轨道交通8编组B型车车钩系统技术方案的选型设计

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2023.32.030

摘" 要：科技的发展带动我国轨道交通行业的不断进步，为确保车辆编组连挂稳定性，保证连挂期间车内乘客不受影响，就要结合车钩缓冲装置来减少冲击影响。该文通过对北京某8编组B型地铁线路车钩缓冲器的方案选型设计进行分析、介绍，对车辆编组连挂过程原理及冲击特性展开研究，并结合实际对车钩缓冲装置冲击特性提出个人观点，希望能够为铁路、轨道交通从业人员提供一些理论上的帮助。

关键词：轨道交通车辆；编组连挂；车钩缓冲装置；冲击特性；车钩系统

中图分类号：U270.34" " " 文献标志码：A" " " " " 文章编号：2095-2945（2023）32-0１２0-0４

Abstract： The development of science and technology has driven the continuous progress of China's rail transit industry. In order to ensure the stability of vehicle formation and coupling， and ensure that passengers in the vehicle are not affected during coupling， it is necessary to combine coupler buffer devices to reduce impact effects. This paper analyzes and introduces the scheme selection and design of the coupler buffer for an 8-car type-B subway line in Beijing， studies the principle and impact characteristics of the vehicle formation coupling process， and proposes personal views on the impact characteristics of the coupler buffer device based on the actual situation. It is hoped to provide some theoretical assistance to railway and rail transit practitioners.

Keywords： rail transit vehicles; marshalling and connecting; coupler buffer device; impact characteristics; coupler system

在铁路车辆调车或救援时，两列车之间带动力的编组车辆将会与静止车辆碰撞，碰撞前最先接触的是列车前部的车钩缓冲装置，当车钩缓冲装置完成连挂时会通过车钩将力传导至两列车上，产生一定程度的纵向冲击。在冲击期间出现的冲击力则会作用于车体底架部位，此时会导致车厢内部的物品或者乘客出现晃动的情况。因此，为了降低冲击力带来的损伤，提高编组连挂稳定性，就必须对编组连挂车钩缓冲装置进行研究。

车钩缓冲装置作为铁路车辆最为重要的零部件之一，列车可以利用车钩缓冲装置来完成车辆相互之间的连挂，并对列车运行、调车时产生的作用力进行缓冲，连挂、牵引、缓冲便是车钩缓冲装置必须具备的核心基础功能。在车辆受到冲击时，作用力将会按照钩头、钩身、缓冲器、剪切螺栓（安装螺栓）和牵引梁底架的顺序来实现力的传导，因此车钩缓冲装置在面对牵引、冲击力时都必须通过缓冲器来完成力的缓和与吸收，所以缓冲装置的重要性毋庸置疑。车钩缓冲装置的主要作用就是在车辆连接时对牵引力进行传递，降低冲击力带来的影响，缓冲装置通常会安装在牵引梁内底架车钩安装座上，为了确保车辆连挂时的安全可靠，车钩缓冲器的各项性能参数必须满足轨道车辆的相关规定。车钩结构类型多样，要结合实际需求来选择不同的结构类型。缓冲器可以在车辆运行中降低由碰撞引发的各种冲击与振动，降低冲击力给车辆结构、乘客带来的影响。在运行期间，缓冲器将会借助弹性元件的压缩来降低冲击力，在弹性元件变形时，则可以利用摩擦、阻尼来降低冲击能量。不同类型的缓冲设备转化方式各不相同，无论是哪一种类型的缓冲装置，其最终目的都是消除车辆撞击产生的冲击力，进而保证编组连挂时的安全性与稳定性。

本文分析北京某条地铁线路项目8编组B型地铁线路车辆车钩技术方案，结合具体项目从车钩设计要求到配置选型，再到车钩模拟仿真分析，从而进一步验证方案的可行性，为车钩的详细设计提供参考和依据。

1" 需求分析

根据8编组B型车设计需要，车钩系统需满足：①带司机室车的前端设半自动密接式车钩及缓冲装置，采用330型钩头设计；后端及中间各车的两端设半永久分体式棒式车钩及缓冲装置。②列车应能承受8辆编组不大于5 km/h的联挂速度。③车钩在线路最小曲线半径区段上应能满足车辆的摘挂作业。④半自动车钩应设有吸收能量的可压溃变形管，具有自动对中功能。⑤车钩应能承受全编组列车在坡道救援时，因突然实施紧急制动，救援列车与AW3的被救援列车间所产生的最不利的作用力。⑥缓冲装置应能有效地吸收撞击能量，缓和冲击，不损坏车辆。该装置能承受的不产生永久变形的最大冲击速度为5 km/h。⑦车钩缓冲器的特性应保证能吸收撞击能量，不损坏车辆。

