自動(dòng)旅客運(yùn)輸系統(tǒng)車輛全自動(dòng)鉤緩裝置設(shè)計(jì)

包佳健 錢名鑫 勾洪浩 趙金寶

(1. 中車浦鎮(zhèn)龐巴迪運(yùn)輸系統(tǒng)有限公司，241060，蕪湖；2. 中車青島四方車輛研究所有限公司，266031，青島//第一作者，工程師)

根據(jù)自動(dòng)旅客運(yùn)輸(APM)系統(tǒng)對車輛的要求，本文設(shè)計(jì)開發(fā)了一款適用于APM車輛特點(diǎn)的全自動(dòng)鉤緩沖裝置。

1 APM車輛鉤緩裝置的要求

車輛鉤緩裝置作為軌道交通車輛的安全配置，必須具備足夠的強(qiáng)度、簡單可靠的連掛和解鉤功能，并能很好地吸收車輛牽引和緩沖過程中產(chǎn)生的能量。常規(guī)軌道交通車輛的鉤緩裝置系統(tǒng)通常由半/全自動(dòng)車鉤、半永久車鉤組成，其車輛的鉤緩配置如圖1所示。

APM系統(tǒng)的車輛設(shè)計(jì)和線路設(shè)計(jì)有其特殊要求：①需滿足車輛靈活編組要求；②需滿足最小水平曲線半徑22 m的線路設(shè)計(jì)；③需滿足線路最大持續(xù)坡度10%等設(shè)計(jì)需求。

為滿足以上APM需求，本文重新設(shè)計(jì)開發(fā)了一套適合APM車輛的全自動(dòng)鉤緩裝置。

2 APM車輛鉤緩裝置總體設(shè)計(jì)

圖2 APM列車編組形式示意圖

PBTS膠輪路輪APM車輛的編組可由1節(jié)至6節(jié)靈活設(shè)置，在車輛兩端分別采用全自動(dòng)鉤緩裝置。1～4節(jié)編組的APM列車如圖2所示。

2. 1 總體方案

APM車輛全自動(dòng)鉤緩裝置采用模塊化的設(shè)計(jì)，主要由連掛系統(tǒng)、緩沖系統(tǒng)、安裝吊掛系統(tǒng)等模塊組成，如圖3所示。

圖3 APM全自動(dòng)鉤緩裝置示意圖

APM車輛全自動(dòng)鉤緩裝置主要由機(jī)械鉤頭、電氣車鉤及緩沖器3部分組成，能滿足以下技術(shù)要求：

1) 連掛時(shí)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)機(jī)械、電氣和風(fēng)路的連接；分解時(shí)操作者按解鉤按鈕后，可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)分解。

2) 電氣車鉤在連掛時(shí)自動(dòng)伸出，分解時(shí)自動(dòng)縮回，需配備以太網(wǎng)通信接口。

3) 非連掛模式下車鉤保持自動(dòng)對中。

4) 滿足1列超載狀態(tài)(AW3)的列車以5 km/h或8 km/h的速度與1列處于停放制動(dòng)狀態(tài)的AW3列車連掛的碰撞工況；

5) 縱向壓縮屈服強(qiáng)度≥400 kN，縱向拉伸屈服強(qiáng)度≥300 kN。

2. 2 與常規(guī)地鐵車輛鉤緩裝置的區(qū)別

APM車輛全自動(dòng)鉤緩沖裝置與常規(guī)地鐵車輛全自動(dòng)鉤緩裝置的基本功能相同。二者的區(qū)別主要有以下方面：

1) 與常規(guī)地鐵車輛鉤緩裝置壓縮屈服強(qiáng)度≥1 250 kN、拉伸屈服強(qiáng)度≥850 kN相比，APM車輛全自動(dòng)鉤緩裝置的設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求較低。

2) APM車輛鉤緩裝置更加緊湊，長度僅1 130 mm；而地鐵車輛全自動(dòng)鉤緩裝置長度通常約為1 700 mm。

3) 為增大自動(dòng)連掛范圍，APM車輛鉤緩裝置鉤頭增加了導(dǎo)引桿。

4) APM車輛鉤緩裝置的電氣車鉤更為復(fù)雜，增加了以太網(wǎng)模塊及動(dòng)態(tài)觸點(diǎn)接觸組件，且觸點(diǎn)芯數(shù)較多。

