姜士鴻，金輝，孫文躍

(中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司 國(guó)家軌道客車工程研究中心，吉林 長(zhǎng)春 130062)*

車鉤是列車與列車之間相互連掛，傳遞牽引力、制動(dòng)力并緩和縱向沖擊力的重要部件.在正常運(yùn)行過(guò)程中，車鉤發(fā)揮了重要的緩沖吸能作用，保證了列車運(yùn)行平穩(wěn)性和乘客舒適性.車鉤也是列車車體耐撞性的重要組成部分，是保護(hù)車體不受損傷和乘客安全的重要組成部分［1-2］.在列車發(fā)生低速碰撞時(shí)，主要通過(guò)車鉤的緩沖單元和塑性單元進(jìn)行吸能;當(dāng)列車發(fā)生較高速度的碰撞時(shí)，除了車鉤吸收能量外，防爬吸能器也需要參與進(jìn)來(lái)［3-5］.為了保證防爬吸能器的正常嚙合和正常工作，在車鉤達(dá)到一定壓縮行程后需要通過(guò)過(guò)載保護(hù)裝置或者剪斷裝置自行剪斷，從而避免對(duì)防爬吸能器產(chǎn)生干擾［6-7］.目前車鉤剪斷裝置的設(shè)計(jì)并沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，主要有鼓型套筒式、螺栓內(nèi)拉斷式、螺栓內(nèi)剪切式、剪切板等多種形式.鼓形套筒式在車鉤安裝時(shí)需安裝導(dǎo)軌，且鼓形套筒需要專用工具施加一定的預(yù)緊力，對(duì)維修人員要求高.如果安裝不到位，會(huì)導(dǎo)致預(yù)緊力誤差大，影響車鉤過(guò)載保護(hù)時(shí)的觸發(fā)力.螺栓內(nèi)拉斷式只能承受來(lái)自沿軸向的力.剪切板和螺栓內(nèi)剪切式同樣可實(shí)現(xiàn)車鉤剪斷功能，但是由于材料和尺寸偏差，往往不能保證剪切板和剪切螺栓的兩側(cè)同時(shí)剪斷，這就造成了車鉤在剪斷時(shí)的滯后現(xiàn)象［8-10］.本文提出了一種基于位移控制的可實(shí)現(xiàn)車鉤碰撞精確解鎖裝置，通過(guò)結(jié)構(gòu)上的受力滯后性控制剪切銷在車鉤運(yùn)動(dòng)到一定距離時(shí)完成剪斷，實(shí)現(xiàn)基于位移控制車鉤碰撞精確解鎖.為車鉤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了參考.

1 車鉤碰撞精確解鎖裝置

1.1 結(jié)構(gòu)組成

基于位移控制的可實(shí)現(xiàn)車鉤碰撞精確解鎖裝置主要由車鉤安裝板、阻擋塊、受力銷、后退支座、剪切銷和安裝座六部分組裝，如圖1所示.

圖1 車鉤解鎖裝置示意圖

其中，車鉤安裝板用來(lái)與車鉤法蘭連接，傳遞車鉤作用力;阻擋塊將來(lái)自車鉤安裝板的壓力傳遞至受力銷，并在車鉤位移達(dá)到設(shè)計(jì)值時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)解鎖功能;受力銷將來(lái)自阻擋塊的壓力傳遞至安裝座，并與阻擋塊組成旋轉(zhuǎn)副，共同實(shí)現(xiàn)解鎖功能;后退支座用來(lái)保證在車鉤位移未達(dá)到設(shè)計(jì)值時(shí)阻擋塊無(wú)法發(fā)送轉(zhuǎn)動(dòng)，從而保證車鉤力的可靠傳遞;剪切銷用來(lái)保證后退支座免誤觸發(fā)，保證整個(gè)解鎖結(jié)構(gòu)的可靠運(yùn)行;安裝座與車體連接，在車鉤受壓時(shí)將緩沖力傳遞至車體，在車鉤受拉時(shí)起到阻擋的作用.

1.2 工作原理

(1)解鎖前:當(dāng)兩列列車發(fā)生碰撞時(shí)，列車端部的車鉤首先發(fā)生嚙合.在碰撞力的作用下車鉤壓潰管后退變形吸能，碰撞力傳遞路徑:壓潰管-車鉤法蘭-車鉤安裝板——阻擋塊-受力銷-安裝座-車體.解鎖前除壓潰管發(fā)生變形外其余結(jié)構(gòu)未開始動(dòng)作，如圖2所示.