基于上述设计要求，车钩及缓冲装置需要满足以下2个基本要求：①1列8节编组AW0车与1列施加停放制动的8节编组AW3车以5 km/h的速度连挂（5 km/h连挂）。②1列8节编组AW0车在35‰坡道上救援1列8节编组AW0车，在坡道上救援车施加紧急制动（基于B型车车体强度，需要满足紧急救援要求）。

针对上述要求的技术难点进行分析：本项目车辆为8编组B型车，较以往北京常用的6编组车辆，列车在连挂冲击时受力情况较为复杂，需要结合车体强度及列车吸能要求综合考虑配置车钩缓冲装置方案及吸能原件。并通过仿真计算验证车钩缓冲装置方案的可行性。

2" 可行性方案分析

本项目为8编组B型车，车体强度需要按EN12663-1中P-Ⅲ类设计，车体压缩屈服强度800 kN，拉伸屈服强度640 kN。车钩吸能原件触发力需基于车体强度设计，在满足吸能的基础上最大限度地保护车体。针对P-Ⅲ车，车钩常用吸能方案主要有2种：一种是可恢复缓冲器+球橡胶底座；另一种是压溃管单元+橡胶缓冲底座。

对于第一种可恢复缓冲器+球橡胶底座方案。可恢复缓冲器主要分为2类：气液缓冲器和胶泥缓冲器。这2种缓冲器在低速下可有效地吸收列车连挂及撞击产生的能量，但是在高速情况下（比如25 km/h及以上速度撞击），可恢复缓冲器会表现出很强的迟滞性。在此情况下，可恢复缓冲器无法有效吸能，会将吸能压力转移到防爬器或车体上。对于P-Ⅲ车，车体强度较低，很难在有限的空间内设置大容量的缓冲吸能单元。

对于第二种压溃管单元+橡胶缓冲底座方案。橡胶缓冲底座与可恢复缓冲器作用类似，吸收低速下两列车连挂、调车及救援过程中产生的能量。压溃管单元为非可再生吸能单元，能有效吸收列车高速撞击产生的能量。压溃管吸能量可近似认为是压溃管触发力与压溃管行程的成绩，因此压溃管单元吸能效率极高。

本项目列车日常连挂速度为5 km/h，撞击吸能满足EN15227 C-Ⅱ类要求，即25 km/h吸能。针对5 km/h日常连挂，列车连挂产生的能量应有车钩完全吸收，车钩及车体没有任何损坏。上述2种方案均配置有吸收连挂能量的缓冲器，2种方案均满足要求。但是针对25 km/h撞击，考虑到气液缓冲器及胶泥缓冲器在高速撞击时的迟滞性，高速下橡胶缓冲器及胶泥缓冲器吸能效率小于压溃管单元吸能效率，因此该项目选用压溃管单元+橡胶缓冲底座方案。

3" 车钩系统技术方案

3.1" 车钩技术方案

本项目为8编组B型车，列车两端为拖车，在拖车端部配置半自动车钩；中间为动车，配置2种形式的半永久车钩，车钩配置情况如图1所示。

车钩吸能原件包括：半自动车钩的吸能原件为行程330 mm压溃管（触发力700±7.5% kN）+后置式EFG3橡胶缓冲底座（配置剪切螺栓）；半永久车钩A的吸能原件为前置式EFG3橡胶缓冲底座；半永久车钩B的吸能原件为行程200 mm压溃管（触发力680±7.5% kN）+前置式EFG3橡胶缓冲底座。

从图1车钩配置图可以看出，Tc车与Mp车间端面配置有双侧压溃管的半永久车钩，其余端面配置的是单侧压溃管半永久车钩。这种配置方式在减重的同时可有效地吸收列车撞击产生的能量。

3.2" 车钩系统功能

半自动车钩配有330密接式机械车钩，机械钩头前端面设有配对使用的凸锥和凹锥。当两连挂车辆由于空簧泄露、轮缘磨损、车体挠度变形和车钩橡胶蠕变等因素导致连挂车辆存在高度差时，车钩依然可以通过凸锥与凹锥导向连挂。330密接车钩连挂范围为垂向±90 mm，横向±170 mm。

机械钩头配有主风管阀及列车管连接器，主风管阀为常闭设计，列车管连接器为常开设计。机械车钩连挂好后，主风管连接器自动打开，机械车钩解钩后主风管阀自动关闭。

半永久车钩通过连接卡环连接在一起，车钩下侧设有主风管连接器。卡环连接完成后，主风连接器自动连接并密封。车钩方案如图2所示。

上述车钩方案具有以下技术优点：①车钩结合面的凸锥和凹锥具有大的对接范围，即使相联挂的车钩在不完全平行的小半径曲线上也可完成联挂。330型车钩具有较大的连挂范围，且满足与其他北京地铁项目车辆互联互通的连挂要求。②牵引力通过平行四边形的联挂机构，形成安全、可靠、无间隙的联挂。③车钩结构简单可靠，解钩方便，解钩只需从一侧完成。④车钩可在低速下联挂（5 km/h），满足连挂要求。⑤车钩采用模块化集成的系统设计，方便安装、拆卸和维护。