5) APM車輛鉤緩裝置的推送控制系統(tǒng)更加復(fù)雜。

3 APM車輛全自動(dòng)鉤緩裝置組成及功能

3. 1 連掛系統(tǒng)

APM車輛全自動(dòng)鉤緩裝置的連掛系統(tǒng)集成了機(jī)械車鉤、電氣車鉤和風(fēng)管連接器，實(shí)現(xiàn)機(jī)械、電氣和風(fēng)路的自動(dòng)連接和分解。

3. 1. 1 機(jī)械車鉤

機(jī)械車鉤內(nèi)部主要由鉤舌、連掛桿、回復(fù)彈簧、解鉤氣缸等組成，如圖4所示。工作狀態(tài)有連掛位(同時(shí)也是待掛位)和全開位2種狀態(tài)，如圖5所示。

圖4 機(jī)械車鉤內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 機(jī)械車鉤連掛和全開狀態(tài)示意圖

連掛時(shí)，兩車鉤相互撞擊，鉤體內(nèi)部的鉤舌等機(jī)構(gòu)發(fā)生順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。在兩鉤相互連掛過程中，對方鉤體的凸錐推動(dòng)本鉤鉤舌等連掛機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)到最大角度，到達(dá)全開位，然后在回復(fù)彈簧的作用下迅速回復(fù)到鎖定位，完成機(jī)械連接。

解鉤時(shí)，向解鉤氣缸充風(fēng)或者人工拉動(dòng)解鉤手柄，使內(nèi)部的鉤舌及其它機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)到最大角度，到達(dá)全開位，此時(shí)兩車鉤可以正常分離。釋放解鉤手柄后，在回復(fù)彈簧力的作用下，鉤舌等其它內(nèi)部機(jī)構(gòu)回復(fù)到待連掛位。

3. 1. 2 風(fēng)管連接器

機(jī)械車鉤下部集成有自閉塞式的主風(fēng)管連接器，如圖6所示。風(fēng)管連接器可以在列車連掛時(shí)自動(dòng)連通列車管路，在列車分解時(shí)自動(dòng)關(guān)斷列車管路。

圖6 風(fēng)管連接器連掛后風(fēng)路示意圖

3. 1. 3 電氣車鉤及推送控制系統(tǒng)

針對APM車輛要求所設(shè)計(jì)研發(fā)的電氣車鉤及推送控制系統(tǒng)，其電氣車鉤可在推送控制系統(tǒng)的作用下實(shí)現(xiàn)兩列車電氣線路的自動(dòng)連掛和分離。當(dāng)車鉤處于非連掛狀態(tài)時(shí)，電氣車鉤在推送控制系統(tǒng)的作用下，處于回縮狀態(tài)，前蓋關(guān)閉保持密封；當(dāng)車鉤處于連掛狀態(tài)時(shí)，先完成機(jī)械車鉤的連掛，隨后推送控制系統(tǒng)將電氣車鉤向前推出，同時(shí)打開前蓋，使電氣車鉤連掛面緊靠在一起，實(shí)現(xiàn)連掛。

如圖7所示,電氣車鉤主要由殼體、絕緣面板、前蓋、插針及插孔等接觸組件組成，其中，絕緣面板包含56對插針插孔接觸組件、12對動(dòng)態(tài)觸頭以及4組8芯以太網(wǎng)絡(luò)模塊。非連掛狀態(tài)時(shí)，配對的動(dòng)觸點(diǎn)與靜觸點(diǎn)實(shí)現(xiàn)短接；連掛時(shí)動(dòng)觸點(diǎn)與靜觸點(diǎn)的短接自動(dòng)斷開。車體端的哈丁連接器內(nèi)采用了相應(yīng)的8芯以太網(wǎng)模塊，用于傳輸以太網(wǎng)信號(hào)。

圖7 APM車輛電氣車鉤示意圖

推送控制系統(tǒng)由推送機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)構(gòu)成。推送機(jī)構(gòu)是電氣車鉤的驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。控制系統(tǒng)采用了電氣控制的方式，其元器件如表1所示，控制原理如圖8所示。