圖2 解鎖前裝置示意圖

(2)解鎖時(shí):當(dāng)壓潰管變形到一定程度，即車鉤位移達(dá)到設(shè)計(jì)值時(shí)，壓潰管錐頭沖擊后退支座上的套筒，在套筒的作用下后退支座與車體之間的剪切銷剪斷，后退支座失去約束從而向后方運(yùn)動(dòng)，如圖3所示.

(3)解鎖后:后退支座后退到一定距離后，阻擋塊由于缺少后退支座的阻擋在車鉤安裝板的擠壓下發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，車鉤安裝板向后運(yùn)動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)解鎖，如圖4所示.

圖3 解鎖時(shí)裝置示意圖

圖4 解鎖后裝置示意圖

當(dāng)車鉤受拉時(shí)，拉力通過(guò)車鉤法蘭傳遞至車鉤安裝板，車鉤安裝板通過(guò)安裝座將拉力傳遞車體.

2 車鉤精確解鎖裝置設(shè)計(jì)

2.1 車鉤精確解鎖裝置關(guān)鍵參數(shù)確定

基于位移控制的可實(shí)現(xiàn)車鉤碰撞精確解鎖裝置參數(shù)眾多，其中受力銷直徑d1、剪切銷直徑d2以及阻擋塊角度α尤為關(guān)鍵.本文以某列車為例，頭鉤壓潰管壓潰力為1 500 kN.其中:

(1)受力銷直徑d1不宜太大或太小:直徑太小會(huì)導(dǎo)致受力銷剪切承載力不足，在車鉤正常工作過(guò)程中受力銷有被剪斷的風(fēng)險(xiǎn)，直徑太大則不利于輕量化設(shè)計(jì).受力銷采用熱處理過(guò)的40Cr材料，剪切強(qiáng)度可按照500 MPa進(jìn)行設(shè)計(jì)，受力銷采用35 mm的直徑，4個(gè)剪切面共計(jì)可承受1 923kN的剪切力，安全系數(shù)為1.28;

(2)剪切銷直徑d2不宜太大或太小:直徑太小會(huì)導(dǎo)致裝置可靠度降低，觸發(fā)結(jié)構(gòu)在受到外力干擾時(shí)容易對(duì)解鎖機(jī)構(gòu)誤觸發(fā)，直徑太大則導(dǎo)致觸發(fā)力太大，解鎖裝置存在無(wú)法解鎖的風(fēng)險(xiǎn).剪切銷采用304不銹鋼材料，剪切強(qiáng)度可按照200 MPa進(jìn)行設(shè)計(jì)，受力銷采用10 mm的直徑，4個(gè)剪切銷需要觸發(fā)力達(dá)到63 kN，足以避免解鎖機(jī)構(gòu)誤觸發(fā);

(3)阻擋塊角度α不宜太大或太小:角度太大會(huì)導(dǎo)致阻擋塊在解鎖前受到的橫向(沿壓潰管壓縮方向?yàn)榭v向)分力太大且車鉤安裝板與阻擋塊接觸面較小.當(dāng)橫向分力較大時(shí)會(huì)導(dǎo)致橫向變形增大，從而存在車鉤安裝板與阻擋塊脫離的風(fēng)險(xiǎn);角度太小會(huì)導(dǎo)致車鉤安裝板與阻擋塊接觸面較大，在解鎖過(guò)程中無(wú)法迅速分離.本文將在2.3節(jié)分別對(duì)阻擋塊角度 α 為 30°、45°、60°和 75°時(shí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真分析，從解鎖時(shí)間和橫向變形兩個(gè)維度確定較優(yōu)的角度，不同角度阻擋塊如圖5所示.

圖5 不同角度阻擋塊示意圖

2.2 解鎖裝置解鎖過(guò)程有限元分析

采用有限元軟件LS-DYNA對(duì)阻擋塊角度為75°的解鎖裝置進(jìn)行模擬計(jì)算，解鎖裝置模型如圖1所示，對(duì)車鉤進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，有限元模型如圖6所示.在本有限元模型中，所有可相對(duì)滑動(dòng)的接觸面采用自動(dòng)單面接觸(*CONTACT_AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE)模擬，摩擦系數(shù)設(shè)置為0.15.材料本構(gòu)模型均采用*MAT_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY.其中，車鉤設(shè)置為剛體，車鉤安裝板、阻擋塊、后退支座和安裝座采用45#，受力銷及剪切銷分別采用40Cr及304不銹鋼.剪切銷設(shè)置失效應(yīng)變?yōu)?.1%.材料參數(shù)見表1.

