城市軌道車擋防撞液壓緩沖系統(tǒng)仿真研究

(山西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 山西太原 030006)

引言

城市軌道交通車輛向大型化、高速化、重載化方向發(fā)展[1-3]，其慣性也越來越大，當(dāng)車輛行駛到軌道終端時，僅依靠輪軌間的摩擦力難以安全地剎住交通車輛，故在軌道終端設(shè)置車擋防撞裝置是一種重要的安全防護(hù)措施[4-5]。

車擋防撞裝置主要防止車輛失控沖出軌道，造成車輛等設(shè)備的損壞及人員傷亡。初期，國內(nèi)擋車裝置經(jīng)歷了土堆式車擋、彎軌式擋車器、漿砌石、混凝土車擋、制動鐵鞋、防溜枕木等剛性固定式車擋裝置[6-7]。目前車擋裝置朝滑移式車擋器發(fā)展，依靠車擋器與軌道的制動摩擦力進(jìn)行制動失控車輛，《地鐵設(shè)計規(guī)范》提出了車擋器的設(shè)計撞擊速度為15 km/h[8-9]。日本使用過天然橡膠緩沖器作為鐵道車輛的吸能裝置[10]，美國有比較先進(jìn)的長行程液壓車擋器、高制動力液壓滑移車擋器、固定液壓車擋、庫內(nèi)液壓車擋、絕緣膠泥緩沖滑移式車擋器[11]。目前國內(nèi)多采用撞擊車鉤式的車擋器，國外地鐵車場主要采用固定液壓車擋器，在國內(nèi)上海地鐵10號線及北京機(jī)場線直線電機(jī)車輛段也應(yīng)用了固定式液壓車擋裝置[10-12]。

固定式液壓車擋裝置中使用的液壓緩沖器和液壓減震器原理一樣，當(dāng)沖擊載荷作用于柱塞上，柱塞被壓入缸體，油腔的油液經(jīng)過節(jié)流孔流回到儲油室，沖擊動能轉(zhuǎn)化為熱能。但現(xiàn)有的車擋液壓緩沖器緩沖能力有限，緩沖力不可調(diào)節(jié)[13]。本研究結(jié)合液壓緩沖技術(shù)在其他方面的應(yīng)用研究[14-17]，提出一種城市軌道車擋防撞液壓緩沖系統(tǒng)，開展了城市軌道車擋防撞液壓緩沖系統(tǒng)原理研究與系統(tǒng)設(shè)計，搭建了城市軌道車擋防撞液壓緩沖系統(tǒng)仿真模型，并進(jìn)行了系統(tǒng)動態(tài)性能仿真分析，歸納了系統(tǒng)參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響特點，研究結(jié)果表明，所提出的軌道車擋防撞液壓緩沖系統(tǒng)具有一定的有效性，仿真分析對后期試驗研究具有一定的參考價值。

1 城市軌道車擋防撞液壓緩沖系統(tǒng)

城市軌道車擋防撞液壓緩沖系統(tǒng)原理圖，如圖1所示。

城市軌道車擋防撞液壓緩沖系統(tǒng)主要由液壓緩沖油缸、溢流閥、防撞頭、摩擦導(dǎo)向裝置組成，防撞頭與液壓緩沖油缸固定連接，摩擦導(dǎo)向裝置與導(dǎo)軌滑動連接，在摩擦導(dǎo)向裝置的作用下，防撞頭可沿軌道滑行。在車輛沿軌道運(yùn)行至軌道末端時，失控車輛撞擊防撞頭，擠壓液壓緩沖油缸活塞桿，活塞縮回，活塞壓縮液壓緩沖油缸A腔(以下簡稱緩沖腔)，緩沖腔液壓油液受壓，其容腔壓力瞬間上升至溢流閥開啟壓力，溢流閥打開，緩沖腔油液流向油箱，在緩沖腔油液溢流過程中，根據(jù)溢流閥閥芯力平衡原理，液壓緩沖油缸腔壓力基本與溢流閥的開啟壓力相同，該壓力反作用于活塞上，形成一定阻力，阻礙車輛快速制動，從而形成一定的緩沖作用，防止失控車輛損壞及人員傷亡。

