u n t i n g o p e r a t i o n sb ym e a n so ft h ei m p u l s et r a n s m i s s i o na n dk i n e t i ct h e o r ym e t h o d s t h en u m b e rd i f f e r e n c eo fm o v i n gv e h i c l e sa n ds t a t i cv e h i c l e sb e t w e e nt h e c o u p l i n gi n t e r f a c ew a sm o r e ，t h em a x i m u mi m p a c t i n gf o r c ew a sl o w e r 1 1 1 e e n e r g ya n da b s o r p t i v i t yo ft h eb u f f e ro nt h ei n t e r f a c ew a sc a l c u l a t e d f i n a l l y , t h ef r i c t i o nw a si m p o s e do nt h es t a t i cv e h i c l e s u n d e rt h es a m e c o u p l i n gs p e e d ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h em a x i m u mi m p a c t i n gf o r c ea n dt h e b u f f e rs t r o k eo fd i f f e r e n ts h u n t i n gg r o u p sw a sr e s e a r c h e d t h ee n e r g ya n d a b s o r p t i v i t yo fb u f f e ro nt h ei n t e r f a c ew a sa l s oc a l c u l a t e d t h ec o n c l u s i o n sw e r es h o w n ：t h ec o u p l e ra n db u f f e r ss t r e n g t hr e q u i r e st h e d e s i g ni n t e n s i t y t h ec o u p l e rw i l ln o tr e s o n a t ew i t ht h ev e h i c l e t h em a x i m u m i m p a c t i n gf o r c ei sl i n e a rt oc o u p l i n gs p e e d s i ns h u n t i n go p e r a t i o n s ，t h e r es h o u l d b ef e w e rn u m b e ro fm o v i n gv e h i c l e st h a ns t a t i cv e h i c l e s t h ef e w e ro fm o v i n g v e h i c l e s t h em a x i m u mi m p a c t i n gf o r c ew o u l db es m a l l e r , b u f f e rs t r o k ew o u l db e s h o r t e ra n da b s o r p t i o nr a t eo nt h ei n t e r f a c ew o u l db eh