陳煒森

摘要：車(chē)鉤緩沖裝置作為地鐵列車(chē)的安全配置，應(yīng)具備足夠的強(qiáng)度、連接分解操作簡(jiǎn)單可靠、緩解加減速時(shí)列車(chē)內(nèi)產(chǎn)生的沖擊力等特點(diǎn)，保障乘客的安全及舒適感。本文通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外車(chē)鉤緩沖裝置的發(fā)展與對(duì)比分析，車(chē)體強(qiáng)度以及車(chē)鉤緩沖裝置在有無(wú)碰撞要求時(shí)存在較大差異。

一、地鐵車(chē)輛半自動(dòng)車(chē)鉤和半永久車(chē)鉤論述

（一）半自動(dòng)車(chē)鉤

半自動(dòng)車(chē)鉤由車(chē)鉤頭、風(fēng)管接頭、車(chē)鉤牽引桿、橡膠墊鉤尾座、對(duì)中裝置、卡環(huán)、地線組成，可以實(shí)現(xiàn)鐵路車(chē)輛的自動(dòng)連接。一節(jié)車(chē)廂駛到另一節(jié)車(chē)廂并對(duì)準(zhǔn)后，這種車(chē)鉤即可在無(wú)需人工協(xié)助的情況下實(shí)現(xiàn)車(chē)廂的連掛。即使在連掛車(chē)輛存在水平和垂直角度誤差時(shí)，這種車(chē)鉤也可實(shí)現(xiàn)車(chē)輛的自動(dòng)連接，并可實(shí)現(xiàn)連掛列車(chē)的豎曲線和平曲線運(yùn)動(dòng)及旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

除可實(shí)現(xiàn)機(jī)械連掛外，這種車(chē)鉤實(shí)現(xiàn)了風(fēng)管自動(dòng)對(duì)接，減震器確保了減震作用，對(duì)緩沖和牽引均有效。半自動(dòng)車(chē)鉤配備了能量吸收裝置，可在受到重沖擊時(shí)起作用，從而保護(hù)了車(chē)身底架不受損。半自動(dòng)車(chē)鉤實(shí)現(xiàn)機(jī)械連掛后，風(fēng)管會(huì)自動(dòng)連接起來(lái)。半自動(dòng)車(chē)鉤只能通過(guò)手動(dòng)驅(qū)動(dòng)車(chē)鉤頭處的解鉤桿來(lái)進(jìn)行解鉤，如兩個(gè)連掛車(chē)鉤的鉤鎖意外解開(kāi)，需將車(chē)輛分離后再次連掛，在軌道旁完成解鉤和分離后，車(chē)鉤會(huì)再次進(jìn)入連掛準(zhǔn)備狀態(tài)。

半自動(dòng)車(chē)鉤與傳統(tǒng)車(chē)鉤相比，它不需要人工操作，自動(dòng)連掛方便快速。當(dāng)出現(xiàn)緊急故障時(shí)，能迅速自動(dòng)對(duì)接被拖離現(xiàn)場(chǎng)，而不影響線路的正常運(yùn)營(yíng);傳統(tǒng)的車(chē)鉤不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)連接，都是人工操作，所以半自動(dòng)車(chē)鉤比傳統(tǒng)車(chē)鉤更加靈活。

（二）半永久車(chē)鉤

半永久車(chē)鉤由風(fēng)管接頭、車(chē)鉤牽引桿、橡膠墊鉤尾座、卡環(huán)、地線組成，它的設(shè)計(jì)可確保車(chē)輛的永久連接，使車(chē)輛的各節(jié)車(chē)廂在運(yùn)動(dòng)中形成一個(gè)整體，除遇到緊急狀況或在庫(kù)區(qū)進(jìn)行維護(hù)之外，無(wú)需分離車(chē)輛，車(chē)鉤半部之間由便于拆卸的卡環(huán)連接，這種連接方式剛性佳、無(wú)松脫、安全性高，該款車(chē)鉤可實(shí)現(xiàn)列車(chē)的豎曲線和平曲線運(yùn)動(dòng)。

半永久車(chē)鉤緩沖裝置確保了減震作用對(duì)緩沖和牽引均有效;半永久車(chē)鉤連掛后，風(fēng)管將自動(dòng)完成連接;半永久車(chē)鉤半部分離只能手動(dòng)完成。