圖6 解鎖裝置有限元模型

表1 材料力學(xué)性能

圖7為解鎖裝置在解鎖前、解鎖時(shí)及解鎖后三個(gè)時(shí)刻的仿真結(jié)果:

圖7 解鎖裝置解鎖過(guò)程

從圖7中可以看出，解鎖裝置順利解鎖.通過(guò)查看各零部件應(yīng)力狀態(tài)發(fā)現(xiàn)除剪切螺栓外所有零部件均未進(jìn)入屈服.

提取車體受到的縱向力和橫向變形時(shí)程曲線，如圖8所示，從圖中可以得到以下結(jié)論:

(1)壓潰管變形時(shí)存在壓縮峰值力，在初始時(shí)刻峰值力達(dá)到了1 890 kN;

(2)在0.145 s左右剪切螺栓被剪斷，車體受到最大為1 900 kN的縱向力.在0.180s左右，車鉤與車體完全分離，解鎖時(shí)間為35 ms左右;

(3)在車鉤穩(wěn)定吸能過(guò)程中，車體橫向變形為0.92 mm.

2.3 阻擋塊角度α對(duì)解鎖過(guò)程影響分析

阻擋塊角度α是車鉤精確解鎖裝置關(guān)鍵參數(shù)之一，可從解鎖時(shí)間和橫向變形兩個(gè)維度確定較優(yōu)角度.通過(guò)2.2節(jié)可知當(dāng)阻擋塊角度α為75°時(shí)，解鎖時(shí)間為35 ms，車體橫向變形為0.92 mm.采用同樣的仿真方法分別對(duì)阻擋塊角度為30°、45°、60°時(shí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真分析，計(jì)算結(jié)果如表2所示.

表2 阻擋塊角度α對(duì)解鎖過(guò)程影響

通過(guò)表2可知，當(dāng)阻擋塊角度為75°時(shí)，車體橫向變形最大，且隨著阻擋塊角度的變小車體橫向變形變小;當(dāng)阻擋塊角度為75°時(shí)，解鎖時(shí)間最短，且隨著阻擋塊角度的變小解鎖時(shí)間變長(zhǎng).可見在確定阻擋塊角度時(shí)需要權(quán)衡解鎖時(shí)間和車體橫向變形的重要性.

3 偏載工況下車鉤解鎖裝置力學(xué)特性

軌道交通車體耐撞性規(guī)范EN15227規(guī)定了列車碰撞場(chǎng)景.在相同列車對(duì)撞工況中均假設(shè)列車處于一條直線，而實(shí)際在真實(shí)碰撞工況中存在水平方向的錯(cuò)位對(duì)撞.為了驗(yàn)證本文中的解鎖裝置在偏載工況下的解鎖性能，在車鉤端部施加50mm的偏心荷載.如圖9所示.

圖9 偏載情況下有限元模型

圖10 為解鎖時(shí)刻有限元仿真結(jié)果，通過(guò)計(jì)算結(jié)果可知，在偏心荷載的作用下，解鎖裝置兩側(cè)依然可以同步解鎖，解鎖性能對(duì)偏心荷載敏感性較低.

圖10 偏心荷載工況下解鎖時(shí)刻

圖11 為車體兩側(cè)支反力時(shí)程曲線，通過(guò)曲線可以看出在偏心荷載作用下，兩側(cè)受力不均但是荷載曲線趨勢(shì)相近，也證明了在受力不均的情況下本解鎖裝置依然可以可靠解鎖.

圖11 偏心荷載工況下車體受力

4 車鉤精確解鎖裝置試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

即使通過(guò)有限元的方式驗(yàn)證了車鉤精確解鎖裝置的可行性，仍然有必要通過(guò)試驗(yàn)的方法進(jìn)行進(jìn)一步的驗(yàn)證，以發(fā)現(xiàn)仿真中未考慮的因素.

4.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

按照第1.2節(jié)的工作原理以及第2.1節(jié)中的設(shè)計(jì)方法，同時(shí)考慮試驗(yàn)儀器的量程，本文設(shè)計(jì)了車鉤精確解鎖裝置的縮比試件.縮比試件實(shí)物如圖12所示.