表1 車鉤連掛/解鉤控制系統(tǒng)元器件列表

圖8 車鉤連掛/解鉤控制系統(tǒng)氣路原理圖

車鉤連掛時(shí)，兩車撞擊完成機(jī)械連掛，限位開關(guān)S1和S2反饋機(jī)械車鉤連掛完成信號(hào)，將連掛到位信號(hào)反饋至車輛控制端；同時(shí)給電磁閥EV1通電，雙控2位5通電磁閥轉(zhuǎn)換方向，電氣車鉤推出，對中氣缸無氣路通過，氣動(dòng)對中切除，從而完成自動(dòng)連掛。

車鉤解鉤時(shí)，按下解鉤按鈕，連掛反饋信號(hào)立即消失，電磁閥EV2通電，雙控2位5通電磁閥轉(zhuǎn)換方向，電氣車鉤縮回，對中氣路恢復(fù)連通，車鉤對中功能恢復(fù)；同時(shí)電鉤縮回到位后觸發(fā)限位開關(guān)S3閉合，電磁閥EV3通電，單控2位5通電磁閥換向，解鉤氣缸充氣；解鉤氣缸頂推鉤舌完成解鉤動(dòng)作，隨后可分離兩車。

關(guān)閉氣動(dòng)控制手動(dòng)截止閥，可將整個(gè)氣動(dòng)控制回路關(guān)閉，電氣車鉤伸縮動(dòng)作、機(jī)械解鉤動(dòng)作失效，氣動(dòng)對中切除。保持氣動(dòng)控制手動(dòng)截止閥打開，只關(guān)閉氣動(dòng)對中手動(dòng)截止閥，可只切除氣動(dòng)對中。

3. 2 緩沖系統(tǒng)

緩沖系統(tǒng)主要由緩沖器殼體、緩沖器芯子、環(huán)簧等組成，如圖9所示。鉤緩裝置采用拉壓獨(dú)立的緩沖方式，受拉時(shí)環(huán)彈簧起到緩沖作用，受壓時(shí)緩沖器芯子起到緩沖作用。

圖9 緩沖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

3. 3 安裝吊掛系統(tǒng)

安裝吊掛系統(tǒng)主要有3個(gè)作用，分別是：將全自動(dòng)鉤緩裝置連接到車體，并傳遞力；通過垂向支撐設(shè)施為整個(gè)鉤緩裝置提供垂向支撐及調(diào)節(jié)鉤高的功能；通過氣動(dòng)對中設(shè)施使非連掛狀態(tài)下的鉤緩裝置保持在對中位置，便于車鉤的連掛。

4 能量吸收性能仿真分析

按照列車縱向動(dòng)力學(xué)理論，可將整列車視為由鉤緩裝置連接的若干單自由度(縱向)質(zhì)點(diǎn)。通過對質(zhì)點(diǎn)系運(yùn)動(dòng)微分方程組的逐步求解，計(jì)算整個(gè)碰撞過程各個(gè)車位的加速度、車鉤力、速度等指標(biāo)，研究不同工況下鉤緩裝置的受力情況和能量吸收情況。

通過仿真計(jì)算得出：1列4輛編組的AW3列車以5 km/h速度與另1列靜止并處于停放制動(dòng)狀態(tài)的4輛編組AW3列車沖擊后，最大車鉤力為223.5 kN；1列4輛編組的AW3列車以8 km/h速度與另1列靜止并處于停放制動(dòng)狀態(tài)的4輛編組AW3列車沖擊后，最大車鉤力為315.7 kN，如圖10所示。這2種工況下的最大車鉤力均小于縱向壓縮屈服強(qiáng)度400 kN。

圖10為2列列車以8 km/h碰撞時(shí)的分析模型和車鉤最大受力斷面圖。其結(jié)果表明，全自動(dòng)鉤緩裝置能夠完全吸收列車低速(v≤8 km/h)碰撞過程中產(chǎn)生的沖擊能量，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖10 2列車碰撞的分析模型

5 結(jié)語

本文根據(jù)APM車輛要求,設(shè)計(jì)開發(fā)了一套適用于APM車輛的全自動(dòng)鉤緩裝置。介紹了該鉤緩裝置的連掛系統(tǒng)、電氣車鉤、推送控制系統(tǒng)及安裝吊掛系統(tǒng)等核心模塊的組成、工作原理及功能。通過采用列車縱向動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算可知，全自動(dòng)鉤緩裝置能夠吸收要求的碰撞工況沖擊能量，滿足設(shè)計(jì)要求。