i g h e r k e y w o r d s ：c o u p l e ra n db u f f e r ，s t r e n g t ha n a l y s i s ，i m p a c t i n gf o r c e ，d a m p i n g f o r c e ，d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s ，s t r o k ec u r v e i v 车钩缓冲器强度及动力学性能研究 1 绪论 1 1 研究背景及意义 交通运输是国民经济的命脉。城市轨道交通作为公认的安全、快捷、节能、运量大、 效率高、少污染、舒适和环境友好的公共运输系统，正在全世界范围内得到快速建设和 发展，是解决大城市交通拥堵和环保问题、提升城市形象的最好形式，在社会经济发展 和城市化进程中发挥了关键性作用。 我国国民经济持续快速发展，城市化进程明显加快。未来十年我国城市规模将不断 扩大，城市人口将急剧增长，这将造成城市道路通行条件恶化、交通线路拥堵，给城市 交通带来困难。为解决城市交通和环境问题，我国许多大城市已把发展城市轨道交通作 为发展公共交通的根本方针。 经过四十多年的发展，我国城市轨道交通从无到有，取得了令世人瞩目的成就。有 关数据显示，我国有4 0 多个城市规划了城市轨道交通网络，总里程高达5 0 0 0 公里，总 投资估算超过了8 0 0 0 亿元。全国至2 0 1 0 年建成城市轨道交通2 1 0 0 公里，至2 0 2 0 年建 成3 0 0 0 公里以上，其中上海：至2 0 1 0 年建成城市轨道交通4 0 0 公里，至2 0 2 0 年建成城 市轨道交通5 4 0 公里以上，2 0 3 0 年将建成7 8 2 公里的轨道交通网络。 城市快速轨道交通系统是一个复杂的系统，涵盖了先进的制造技术、控制技术、仿 真技术、通讯和信号技术、变频调速技术、微电子技术等领域。在车辆的设计制造方面 我国与发达工业国家之间存在着较大的差距，核心技术和关键技术几乎完全掌握在外国 人手中，并且至今不肯转让。由于每条线采用的车辆类型不同，外商籍此对每条线的车 辆收取上亿元的特殊设计费，致使车辆的价格高( 每节车价格达1 0 0 万美元左右，a 型 车的价格更高，进口a 型车每辆价格折合人民币为1 2 0 0 万以上；合资企业生产的a 型 车每辆价格为1 0 0 0 - - - 1 1 0 0 万) ，并且购买周期长，后期服务跟不上，严重影响了我国轨 道交通装备产业的发展和城市轨道交通建设。 在这种形势下，我们必须对城市轨道交通车辆的核心技术进行攻关，研制拥有自主 知识产权的车辆技术，为我国城市轨道交通制造业的发展提供技术支持。同时，我国城 市轨道交通的迅猛发展也为车辆的投入运营提供了广阔的市场，按每公里城市轨道交通 线路配置6 - 8 节车辆估算，到2 0 2 0 年我国城市轨道交通系统的车辆需求将达2 万辆左右。 我国必须抓住机遇，加速技术开发，打破国外垄断的局面，为国家节约大量外汇资金， 还可为为轨道交通车辆的维修奠定技术基础并降低维修成本，实现产业化后将成为我国 经济发展的一个新增长点，具有重大意义【- 】。 a 型车运量大，已在上海、广州、南京、深圳等特大城市得到应用。但是，由于轨 道交通车辆的核心技术掌握在外国人手中，这就给我国城市轨道交通发展带来了隐患， 陕西科技大学硕士学位论文 严重制约我国轨道交通的可持续发展。本项目的研究将对我国城市轨道交通车辆钩缓技 术起到关键作用，摆脱目前仍需要严重依赖进口的部件，加速钩缓系统的国产化进程。 发展城市轨道交通系统已成为我们国家解决城市交通问题的必由之路，城市轨道交通的 国产化是我国机车车辆的重要工作之一，而轨道车辆关键零部件的国产化是城市轨道交 通车辆产业化的重要保证。 