半永久車(chē)鉤把整列車(chē)連掛成一個(gè)整體，而連掛之間沒(méi)有間隙，能實(shí)現(xiàn)風(fēng)管的自動(dòng)對(duì)接，無(wú)特別情況下無(wú)需分離，這種與傳統(tǒng)的車(chē)鉤相比，傳統(tǒng)車(chē)鉤連掛后間隙大，有碰撞震動(dòng)大，風(fēng)管的對(duì)接和分離都需要人工來(lái)操作，相比下半永久車(chē)鉤在連接和解鉤更具有優(yōu)點(diǎn)和先進(jìn)性。

目前典型的客車(chē)車(chē)鉤緩沖裝置是以歐系的密接式車(chē)鉤緩沖裝置為代表。日本鐵路按鉤型可分為普通車(chē)鉤、剛性車(chē)鉤和密接式車(chē)鉤。普通型車(chē)鉤類(lèi)似于我國(guó)的2號(hào)、15號(hào)車(chē)鉤;剛性車(chē)鉤是在普通車(chē)鉤基礎(chǔ)上去掉了縱向間隙并增加了連鎖結(jié)構(gòu);密接式車(chē)鉤又分為方錐式與圓錐式2種。日本新干線電動(dòng)車(chē)組用的密接式車(chē)鉤的破壞強(qiáng)度由原來(lái)1200 kN提高到1600 kN甚至達(dá)1800 kN。

二、車(chē)體強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)對(duì)縱向載荷的要求

車(chē)輛車(chē)體強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)我國(guó)與國(guó)外一些發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)車(chē)輛縱向載荷要求有所差異。美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)（APTA SSA&S-034-9，Rev.2鐵道客車(chē)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)）中，對(duì)有無(wú)CEM（碰撞能量管理）系統(tǒng)的車(chē)體縱向壓縮強(qiáng)度的要求有很大區(qū)別：有CEM系統(tǒng)且?guī)Ъ羟熊?chē)鉤的車(chē)體壓縮力為2560kN，無(wú)CEM系統(tǒng)的車(chē)體壓縮力為3560kN;日本標(biāo)準(zhǔn)（JIS E7105鐵道車(chē)輛車(chē)體靜強(qiáng)度試驗(yàn)方法）中，對(duì)車(chē)體縱向壓縮強(qiáng)度的要求最大為980kN;歐洲標(biāo)準(zhǔn)（EN12663軌道車(chē)輛車(chē)體的結(jié)構(gòu)要求）中，車(chē)體縱向壓縮強(qiáng)度依據(jù)車(chē)輛種類(lèi)而不同：干線客車(chē)的壓縮強(qiáng)度為1500kN或2000kN，城軌車(chē)輛一般為800kN;我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)（TB /T1335鐵道車(chē)輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定規(guī)范）中，對(duì)車(chē)體縱向壓縮強(qiáng)度的要求為1180kN（轉(zhuǎn)化成與其他標(biāo)準(zhǔn)相同安全系數(shù)則壓縮強(qiáng)度為1700一1900kN）。除此之外，國(guó)際鐵路聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)（UIC566客車(chē)車(chē)體及其構(gòu)件的載荷）中，對(duì)車(chē)體縱向壓縮強(qiáng)度的要求為2000kN。對(duì)比如表1所列。

表1 國(guó)內(nèi)外車(chē)鉤強(qiáng)度及車(chē)體強(qiáng)度對(duì)比表??? kN

國(guó)家

車(chē)鉤強(qiáng)度

車(chē)體縱向壓縮強(qiáng)度

美國(guó)

2950

有CEM帶剪切車(chē)鉤

2560

無(wú)CEM

3560

日本

1600

干線客車(chē)

980

歐洲

1500

干線客車(chē)

1500/2000

城軌車(chē)輛

800

中國(guó)

1800/2000

25G/T客車(chē)

1700-1900

各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)車(chē)體承受縱向載荷的規(guī)定是由不同的設(shè)計(jì)理念決定的，美國(guó)和歐洲甚至我國(guó)強(qiáng)調(diào)發(fā)生事故后的消極防護(hù)，以確保乘客的生命安全，而日本則更偏向于輕量化車(chē)體結(jié)構(gòu)，充分利用車(chē)體結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度，用列車(chē)控制技術(shù)來(lái)保證安全性。但是，日本的車(chē)鉤強(qiáng)度卻不低，這說(shuō)明事故的發(fā)生概率可以通過(guò)控制或謹(jǐn)慎駕駛來(lái)降低。但車(chē)鉤強(qiáng)度高在一定程度上提高了運(yùn)行的可靠性，延長(zhǎng)了車(chē)鉤的使用年限，降低了更換率。