圖1 城市軌道車擋防撞液壓緩沖系統(tǒng)原理圖

2 車擋防撞液壓緩沖系統(tǒng)仿真模型搭建

根據(jù)城市軌道車擋防撞液壓緩沖系統(tǒng)工作原理，搭建其系統(tǒng)仿真模型示意圖，如圖2所示。

圖2 城市軌道車擋防撞液壓緩沖系統(tǒng)仿真模型

圖2中，考慮了摩擦導(dǎo)向裝置對軌道的一定夾緊力及與軌道間的摩擦力，車輛模型用質(zhì)量塊M2模擬，防撞頭模型用質(zhì)量塊M1模擬。失控車輛和防撞頭碰撞接觸時，滿足動能定律，失控車輛初始動能轉(zhuǎn)化為失控車輛和防撞頭的共同動能，由于防撞頭相對于失控車輛質(zhì)量較小，緩沖初期靜止?fàn)顟B(tài)下的防撞頭會迅速加速，而失控車輛會緩慢減速，但防撞頭一旦發(fā)生位移就會產(chǎn)生液壓阻力，當(dāng)二者速度相同后共同減速運(yùn)動，使用AMESim機(jī)械庫中MAS30模型可一定程度還原車輛與防撞頭的碰撞接觸(后續(xù)仿真一定程度也驗證了該過程)。

仿真參數(shù)見表1所示。

表1 仿真參數(shù)

參數(shù)數(shù)值液壓缸活塞直徑/mm100液壓缸活塞桿直徑/mm50液壓缸行程/m15車輛質(zhì)量/kg1.0×106防撞頭質(zhì)量/kg200車輛速度/m·s-15溢流閥開啟壓力/MPa15夾緊力/N1.0×104摩擦系數(shù)0.3

3 車擋防撞液壓緩沖系統(tǒng)仿真分析

仿真步長0.001 s，仿真時間10 s，得到車擋防撞液壓緩沖系統(tǒng)動態(tài)性能曲線圖，如圖3所示。其中，圖3a為車輛速度動態(tài)曲線圖，圖3b為防撞頭速度動態(tài)曲線圖，圖3c為車輛制動位移曲線圖，圖3d為液壓緩沖油缸緩沖腔壓力曲線。

由圖3a～圖3d仿真結(jié)果可得：在緩沖制動失控車輛過程中，車輛速度由初始撞擊速度5 m/s勻減速至0，減速時間為5.6 s，減加速度為0.89 m/s2；防撞頭質(zhì)量遠(yuǎn)小于車輛質(zhì)量，故防撞頭加速較快，加速過程有一定的振動現(xiàn)象，約在0.6 s時，防撞頭與車輛速度保持一致，直至車輛停止；車輛減速過程中，車輛制動位移為13.5 m，液壓緩沖油缸緩沖腔壓力基本保持在溢流閥開啟壓力15 MPa左右，向上波動幅度小于0.5 MPa。

由圖3c和圖3d進(jìn)一步變化橫坐標(biāo)，得到車輛制動位移-緩沖腔壓力動態(tài)性能曲線圖，如圖4所示。

由圖4可進(jìn)一步計算出液壓緩沖系統(tǒng)實際的吸收能量值，按方程式(1)計算：

(1)

圖3 車擋防撞液壓緩沖系統(tǒng)動態(tài)性能曲線

圖4 制動位移-緩沖腔壓力動態(tài)性能曲線

式中，p—— 液壓緩沖油缸緩沖腔壓力，按溢流閥開啟壓力值15 MPa計算

D—— 液壓緩沖油缸活塞直徑，0.1 m

d—— 液壓緩沖油缸活塞桿直徑，0.05 m

x—— 車輛制動位移，13.6 m

由式(1)計算得系統(tǒng)實際的吸收能量值：E=1.202×106J。

而失控車輛初始動能按方程式(2)計算：

(2)

式中，M—— 車輛質(zhì)量，M=1.0×105kg

v—— 車輛速度，v=5 m/s

由式(2)計算得車輛初始動能為：

E0=1.25×106J

則進(jìn)一步可計算得能量吸收率:

顯然絕大部分沖擊能量在撞擊過程中被液壓緩沖油缸吸收。

其他參數(shù)不變，分別設(shè)置車輛質(zhì)量為8.0×104，9.0×104， 1.0×105， 1.1×105kg進(jìn)行仿真，得車輛質(zhì)量對制動位移-緩沖腔壓力性能影響曲線圖，如圖5所示。