车钩缓冲器包括车钩和缓冲器两个部分。车钩缓冲器作为地铁车辆的关键部件，起 到连接车辆和吸收车辆间连挂和制动作业时的纵向冲击载荷的作用，为了确保地铁车辆 安全运行和乘客的舒适度，必须对车钩缓冲器进行强度和动力学分析。在进行产品实物 试验之前运用数学建模进行模拟不但能基本准确反映出车钩缓冲器的动力学性能，而且 能有效减少成本、缩短研制周期、分析一般试验中不能进行的复杂试验项目。 我们国家在车钩缓冲器方面研究起步晚、研究落后，所以车辆的连挂速度低，车辆 运行速度也受到影响，大大影响运输效率，我国国产缓冲器目前的编组连挂允许速度较 小，特种车辆用缓冲器还要进口，因此必须研制出高强度和高性能的车钩缓冲器。 因此，国家把地铁列车关键核心技术的研究作为重要课题。本课题就是配合国家科 技支撑计划课题试验平台列车与关键核心技术自主化的研究。 1 2 车钩缓冲器国内外研究动态和水平 车钩作为轨道交通的重要部件，其主要作用是传递车辆纵向牵引力、压缩力。车钩 一般采用铸造的方法，目前地铁上广泛使用的基本上都属于密接式车钩。密接式车钩根 据钩头的不同可以分为圆锥钩头和棱锥钩头。s c h a k u 公司和西门子公司所生产的棱锥形 钩头应用最为广泛，目前世界上大多数的地铁都在使用。由于圆锥钩头铸造容易、使用 安装方便，所以日本和我国国产地铁缓冲器钩头都采用柴田式圆锥钩头【2 】。上海a 型地 铁列车采用的是s c h a k u 公司生产的密接式棱锥钩头1 3 。 在国际铁路客、货车用车钩制造生产方面，机车、货车用车钩主要是以美国研制生 产的e 型和f 型车钩为代表【4 】。主要生产厂家有：a s f k e y s t o n e 公司、m c c o n w a y & t o r l e y 铸钢公司、哥伦布铸钢公司等。这些公司开发能力都很强、专业化生产程度高、生产规 模大；他们大都采用计算机控制的大型电炉熔炼、潮模砂冲击造型生产线等现代化铸造 设备，铸件采用p r o e 三维c a d 设计，p r o m e c h a n i c af e a 有限元应力分析和铸造工艺 凝固模拟，c n c 加工等先进技术，这些公司平均日产车钩数百套。客车车钩主要以德国 的s c h a k u 方锥形密接车钩最具代表性，瑞典d e l l n e r 公司生产的车钩与s e h a k u 公司生产 的车钩基本相同，其中s c h a k u 密接式车钩装置占据了欧洲高速列车的大部分市场，德国 i c e 系列与法国t g v 系列高速列车全部装用s c h a k u 密接式车钩。我国能批量生产客车 密接式车钩缓冲器的还只有四方车辆研究所，直接参与的有3 0 0 - 4 0 0 人，目前通过消化 2 车钩缓冲器强度及动力学性能研究 改进国外技术已经生产出国产化的密接车钩用于试验。 缓冲器主要起到吸收车辆间的纵向冲击载荷，缓和车辆的纵向冲动【s 】。按照吸能元 件可以分为：摩擦弹簧缓冲器、橡胶缓冲器、摩擦橡胶缓冲器、弹性胶泥缓冲器、弹性 体缓冲器、液压缓冲器等。 在缓冲器制造生产方面，美国缓冲器主要有a s f k e y s t o n e 公司，w a b t e c 公司及m i n e r 等。如a s f k e y s t o n e 公司的缓冲器占北美液压缓冲器市场的6 0 7 0 。w a b t e c 公司自 1 9 0 4 年开始设计开发缓冲器，在摩擦弹簧缓冲器的设计、试验、生产方面具有先进的经 验，先后开发了m a r k 系列等多种类型缓冲器。波兰k a m a k c 公司在弹性胶泥缓冲器方 面发展最为先进，其设计生产的缓冲器通过u i c ( 欧洲铁路联合会) 认证，成为欧洲弹 性胶泥缓冲器的标准。