三、典型車(chē)輛的車(chē)鉤與車(chē)體強(qiáng)度

選取CRH系動(dòng)車(chē)組，城軌車(chē)輛及25G/T客車(chē)為例，簡(jiǎn)單介紹其所用車(chē)鉤及車(chē)體強(qiáng)度，具體參數(shù)見(jiàn)表2，從中基本看出二者一之間的聯(lián)系。

CHR系動(dòng)車(chē)組一般都采用了自動(dòng)車(chē)鉤、半永久性（半自動(dòng)）車(chē)鉤及過(guò)渡車(chē)鉤（緊急車(chē)鉤）等3種車(chē)鉤。自動(dòng)車(chē)鉤置于動(dòng)車(chē)組頭車(chē)的前端，用于連接其他的動(dòng)車(chē)組;半永久性（半自動(dòng)）車(chē)鉤置于頭車(chē)的后端和所有其他車(chē)輛的兩端。過(guò)渡車(chē)鉤只有在動(dòng)車(chē)組需要緊急救援回送時(shí)使用。

由表2所列幾種典型車(chē)輛的車(chē)鉤配置及車(chē)體強(qiáng)度可以看出，除了CRH2動(dòng)車(chē)組車(chē)鉤強(qiáng)度遠(yuǎn)高于車(chē)體強(qiáng)度，CRH5動(dòng)車(chē)組中間車(chē)鉤低于車(chē)體強(qiáng)度以外，CRH系動(dòng)車(chē)組車(chē)鉤強(qiáng)度與車(chē)體強(qiáng)度基本相當(dāng)，城軌車(chē)輛的車(chē)鉤強(qiáng)度與車(chē)體強(qiáng)度也基本在同一水平，25型客車(chē)的車(chē)鉤強(qiáng)度高于車(chē)體強(qiáng)度。

表2? 典型車(chē)輛車(chē)鉤及車(chē)體強(qiáng)度

列車(chē)

編組數(shù)/輛

重量/t

制動(dòng)力/kN

車(chē)鉤配置及強(qiáng)度 /kN

車(chē)體強(qiáng)度/kN

CRH1

8

485

400

自動(dòng)車(chē)鉤，半永久性車(chē)鉤

1500壓縮

1000拉伸

1500壓縮

1000拉伸

CRH2

8

408.5

300

自動(dòng)車(chē)鉤，半自動(dòng)車(chē)鉤

3100壓縮

1600拉伸

980壓縮

CRH3

8

475

300

自動(dòng)車(chē)鉤，

半永久性車(chē)鉤

1500壓縮

1000拉伸

1500壓縮

1000拉伸

CRH5

6

364

260

自動(dòng)車(chē)鉤，

半永久性車(chē)鉤

1500壓縮

1000拉伸

800壓縮

700拉伸

A型地鐵

6

220

410

自動(dòng)車(chē)鉤，半永久性車(chē)鉤，半自動(dòng)車(chē)鉤

1200壓縮

1000拉伸

1200壓縮

1000拉伸

B型地鐵

6

201

375

自動(dòng)車(chē)鉤，半永久性車(chē)鉤，半自動(dòng)車(chē)鉤

1000壓縮

800拉伸

1000壓縮

800拉伸

25G/T

18

1000

480

15號(hào)車(chē)鉤

密接式車(chē)鉤

2000壓縮

1800壓縮

1180壓縮/980拉伸

四、車(chē)鉤與車(chē)體強(qiáng)度的匹配

從上述對(duì)比中可以看到，美國(guó)車(chē)輛無(wú)論是車(chē)鉤還是車(chē)體強(qiáng)度要求都比較高，大于2500kN;歐洲車(chē)輛的車(chē)鉤與車(chē)體強(qiáng)度基本在同一水平，約1500kN左右;日本車(chē)輛的車(chē)鉤強(qiáng)度遠(yuǎn)高于車(chē)體強(qiáng)度;我國(guó)干線客車(chē)的車(chē)鉤強(qiáng)度也高于車(chē)體強(qiáng)度，而城軌車(chē)輛則車(chē)鉤、車(chē)體強(qiáng)度相當(dāng)。

低速碰撞時(shí)，碰撞所產(chǎn)生的能量只依賴(lài)于車(chē)鉤緩沖裝置來(lái)吸收是不夠的，需要考慮多級(jí)能量吸收系統(tǒng)來(lái)有序地耗散，圖1給出了耐碰撞車(chē)體的縱向載荷變形行程曲線。