圖12 車鉤精確解鎖裝置縮比試件

采用防爬齒代替車鉤鉤頭，壓潰管緩沖力為300 kN，受力銷、剪切銷等零件按照第2.1節(jié)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，阻擋塊角度α設(shè)計(jì)為75°.

4.3 試驗(yàn)方法

使用落錘試驗(yàn)機(jī)對(duì)車鉤解鎖裝置縮比試件進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，在縮比試件底部裝有傳感器采集沖擊力變化過(guò)程.將車鉤解鎖裝置縮比試件固定在落錘正下方，落錘升高到一定高度后落下.

為了防止縮比試件解鎖后后退支座對(duì)傳感器產(chǎn)生剛性沖擊，在縮比樣件正下方放置了一塊吸能蜂窩.

4.4 試驗(yàn)結(jié)果

圖13為車鉤精確解鎖裝置縮比試件試驗(yàn)結(jié)束后的狀態(tài)，從圖中可以看出解鎖裝置順利解鎖，吸能蜂窩被多余的動(dòng)能壓縮變形.在真實(shí)碰撞中多余的能量則由防爬吸能器吸收.圖14為試驗(yàn)后被剪斷的剪切銷，其在沖擊力的作用下順利剪斷.

圖13 落錘試驗(yàn)后縮比試件

圖14 剪斷后的剪切銷

圖15 為傳感器采集到的沖擊力時(shí)程曲線，從曲線中可知在碰撞初始時(shí)刻壓潰管產(chǎn)生了較大的峰值，緊接著壓潰管發(fā)生了穩(wěn)定的變形;在0.016 s時(shí)后退支座滑出阻擋塊，解鎖裝置解鎖;由于壓潰管未完全吸收初始動(dòng)能，且在重力的作用下車鉤安裝板、后退支座等結(jié)構(gòu)繼續(xù)后退，此時(shí)傳感器受力為0;在0.026 s時(shí)，后退支座與吸能蜂窩接觸，吸能蜂窩吸收多余的碰撞能量;在0.04 s碰撞結(jié)束.

圖15 沖擊力時(shí)程曲線

通過(guò)圖13～圖15可知:剪切銷在落錘的沖擊力作用下成功剪斷;解鎖裝置縮比試件順利解鎖;解鎖裝置縮比件零部件均未發(fā)生不可恢復(fù)變形;解鎖裝置按照設(shè)計(jì)的工作原理進(jìn)行工作.

4.5 仿真與試驗(yàn)對(duì)比

圖16 解鎖裝置落錘試驗(yàn)仿真結(jié)果

采用與2.2節(jié)相同的建模技術(shù)建立解鎖裝置試驗(yàn)件的有限元模型，施加與落錘試驗(yàn)相同的荷載及邊界條件.圖16為解鎖裝置試驗(yàn)件落錘沖擊仿真結(jié)果.通過(guò)與圖13對(duì)比可發(fā)現(xiàn)，仿真最終形態(tài)與試驗(yàn)后試件形態(tài)一致.

提取有限元模型的支反力，將仿真結(jié)果與圖15中的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如圖17所示.

通過(guò)圖17可知，由仿真得到的沖擊力時(shí)程曲線與試驗(yàn)結(jié)果趨勢(shì)一致.壓潰管峰值力仿真與試驗(yàn)有一定誤差，達(dá)到了23%.壓潰管平穩(wěn)段壓潰力以及蜂窩平穩(wěn)段壓潰力誤差小于8%.有限元模型具有較高的精度.

5 結(jié)論

本文提出了一種基于位移控制的可實(shí)現(xiàn)車鉤碰撞精確解鎖裝置.通過(guò)對(duì)該裝置進(jìn)行有限元仿真和試驗(yàn)得出以下結(jié)論:

(1)在理想工況下，該解鎖裝置在工作過(guò)程中可以順利解鎖，整個(gè)解鎖裝置處于彈性范圍內(nèi)，除剪切螺栓外所有零部件均未發(fā)生屈服;

(2)在偏載工況下，該解鎖裝置依然可以可靠解鎖，由此可見對(duì)偏心荷載的不敏感;

(3)通過(guò)試驗(yàn)的方法對(duì)工作原理和設(shè)計(jì)方法進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證，結(jié)果顯示解鎖裝置縮比件順利解鎖，裝置除剪切銷外未發(fā)生不可恢復(fù)變形，沖擊力曲線符合預(yù)期設(shè)想;

(4)可通過(guò)有限元仿真的方法對(duì)車鉤解鎖裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)，該方法具備較高的精度.