我国弹性胶泥缓冲器目前已在2 0 0 3 年开始生产，目前装配在提速 客车上。 弹性胶泥是一种没有经过硫化交联反应的有机硅化合物，具有高粘度、弹性好、可 压缩和流动性等特征，是车钩缓冲器理想的缓冲介质材料。在没有复原弹簧作用的条件 下，利用其高弹性特点可以实现缓冲器的复原回程；利用其压缩性实现缓冲器的压缩行 程，利用其良好的流动性可以实现缓冲器的大容量，低阻抗能力。弹性胶泥缓冲器已于 1 9 9 3 年纳入u i c 标准，由于结构简单、使用维护方便、容量大等优点被广泛应用。我国 主要研制单位是四方车辆所，上海材料研究所和铁道部戚墅堰研究所，但是研制的缓冲 器一直没有达到国外同类产品的技术标准，以致新型车钩缓冲器依赖进口，所以研制出 高性能的车钩缓冲器刻不容缓【6 】。 1 2 1 密接式车钩强度研究现状 密接式车钩的强度研究主要集中在对钩体及其内部连接件的强度分析，主要受力部 件是中心杆、钩锁连接杆、钩舌、钩体等。 由于车钩在正常使用的工况下所受的载荷远低于设计载荷，即使在纵向力很大的作 用下，由于强度不足发生断裂的可能性也不是很大，但在实际使用过程中，可能在远低 于断裂强度的循环载荷作用下发生疲劳破坏，所以从提高钩缓装置强度的角度出发，认 为车钩的强度以屈服极限作为衡量极限比较合理【7 】。目前对车钩的强度分析还没有统一 的认识，欧洲主要是以屈服极限作为强度分析的标准，日本则是以断裂强度作为强度分 析的标准，并且每个国家都没有具体的执行标准，具体标准都是各个缓冲器生产企业根 据需要自行制定。 车钩强度分析、计算方法很多，现在基本上是应用3 d 建模软件建立车钩缓冲器实 体模型，通过计算得出缓冲器上的受力情况，然后用有限元分析软件进行有限元分析【s 】， 验证其是否满足实际运行的要求。 陕西科技大学硕士学位论文 1 2 2 密接式车钩连挂研究现状 密接式车钩以其结合面松动间隙小，舒适性和安全性高成为提速客车的理想选择。 密接式车钩是地铁车辆的一项关键技术，我国在密接式车钩的研究方面起步晚，国产车 钩整体破坏强度低，调车时的连挂速度较低。密接式车钩作为地铁车辆安全运行的关键 部件之一，它在地铁车辆连挂和制动过程中承受车辆间的纵向瞬间冲击载荷。为了确保 地铁车辆的安全运行，避免发生脱钩或者车钩断裂，对其在不同速度下进行运动学的连 挂分析十分必要。在连挂过程中，车钩的最大力出现在连挂面上【9 】。 地铁要频繁制动，车钩上的冲击载荷也频繁变化，这是地铁不同于旅客列车的一个 很明显的特征，所以车钩强度的计算方法也就不同于普通客运列车，必须采用新的方法 来分析车钩受力情况。 1 2 3 缓冲器研究现状 目前弹性胶泥缓冲器在地铁车辆上有广泛的应用。缓冲器的4 个关键指标：阻抗力 ( 冲击力) 、吸收容量、工作行程、能量吸收率。这4 个关键指标是进行缓冲器的设计和 动力学分析【1 0 】的基础。 冲击力是4 个指标中最关键的一个，冲击力是缓冲器要消除的力，其产生原因有二： 一是运行中的列车制动时，在开始一段时间的任一时刻，前后车辆间的制动力不一致， 前面车辆制动力较大而加速度明显变化，后边的车辆制动力较小而加速度不明显，这就 造成列车间的纵向冲击【1 1 】，容易造成车钩缓冲器的破坏；二是调车作业时动车和静车连 挂时冲击造成的。 关于铁道列车纵向冲击力问题的计算分析，由于引起的原因很多所以其数学模型包 括各种因素【，2 】，其中最重要的就是对缓冲器进行动力学分析。进行缓冲器的动力学分析 一般是建立缓冲器的数学模型运用缓冲器的弹性原件和阻尼原件。冲击缓冲曲线下的 面积称为缓冲容量，而冲击缓冲曲线与回弹缓冲曲线之间包围的面积就是整个缓冲过程 所吸收的能量。 