宋自帥 張小軍 張 瑞 李家樂(lè)

(中車(chē)戚墅堰機(jī)車(chē)車(chē)輛工藝研究所有限公司 江蘇 常州 213011)

有軌電車(chē)相比地鐵、輕軌，具有建設(shè)周期短、造價(jià)低等優(yōu)勢(shì)，未來(lái)有望成為大型城市軌道交通的有益補(bǔ)充以及中小城市主要運(yùn)輸工具。2016年，常州經(jīng)開(kāi)區(qū)區(qū)政府有意在經(jīng)開(kāi)區(qū)建造有軌電車(chē)線(xiàn)以方便周邊民眾出行，首條線(xiàn)為有軌電車(chē)示范線(xiàn)，5模塊編組。常州有軌電車(chē)前端模塊包括防爬開(kāi)閉機(jī)構(gòu)、Albert折疊車(chē)鉤和吸能裝置，正常運(yùn)行時(shí)，防爬開(kāi)閉機(jī)構(gòu)關(guān)閉，保持列車(chē)整體外形美觀。列車(chē)意外碰撞時(shí)防爬器可防止發(fā)生一列車(chē)爬到另一列車(chē)上的“交疊”現(xiàn)象(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“防爬”)，吸能裝置可吸收碰撞所產(chǎn)生的能量，從而避免造成人員傷害。列車(chē)發(fā)生故障時(shí)，防爬開(kāi)閉機(jī)構(gòu)打開(kāi)，以便于伸展Albert車(chē)鉤進(jìn)行連掛救援。

1 使用性能

1.1 產(chǎn)品功能說(shuō)明

該模塊可實(shí)現(xiàn)調(diào)車(chē)及救援時(shí)的連掛，以及發(fā)生碰撞時(shí)的能量吸收和防爬。

1.2 主要技術(shù)參數(shù)

(1)Albert折疊車(chē)鉤

縱向拉伸屈服載荷： ≥280 kN；

縱向壓縮屈服載荷： ≥300 kN；

最大水平轉(zhuǎn)角： ±35°；

最大垂直轉(zhuǎn)角： ±6°；

車(chē)鉤中心線(xiàn)最大扭轉(zhuǎn)角度： ±8°；

橡膠軸承最大行程： ±5 mm。

(2)壓潰管

行程： 220 mm；

平均穩(wěn)態(tài)力： 250 kN；

容量： 約55 kJ。

(3)氣液緩沖器

行程： 80 mm；

最大動(dòng)態(tài)阻抗力： 250 kN。

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 防爬開(kāi)閉機(jī)構(gòu)

防爬開(kāi)閉機(jī)構(gòu)的作用是打開(kāi)或關(guān)閉整流罩組件及防爬器，主要包含整流罩、固定支架、連桿組件、氣彈簧部件、限位組件、防爬器和鎖定組件(見(jiàn)圖1)。

圖1 防爬開(kāi)閉機(jī)構(gòu)

防爬開(kāi)閉裝置采用由連桿機(jī)構(gòu)組成的平行四邊形運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，確保整流罩和防爬器在打開(kāi)或關(guān)閉過(guò)程中始終保持平動(dòng)。氣彈簧為防爬開(kāi)閉機(jī)構(gòu)提供打開(kāi)的動(dòng)力，打開(kāi)到位后，通過(guò)快鎖插銷(xiāo)將其鎖定在打開(kāi)位，防止意外的發(fā)生；關(guān)閉到位后，通過(guò)鎖定組件將其鎖定，防止防爬開(kāi)閉機(jī)構(gòu)彈開(kāi)。

2.2 Albert折疊車(chē)鉤

Albert折疊車(chē)鉤能手動(dòng)實(shí)現(xiàn)機(jī)械連接，折疊及折疊鎖定，展開(kāi)鎖閉，軌側(cè)手動(dòng)解鉤，高度調(diào)整，接地保護(hù)，車(chē)鉤最小曲線(xiàn)連掛和彈性緩沖等功能，主要配置有Albert車(chē)鉤組件、折疊機(jī)構(gòu)、安裝座和支撐裝置等模塊(見(jiàn)圖2)。

圖2 Albert折疊車(chē)鉤

2.3 吸能裝置

吸能裝置分為可恢復(fù)部分和不可恢復(fù)部分，分別可通過(guò)氣液緩沖器和壓潰體塑性變形方式實(shí)現(xiàn)。主要由連接套筒、安裝板、支撐套筒、氣液緩沖器和壓潰管等零件構(gòu)成(見(jiàn)圖3)。氣液緩沖器固定在連接套筒內(nèi)，通過(guò)連接套筒的運(yùn)動(dòng)推動(dòng)氣液緩沖器吸收外部沖擊能量。