圖5 質(zhì)量對制動位移-緩沖腔壓力性能影響

由圖5得：隨失控車輛質(zhì)量增大，車輛制動位移增大，而液壓緩沖油缸緩沖腔壓力不變，基本與溢流閥開啟壓力保持一致，為15 MPa。

參照方程式(1)、(2)可計算出不同失控車輛質(zhì)量下的系統(tǒng)實際吸收能量值、撞擊前的初始動能及緩沖系統(tǒng)的吸能率，如表2所示。

表2 不同質(zhì)量的吸能值、初始動能、吸能率一覽表

由表2看出：變化失控車輛的質(zhì)量，緩沖系統(tǒng)的吸能率均保持在96%以上，隨質(zhì)量的增大，系統(tǒng)吸能率有先減小后增大的趨勢。

其他參數(shù)不變，分別設(shè)置溢流閥開啟壓力為14， 15， 16， 17 MPa進(jìn)行仿真，得溢流閥開啟壓力對制動位移-緩沖腔壓力性能影響曲線圖，如圖6所示。

圖6 開啟壓力對制動位移-緩沖腔壓力性能影響

由圖6得：隨溢流閥開啟壓力增大，車輛制動位移減小，液壓緩沖油缸緩沖腔壓力增大，其值與對應(yīng)溢流閥開啟壓力值保持一致。

同樣，參照方程式(1)、(2)可計算出不同溢流閥開啟壓力下的系統(tǒng)實際吸收能量值、撞擊前的初始動能及緩沖系統(tǒng)的吸能率，如表3所示。

表3 不同開啟壓力的吸能值、初始動能、吸能率表

由表3看出：增大溢流閥開啟壓力，緩沖系統(tǒng)的吸能率增大，也均保持在95%以上。

顯然，在進(jìn)行初始參數(shù)下、不同失控車輛質(zhì)量下及不同溢流閥開始壓力下的緩沖系統(tǒng)仿真分析過程中，能看出所提出的城市軌道車擋防撞液壓緩沖系統(tǒng)吸能率較大，具有一定的可參考價值。

為研究車輛緩沖距離的控制措施，進(jìn)一步專項分析系統(tǒng)參數(shù)對車輛緩沖距離的影響情況，由方程式(1)初步判定增大溢流閥開啟壓力、增大緩沖油缸活塞直徑、減小緩沖油缸活塞桿直徑可縮短車輛緩沖制動位移，仿真得到溢流閥開啟壓力分別為15， 20， 25， 30 MPa時的車輛緩沖制動位移曲線如圖7所示；緩沖油缸活塞直徑分別為100， 105， 110， 115 mm時的車輛緩沖制動位移曲線如圖8所示；緩沖油缸活塞桿直徑分別為50， 45， 40， 35 mm時的車輛緩沖制動位移曲線如圖9所示。

圖7 溢流閥開啟壓力對車輛緩沖制動位移影響

圖8 活塞直徑對車輛緩沖制動位移影響

圖9 活塞桿直徑對車輛緩沖制動位移影響

由圖7～圖9仿真結(jié)果可知：縮短車輛緩沖制動位移的措施有：增大溢流閥開啟壓力、增大活塞直徑、減小活塞桿直徑，在實際工況下，配套可調(diào)開啟壓力的溢流閥進(jìn)行控制車輛緩沖制動位移。

4 結(jié)論

城市軌道車輛向重載高速方向發(fā)展，當(dāng)車輛行駛至軌道終端時，失控事故也隨之增多，故軌道車擋裝置的安全性需要進(jìn)一步提升。結(jié)合現(xiàn)有的車擋防撞裝置及液壓緩沖系統(tǒng)的應(yīng)用研究，提出一種城市軌道車擋防撞液壓緩沖系統(tǒng)，研究了系統(tǒng)工作原理，利用AMESIM進(jìn)行了緩沖系統(tǒng)仿真模型搭建，仿真得到了緩沖系統(tǒng)動態(tài)性能，計算了系統(tǒng)吸能率，并進(jìn)行了不同失控車輛質(zhì)量、溢流閥開啟壓力下車輛制動位移-液壓緩沖油缸緩沖腔壓力性能影響研究及分析，進(jìn)一步計算出不同失控車輛質(zhì)量、溢流閥開啟壓力對應(yīng)的系統(tǒng)吸能率，最后分析了控制車輛緩沖制動位移的措施，主要得出以下結(jié)論：

(1) 城市軌道車擋防撞液壓緩沖系統(tǒng)能實現(xiàn)失控車輛的勻減速制動；

(2) 城市軌道車擋防撞液壓緩沖系統(tǒng)吸能率較大，失控車輛95%的沖擊動能被液壓系統(tǒng)吸收；

(3) 增大失控質(zhì)量，緩沖系統(tǒng)吸能率先減小后增大；

(4) 增大溢流閥開啟壓力，緩沖系統(tǒng)的吸能率增大；

(5) 通過增大溢流閥開啟壓力、緩沖油缸活塞有效面積可縮短車輛緩沖制動位移。