4" 车钩系统仿真模拟分析

车钩系统布置于列车车辆间，主要有3个功能：传递列车运行期间产生的载荷；缓和列车冲击，提升乘坐舒适性；吸收列车连挂、调车、碰撞等产生的能量。针对车钩功能，本文将对列车碰撞吸能、列车紧急救援能力进行仿真分析。

当两列车发生相对碰撞时，假设一列车静止并施加了停放制动，碰撞吸能时车钩主要承受压缩载荷，需要验证车钩在压缩载荷下满足吸能特性的要求；当一列车发生故障时，按照AW0载荷考虑，对被救援车辆分别在牵引及推送2种不同的救援工况下，考虑车钩及缓冲装置所能承受的最大载荷极限。紧急救援时车钩主要承受拉伸载荷，验证车钩在拉伸载荷作用下不会产生屈服变形。

4.1" 碰撞吸能

当列车发生碰撞时，碰撞吸能需要分为2种情况进行讨论，即可恢复吸能及破坏吸能。可恢复吸能指的是列车在撞击过程中车钩及车体没有任何损坏的吸能，通常可恢复吸能对应列车日常连挂吸能，在日常使用过程中，列车的连挂速度通常不大于5 km/h。破坏吸能指的是列车意外撞击过程的吸能，属于不可恢复吸能过程。对于车钩系统，主要分析车钩损坏（压溃管触发）且车体没有任何永久性变形的工况。根据EN15227，轨道交通B型车辆编组最高可考虑25 km/h撞击吸能，但考虑到车体前端安装空间及车钩缓冲装置的极限长度尺寸，单纯依靠车钩缓冲装置难以实现列车在25 km/h速度冲击下的工况要求，因此，在列车以25 km/h速度进行碰撞时，整个吸能过程分为3个等级，第一级为车钩缓冲器，第二级为车钩压溃管，第三级为防爬器与车体吸能区。整体过程吸能需防爬器及车体配合吸能。车钩系统本身对5 km/h连挂及15 km/h撞击进行仿真计算分析。仿真结果显示，车钩方案满足该项目列车吸能要求。车辆参数及仿真工况如图3及表1所示。

工况一：两列车以5 km/h的速度连挂时，车钩最大受力为523.2 kN（发生在端面8），车钩受力小于压溃管触发力700 kN，连挂产生的能量由EFG3内的缓冲橡胶吸收，车缓冲橡胶为可恢复弹性吸能原件，车钩及车体没有任何永久性变形。

工况二：两列车15 km/h速度撞击时，车钩受力大于车钩压溃管触发力，压溃管膨胀吸能，车钩压溃管损坏，撞击产生的能量完全由车钩吸收，车钩剪切螺栓不会触发，车体没有永久性变形。

4.2" 紧急救援

列车紧急救援一般以最恶劣工况（表2）进行校核。当车钩由压缩状态转化为拉伸状态时，车钩及车体承受的拉伸力最大。从列车操控角度考虑，列车施加全牵引，待所有车厢速度稳定后，列车去除牵引并施加紧急制动，此工况最为恶劣。以下仿真校核基于以上工况假设。

8节编组AW0列车最大牵引力340.4 kN，紧急制动力396.2 kN，制动响应时间1.5 s，力值分布见表3。

牵引救援模拟工况8编组车在故障车前拉伸救援8编组故障车，推送救援工况模拟8编组车在故障车后面推送救援8编组故障车。牵引救援时，车钩在救援车牵引力的作用下，车钩处于拉伸状态。待救援车施加紧急制动后，车钩由拉伸状态转换为压缩状态。而推送救援时，车钩受力状态与牵引状态相反，车钩由压缩状态转为拉伸状态。由仿真分析计算可得，牵引救援车钩承受最大力为压力，力值为493.9 kN；紧急救援车钩承受最大力为拉力，力值为501 kN，2种工况车钩受力均满足车体强度设计要求。但对于紧急救援工况，推送救援对车钩的影响比牵引救援要恶劣得多。

5" 结束语

本文对北京地铁某8编组B型车车辆车钩系统的需求进行分析，提出了满足需求可行的B型车车钩常用解决方案。对车钩连挂及碰撞吸能进行了分析，仿真模拟了车钩力与行程特性关系、力与时间特性关系，对列车连挂及碰撞过程中车钩受力进行了充分分析；从牵引及推送2种工况对车钩紧急救援能力进行了分析，得出了救援过程中的力与时间曲线，得出了推送救援模式比牵引救援模式对车钩影响较大的结论。

本文通过对8编组B型车车钩方案进行分析及仿真验证，为8编组B型车车钩方案设计提供了技术参考。

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第一作者简介：孙中原（1988-），男，机械工程师，主管设计师。研究方向为轨道交通车辆。

*通信作者：李茁（1998-），男，助理工程师。研究方向为列车车端系统。