圖1? 耐碰撞車(chē)體縱向載荷----變形行程特征

圖2給出了一種典型列車(chē)前端車(chē)鉤緩沖器配置方案。包括了EFG橡膠緩沖器、膠泥緩沖器、過(guò)載保護(hù)裝置、車(chē)體兩側(cè)防爬器，這些緩沖吸能部件的初始動(dòng)作力和強(qiáng)度是依次增加的，在列車(chē)發(fā)生較高速度的沖擊時(shí)依次開(kāi)始發(fā)揮緩沖吸能作用。

圖2? 列車(chē)前端車(chē)鉤緩沖器配置

整個(gè)緩沖吸能過(guò)程可以分為4個(gè)階段：

（1）EFG橡膠緩沖器最先發(fā)揮緩沖吸能作用;

（2）作用力上升達(dá)到膠泥緩沖器的初始動(dòng)作力時(shí)，膠泥緩沖器開(kāi)始變形，吸收沖擊能量;

（3）膠泥緩沖器內(nèi)的作用力隨緩沖器行程增加而上升，當(dāng)超過(guò)過(guò)載保護(hù)裝置的強(qiáng)度時(shí)，過(guò)載保護(hù)裝置將動(dòng)作，使車(chē)鉤與車(chē)體分離;

（4）車(chē)體兩側(cè)的防爬器以及車(chē)體前端吸能區(qū)接觸，繼續(xù)吸收沖擊能量。

為了實(shí)現(xiàn)上述的列車(chē)前端車(chē)鉤緩沖裝置和車(chē)體吸能區(qū)的功能，列車(chē)前端的車(chē)鉤等部件必須合理布置，如圖3所示。

圖3? 列車(chē)前端的布置

車(chē)鉤前端面與車(chē)體吸能區(qū)前端面之間的距離必須大于過(guò)載保護(hù)裝置動(dòng)作之前車(chē)鉤可能發(fā)生的壓縮行程（如EFG橡膠緩沖器與壓潰管的行程之和），并留有一定的制造公差。否則，車(chē)鉤行程用盡之前會(huì)出現(xiàn)兩車(chē)前端吸能區(qū)接觸，兩者一疊加的強(qiáng)度高于車(chē)體強(qiáng)度，可能導(dǎo)致車(chē)體損壞。車(chē)體上的車(chē)鉤安裝座后方也必須留有足夠的空間，保證車(chē)鉤過(guò)載保護(hù)裝置動(dòng)作后車(chē)鉤能充分向后移動(dòng)，避免在車(chē)體吸能區(qū)行程用盡之前再次承受縱向力并與車(chē)體吸能區(qū)疊加形成高強(qiáng)度導(dǎo)致車(chē)體損壞。

由此可見(jiàn)，在考慮低速碰撞時(shí)，需要設(shè)計(jì)一個(gè)完整的由多個(gè)吸能裝置構(gòu)成的能量耗散系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)能量的有序消散。車(chē)鉤緩沖裝置的性能作為列車(chē)的一項(xiàng)總體性能，列車(chē)的其他總體參數(shù)，如列車(chē)編組型式、編組中各車(chē)輛的重量、車(chē)體強(qiáng)度、不導(dǎo)致車(chē)體損壞的最大沖擊速度、車(chē)鉤前端面允許突出車(chē)體前端的距離、停放制動(dòng)列車(chē)的摩擦系數(shù)等，都影響車(chē)鉤緩沖裝置的配置，特別是車(chē)體強(qiáng)度，幾乎可以說(shuō)對(duì)列車(chē)的允許沖擊速度有決定性的影響，所以，車(chē)鉤緩沖裝置強(qiáng)度適當(dāng)?shù)陀谲?chē)體強(qiáng)度的同時(shí)，其配置要求應(yīng)與列車(chē)的總體參數(shù)一起考慮。

5、結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)比國(guó)內(nèi)外車(chē)鉤緩沖裝置發(fā)展、車(chē)體強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)對(duì)車(chē)體縱向載荷的要求，以及典型車(chē)輛車(chē)鉤配置和車(chē)體強(qiáng)度指標(biāo)，總結(jié)如下兩點(diǎn)：（1）在不考慮碰撞的情況下，車(chē)鉤緩沖裝置的強(qiáng)度一般與車(chē)體強(qiáng)度相當(dāng)，或者略高于車(chē)體強(qiáng)度。（2）在考慮低速碰撞時(shí)，需設(shè)置剪切車(chē)鉤或過(guò)載保護(hù)裝置，車(chē)鉤緩沖裝置的強(qiáng)度應(yīng)適當(dāng)?shù)氐陀谲?chē)體強(qiáng)度。