我们动力学分析的目的就是要尽可能准确地计算出缓冲行程曲线以便检验缓冲器的 国内关于缓冲器动力学方面的研究以四方车辆研究所和西南交大车辆研究所最为出名， 西南交大李芾教授带领下的团队不仅对缓冲器的动力学方面研究突出，而且在整车的动 力学研究方面也相当突出。他们总结出缓冲器特性研究的一套几乎完善的方法，并且西 南交大黄运华博士提出了缓冲器特性曲线间断点的4 种算法【- 2 1 ：时间法、速度法、位移 法及力平衡法。 国外在动力学方面的研究主要以安全性和舒适性为主。u i c 对动力学分析以碰撞为 主，对车体结构碰撞能量的吸收做了很完整的规范，英国g l u 不但对缓冲器撞击性能进 4 车钩缓冲器强度及动力学性能研究 行了完整的分析计算而且对整车在不同工况下制动和连挂也进行了撞击性能研究【1 3 卜【1 4 】， 采用的方法是运用多体动力学建立数学模型然后进行计算和分析。日本对这方面的分析 主要以乘客的舒适度为中心进行动力学分析【1 5 】【6 】，通过物理模型建立数学模型，然后编 写程序计算特征值，用来模拟列车的振动和乘客的舒适度。 额定容量是缓冲器在额定的行程、阻抗力范围内能够承受的最大冲击或者压缩功能， 这是缓冲器的基本指标，a 型车的缓冲器额定容量为1 4 5 k j 1 0 。 额定行程是缓冲器的重要参数之一。一般来说，缓冲器的额定行程大对提高缓冲器 的额定容量，降低额定阻抗力有利。它的大小往往受到车辆构造因素的制约。a 型车的 缓冲器额定行程为1 5 0 m m 。 缓冲器初压力就是缓冲器的静预压力，是一个静态特性指标。在列车的启动、制动 的过渡过程及牵引力变化的非稳态运行状态下，由于初压力过大和车钩间隙会造成车辆 间的刚性冲击。初压力对列车纵向运行稳定性有重要的影响。从理论上讲，初压力越小， 越能发挥缓冲器的缓冲作用，乘客的舒适度越高，但初压力也不是越小越好，必须控制 在一个合理的范围之内。因此，为保证缓冲器有一个相对较长的性能稳定性，客车缓冲 器应选用相对合理的初压力明。受我国缓冲器制造水平的限制，初压力一般在 】5 k n 一2 5 l ( n 。 1 2 4 缓冲器性能研究方法 由于采用新工艺，新型密接式车钩缓冲器车钩间隙非常小，所以车钩的初压力在分 析的时候不考虑在内，主要研究缓冲器在不同编组调车作业时的阻抗力、缓冲器的容量、 吸收率、工作行程。 国内研究一般都基于不同制动力、不同工况下的动力学分析，对地铁调车作业时车 钩缓冲器性能的研究几乎还是空白。 根据试验数据，得出缓冲器阻抗力和速度位移的关系，根据实际情况建立参数化的 弹性系数和阻尼系数，这是研究缓冲器性能的基础。在a d a m s 中建立车钩缓冲器的数 学模型，对不同编组下列车连挂仿真，得出缓冲器上的阻抗力、最大行程与列车编组 的关系。 1 3 车钩缓冲器结构及其工作原理 1 3 1 车钩型式和分类 a 型车用车钩缓冲器包括自动车钩缓冲器、半自动车钩缓冲器和永久性车钩缓冲器 三种类型。全自动车钩一般在车辆的两端，半自动车钩连接不带受电弓的动车和装有受 电弓的动车，半永久车钩连接带有司机室的拖车、装有受电弓动车和不带受电弓动车。 陕西科技大学硕士学位论文 自动车钩缓冲器如图卜1 所示，自动车钩的设计可保证两列车的自动连挂，并吸收 牵引和压缩力。在机械连接完成时，列车之间的电气和气动连接也自动完成。解钩可从 司机室操作完成，或在轨旁手动完成在解钩后和列车分开后，车钩又准备好重新连半 f i g l 一1a u t o m a t i cc o u p l e r 图1 2 半自动车钩 f i 9 1 - 2s e m ia u t o m a t i c 自动车钩缓冲器如图1 - 2 所示，半自动车钩的设计可保证列车内单元之间的自动连挂， 并吸收牵引和压缩力。在单元间机械连接完成后，紧急制动列车线和主风缸管的连接就 自动完成了，其它单元间的列车线通过跨接线用手动方式连接。解钩在轨旁手动完成。