圖3 吸能裝置

3 仿真計(jì)算

為了分析前端模塊在車(chē)輛運(yùn)行時(shí)的強(qiáng)度是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，對(duì)前端模塊的關(guān)鍵受力件進(jìn)行了有限元計(jì)算。為了便于計(jì)算，在保證準(zhǔn)確反映結(jié)構(gòu)特性的前提下對(duì)模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化，刪除了某些小孔及小倒角等特征[1]。

3.1 防爬開(kāi)閉機(jī)構(gòu)

在500 kN縱向力作用下，分別對(duì)防爬器正面碰撞(見(jiàn)圖4)和45°碰撞(見(jiàn)圖5)進(jìn)行了計(jì)算，其最大等效應(yīng)力為450 MPa和412.3 MPa，小于抗拉強(qiáng)度489 MPa，計(jì)算結(jié)果表明，防爬器在受到500 kN外力作用下不會(huì)發(fā)生斷裂破壞，滿(mǎn)足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

圖4 正面碰撞應(yīng)力云圖

圖5 45°碰撞應(yīng)力云圖

3.2 Albert折疊車(chē)鉤

針對(duì)實(shí)際運(yùn)用工況，對(duì)折疊車(chē)鉤拉伸和壓縮兩種狀態(tài)分別進(jìn)行計(jì)算(見(jiàn)圖6～圖9)，極限載荷分別為：縱向拉伸力280 kN，縱向壓縮力300 kN。

圖6 280 kN拉力作用下安裝座應(yīng)力云圖

圖7 300 kN壓力作用下安裝座應(yīng)力云圖

圖8 280 kN拉力作用下鉤體應(yīng)力云圖

圖9 300 kN壓力作用下鉤體應(yīng)力云圖

計(jì)算結(jié)果表明，各關(guān)鍵受力件在2種極限載荷下的最大應(yīng)力均不超過(guò)材料的屈服極限，滿(mǎn)足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

3.3 吸能裝置動(dòng)力學(xué)計(jì)算

為驗(yàn)證吸能裝置在各種沖擊工況下的吸能特性，對(duì)2列有軌電車(chē)在不同沖擊速度下相互碰撞的情況進(jìn)行計(jì)算分析。兩車(chē)碰撞方式為：train1以一定速度碰撞靜止車(chē)輛train2(見(jiàn)圖10)。

注：A—?dú)庖壕彌_器+壓潰管+防爬器。圖10 碰撞方式

計(jì)算結(jié)果表明：

(1)2列車(chē)以7 km/h的速度沖擊時(shí)，最大沖擊力為392.6 kN，沖擊能量全部由氣液緩沖器吸收，壓潰管不變形，最大加速度值約為0.847g。

(2)2列車(chē)以15 km/h的速度沖擊時(shí)，最大沖擊力為500 kN，沖擊能量全部由氣液緩沖器和壓潰管吸收，最大加速度值約為1.075g。

(3)2列車(chē)以25 km/h的速度沖擊時(shí)，最大沖擊力為550 kN，沖擊能量不能被氣液緩沖器和壓潰管全部吸收，車(chē)體被破壞，最大加速度值約為1.181g。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 防爬器強(qiáng)度試驗(yàn)

為驗(yàn)證防爬器的強(qiáng)度是否滿(mǎn)足使用要求，采用電流伺服試驗(yàn)機(jī)對(duì)防爬器施加垂向載荷，從零緩慢加載至500 kN。試驗(yàn)結(jié)果表明，試件在0～500 kN垂向載荷作用下一直處于彈性階段，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、外觀完整，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)使用要求。

4.2 Albert折疊車(chē)鉤

按照采購(gòu)技術(shù)條件和TB/T 2399標(biāo)準(zhǔn)的要求，對(duì)Albert折疊車(chē)鉤的強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明，Albert折疊車(chē)鉤分別在280 kN極限拉伸力和300 kN極限壓縮力作用下，各關(guān)鍵零部件變形量均小于±0.2%，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

4.3 吸能裝置

為驗(yàn)證壓潰體靜壓性能是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，采用專(zhuān)用試驗(yàn)壓機(jī)對(duì)壓潰體緩慢持續(xù)加壓，直至壓潰體整個(gè)有效行程均發(fā)生變形。試驗(yàn)結(jié)果表明，壓潰管穩(wěn)態(tài)力范圍在25.03～251.93 kN，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)使用需求。

5 結(jié)論

根據(jù)采購(gòu)技術(shù)條件和試驗(yàn)大綱要求，完成了常州有軌電車(chē)前端模塊的試制和型式試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，前端模塊各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。目前，已完成主機(jī)廠首件鑒定，能夠滿(mǎn)足車(chē)輛的使用要求。