在 解钩后，车钩又准备好重新连接。 半永久性车钩缓冲器如图1 - 3 所示，半永久车钩只进行手动机械连接列车单元，不 进行解钩操作。 图1 - 3 半永久车钩 f i g l 3s e m ip e r m a n e n tc o u p l e r 1 3 2 车钩工作原理 车钩总图包括2 7 个零部件，其中主要的零部件有：1 壳体、2 钩舌、3 中心杆、4 钩锁连接杆、5 钩锁连接杆弹簧、6 钩舌杆、7 钩舌杆止动块、8 杆顶块、9 顶块止动块、 1o 解钩风缸。车钩组装后要求达到三态，待挂位、闭锁位和解钩位，可有钩舌的位置不 同来实现。本课题采用的全自动车钩，车钩的三态图如图卜4 所示。 待挂位：如图( a ) 所示，钩舌杆6 被固定在连挂准备位，钩锁连接杆弹簧5 在最大拉 伸状态，钩锁连接杆4 退至凸锥体内，钩舌上的钩嘴向外开放。 闭锁位：如图( b ) 所示，相邻两钩的凸锥体伸入对方的凹锥孔并推动杆顶块8 ，使其 摆动迫使钩舌杆6 离开连挂准备位，钩锁连接杆弹簧5 的恢复力使钩舌2 逆时针转动并 带动钩锁连接杆4 伸进相邻车钩钩舌2 的钩嘴中，完成两钩的闭锁位。 6 车钩缓冲器强度及动力学性能研究 解钩位：如图( c ) 所示，司机操纵按钮，控制电磁阀使解钩风缸1 0 充气，风缸活塞 杆推动钩舌2 顺时针转动，使两钩的钩锁连接杆4 脱开对方的钩舌的钩嘴，同时使钩锁 连接杆4 克服钩锁连接杆弹簧的拉力，缩进钩头锥体内这时杆项块8 控制钩舌杆6 使钩 舌处于解钩位。 ( c ) 图1 - 4 自动车钩作用原理 f i 9 1 - 4t h et h e o r yo f a u t o m a t i cc o u p l e r 1 3 3 缓冲器结构及工作原理 缓冲器的缓冲介质为弹性胶泥，基本结构如图1 - 5 所示：1 一缸体、2 一活塞杆、3 一挡 圈、4 一节流孔、5 一缓冲介质、6 一导套。 图1 - 5 弹性胶泥缓冲器 f i g l 5e l a s t i cc l a yb u f f e r 7 陕西科技大学硕士学位论文 基本工作原理是：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， 根据实际应用的需要增加一定的预压缩力，当弹性胶泥缓冲器活塞柱受到一定的压力( 静 压力或冲击力) 时，活塞利用活塞缸内节流孔或节流间隙以及弹性胶泥材料本身体积被压 缩后反作用力产生一定的阻抗力。当弹性胶泥材料受到的预压缩力越大和活塞的运动速 度越快，则产生的阻抗力也越大，这有利于提高缓冲器在大冲击下的容量。当缓冲器的 活塞被压缩后，缓冲器体内的弹性胶泥处于压缩状态，当作用在活塞柱上外力撤消后， 弹性胶泥的体积则会自行产生膨胀，将活塞推回到原始位置，在这个过程中弹性胶泥材 料以较慢的速度通过节流孔或节流间隙流回原位，这样就实现了缓冲器的回程运作。 弹性胶泥受到活塞杆的挤压，要从无杆腔流动到有杆腔，在流动的过程中产生节流 阻力厂节，同时由于活塞杆压入缸体内，充满于缸体内的弹性胶泥就受到压缩，对活塞产 生一个反力后，所以在整个作用过程中的缓冲力p 丁节坼；当缓冲器被压缩至工作行程结 束时，厂节= 0 ；此时缸体内仍存在后，该压缩反力磊要将活塞杆推回原位。活塞杆回复至 原位的过程中，要产生厂节，当舻厂节。，活塞杆可以回到原位，即p 弄一厂节。 其动力特性为：b = c 矿& 朋( y ) m 4 ，阻尼指数与粘度成反比关系，阻尼系数与活塞 直径、宽度、阻尼材料的密度成正比，与活塞上的小孔及间隙成反比。 1 4 研究内容及方法 1 4 1 研究内容 论文研究主要包括车钩缓冲器主要受力零件强度分析【1 9 】和调车作业时车钩缓冲器的 动力特性研究。 车钩的强度分析主要包括钩体的强度分析和钩体内部主要受力部件的强度分析，校 核强度是否满足额定载荷。对钩体受力的薄弱地方进行结构的改进，使其满足实际的要 求并对钩体做模态分析。 车钩缓冲器的动力学特性分析包括：在不同的调车速度下做连挂分析，研究最大冲 击力与调车速度的关系；研究在相同速度下，不同车辆编组和连挂面上最大冲击力以及 缓冲器行程的关系；摩擦存在的情况下，研究不同车辆编组下连挂面上最大冲击力、缓 冲器上的能量和吸收率。 1 4 2 研究方法 强度分析：采用s o l i d w o r k s 对车钩主要受力部件进行三维实体建模，用有限元分析 软件对钩体及内部零件进行强度的分析。 结构改进：对车钩的薄弱地方根据图纸进行结构的改进，选取最优的设计方案。 连挂分析：车钩模型导入a d a m s 中进行运动学分析，根据仿真结果得出连挂时钩 8 车钩缓冲器强度及动力学性能研究 舌上的最大冲击力，用冲量传递的方法分析产生最大冲击力的原因、时间和位置。 动力学分析：建立地铁调车作业通用的冲击模型，在a d a m s 中用样条函数模拟缓 冲器的非线性阻尼力，根据仿真结果得出编组数和最大冲击力的关系，并用冲量方法和 功能原理分析相同速度、不同编组调车作业中车钩缓冲器的冲击力特性。 1 5 章节安排 第一章，绪论，介绍了车钩缓冲器研究背景以及地铁车钩缓冲器的结构和工作原理， 并提出了本论文的研究内容和方法。 第二章，利用s o l i d w o r k s 建立车钩缓冲器零部件模型，运用有限元方法对关键零部 件进行强度分析；对钩体薄弱地方进行结构改进和分析；对钩体做模态分析。 第三章，分析缓冲器缸体的刚度和工作压力，计算缸体不同位置的安全系数。 第四章，不同速度下，对车钩做连挂仿真，并从理论上分析仿真结果。 第五章，相同速度、不同编组数和最大冲击力以及缓冲器行程的关系，并从理论上 分析仿真结果。 第六章，摩擦存在的情况下，相同速度、不同编组数和最大冲击力以及缓冲器行程 的关系，缓冲器的性能分析。 第七章，全文总结与展望。 9 车钩缓冲器强度及动力学性能研究 2 车钩缓冲器强度分析 2 1 设计准则 密接式车钩作为轨道车辆的重要部件，其主要作用是传递车辆纵向牵引力和压缩力。 车钩一般采用铸造的方法，在正常使用的工况下所受的载荷远低于设计载荷，即使在纵 向力很大的作用下，由于强度不足发生断裂的可能性也不大，但在实际使用过程中，可 能在远低于断裂强度的循环载荷作用下发生疲劳破坏，所以从提高钩缓装置强度的角度 出发，认为车钩的强度以屈服极限作为衡量极限比较合理。目前对车钩的强度分析还没 有统一的认识，欧洲主要是以屈服极限作为强度分析的标准，日本则是以断裂强度作为 强度分析的标准，并且每个国家都没有具体的执行标准，具体标准都是各个缓冲器生产 企业根据需要自行制定。 仿真模型包括两方面内容：一是方针的几何模型，一是方针分析的问题抽象模型。 方针几何模型建立有两种方法：一是运用c a d 建模，一是运用c a e 建模。c a d 建模工 具强大而且可以精确建立模型，不足之处是导入c a e 分析软件时不能完全把几何特征表 达出来。c a e 建模功能不如c a d ，而且复杂几何体很难建立模型。 运用s o l i d w b r k s 【2 0 】建立车钩各部件实体模型，根据设计的要求对车钩部件施加力， 用有限元分析软件进行有限元分析，计算车钩部件的强度是否满足实际的要求。 对于倒角和圆角小于2 m m 的特征不在模型中表现出来，目的就是避免在划分有限 元网格时发生网格畸变，以致进行强度分析的时候出现应力集中，造成分析不准确。 强度准则就是指零件中的应力不得超过所允许的强度极限。对一次断裂来讲，应力 不得超过材料的强度极限；对疲劳破坏来讲，应力不得超过零件得疲劳准则。本文所研 究的车钩缓冲器不属于一次断裂，但是等效为强度极限来进行分析。 2 2 车钩实体建模 2 2 1 钩体实体建模 钩体是车钩的重要零件，在钩体上要安装车钩所有的零部件，是所有车钩零部件的 安装基础，并保证各零部件的相互位置和相关的动作。 一号线国产密接式车钩制造复杂，将解钩风缸放在钩体内部，因此尺寸较大；钩体 端部凸锥与钩体铸在一起，钩体最薄位置只有8 m m ，增加了铸造的难度，铸造出来的钩 体加工比较困难。 根据图纸建立的三维钩体模型如图2 - 1 所示。钩体内的主要零部件有：钩舌、中心 杆、钩锁连接杆、钩舌定位杆、定位杆顶块、解钩风缸等零件，这些零件实现车钩的待 挂、闭锁和解钩三态功能。 陕西科技大学硕士学位论文 2 2 2 钩舌实体建模 图2 - 1 钧体 f i 9 2 - 1c o u p l e r 钩舌为密接式车钩的主要零件，钩舌的左面是连接杆销孔， 钩对接时，两根钩舌连接杆的连挂端嵌入钩舌嘴中，实现连接。 位杆的销孔。钩舌的模型如如图2 2 所示。 图2 - 2 钩舌 f 啦- 2c o u p l eh o o k 1 2 右面是钩舌嘴，两个车 钩舌上端有连接钩舌定 车钩缓冲器强度及动力学性能研究 2 2 3 钩锁连接杆实体建模 钩锁连接杆是密接式车钩的主要受力零件，其一端与钩舌通过销子连接，另一端为 连挂端，通过连挂端销轴与钩舌嘴连接。钩锁连接杆的模型如如图2 3 所示。 图2 - 3 钩锁连接杆 f i 9 2 3c o u p l eh o o kl o c k 2 2 4 中心杆实体建模 中心杆通过钩舌中央的轴孔将钩舌固定在钩体上，中心轴与钩舌之间有平键，使两 者相互不会转动，这样可以转动中心轴来改变钩舌的位置，实现手动解钩。中心杆的模 型如如图2 4 所示。 图2 - 4 中心杆 f i 醇- 4c e n t e rp o l e 陕西科技大学硕士学位论文 2 3 车钩主要零件受力分析 2 3 1 钩体不同结构受力分析， 钩体的材料为壳体材料为z g 3 5 c r m o ，经过热处理，表面喷丸强化，屈服强度 t r , = 3 9 8 m p a ，强度极限o b = 5 8 8 m p a 。根据材料性能可得材料的弹性模量e = 2 10 g p a ，泊 松比a , - - 0 2 8 。 根据计划任务书中规定，车钩受力强度必须满足以下指标：屈服拉力- 4 9 5k n ，破坏 拉力一7 8 5k n ；屈服压力- 8 8 3k n ，破坏压力一1 1 7 7 斟。 由车钩整体做静强度试验可得，车钩的中心孔、端面和钩尾是受力的主要部位，加 载1 1 7 7 k n 时，应力片没有超过屈服限，车钩没有破坏，车钩的压缩破坏强度达到要求； 在实验中，车钩的拉力达到6 8 6k n 时车钩尾部连接法兰拉断，没有达到设计需要的抗拉 强度。根据破坏位置，对钩尾连接处提出了以下三种设计，在研究钩体局部结构强度时， 为了提高计算速度，采用了简化的模型。 约束施加在钩体的底端面，载荷施加在与缓冲器相连接的锥面或圆弧面上，拉伸力 取6 8 6k n ，方向沿圆孔轴线方面，均匀的施加在锥面或圆弧面上，三种结构及受力分析 如下所示。 第一种结构：采用7 5 5 0 锥面与缓冲器相连接时，力施加在锥面上，钩体局部工程图 如图2 - 5 所示。 ，r 7 i ，3 零 l 一一4 。 盯 一 y , i 镌 ； 霸 多 绉翊j 1 ” 一? 少。 、 。 图2 57 5 5 0 锥面 f i 9 2 - 57 5 5 。c o n e 静态应力云图如如图2 - 6 所示：最大应力为5 8 5 4 m p a ，位于锥面与圆柱面之间的 1 4 车钩缓冲器强度及动力学性能研究 i u 圆弧面上。 图2 - 67 5 5 0 应力图 f i 9 2 _ 67