密接式车钩冲击连挂过程仿真研究∗

陈春棉 刘国伟

（1.湖南铁道职业技术学院 株洲 412001）（2.中南大学轨道交通安全教育部重点实验室 长沙 410075）

1 引言

目前，全世界尤其是我国的轨道交通进入新的大发展时期，随着相关科技的不断进步，轨道交通车辆的性能不断完善，使得列车运行速度不断提高，一旦发生列车碰撞和追尾事故将造成更加严重的后果。面对接连发生的列车碰撞和追尾事故，悲痛之外人们更多关注地是如何避免此类事故的再次发生或者尽量减少伤亡，因此如何保证轨道交通的安全性也逐渐成为整个社会舆论关注的焦点。

密接式车钩缓冲装置是列车连挂、运行以及制动过程中车辆间纵向瞬态冲击的主要受力部件［1］。密接式车钩缓冲装置以其结合面间隙小、舒适性和安全性高已成为25T 型特快列车、高速动车组［2］以及地铁车辆［3］平稳安全运行的关键部位之一［4］。列车安全技术中非常重要的一点就是如何实现列车的被动安全保护，即由于事发突然等原因导致无法通过人为作用避免事故发生，比如紧急制动或及时通知路况等。要实现列车在一定的撞击速度下的被动安全保护，即保证车体外安装的各部分吸能装置，包括车钩缓冲器、压溃管、防爬器和主体吸能装置以及车体结构次要部位在高速的撞击速度下，能按照人的意志实现逐级、有序、可控的塑形变形，其前提是保证将要发生碰撞或追尾的列车的相邻车钩能顺利且稳定连挂［5～9］。

2 密接式车钩的工作原理分析

全自动密接式车钩缓冲装置连接系统包括机械连接、电气连接以及气路连接三个部分［9～10］。本文主要研究最重要的机械连接部分，其连挂原理如下。

图1 密接式车钩组成示意图

如图1 所示，机械连接部分由钩体、中心轴、钩舌、钩锁连接杆、钩锁弹簧、钩舌定位杆及弹簧、定位杆顶块及弹簧、解钩风缸等组成。钩体的前端一边为凸锥体，另一边为凹锥孔，呈对称分布，连挂时相邻车钩的凸锥体分别插入对应的凹锥孔中，起到连接导向作用；中心轴通过定位销垂直固定在钩体中央，其上固定有钩舌，钩舌呈不规则曲线形状；钩嘴的位置靠近凹锥孔，钩舌尾部通过销孔与钩锁连接杆连接，钩舌绕中心轴转动可带动钩锁连接杆动作；钩舌定位杆通过销孔与钩舌连接，起到连接时定位和供解钩风缸活塞杆作用，是车钩实现连挂动作的关键零件，钩舌定位杆上设有两个定位凸缘，使钩舌定位在待挂或连挂状态；钩锁弹簧一端固定在钩体上，一端与钩锁连接杆尾部相连，初始状态处于拉伸状态；连挂时，钩锁连接杆在钩锁弹簧拉力作用下使车钩连接可靠；定位杆顶块受到推力后，顶动钩舌定位杆启动两车钩的连挂［10～12］。

3 仿真模型的建立

按照某密接式车钩的实际尺寸，运用ADAMS软件建立密接式车钩冲击连挂的三维模型，其主要包括运动台车、轨道、车钩缓冲装置模型和地面工装。图2 为密接式车钩冲击连挂的三维模型，左边的为运动台车及车钩，右边是地面工装及静止车钩。

在仿真分析时，设定运动车钩以15km/h 的速度冲击固定车钩，运动台车及地面工装的质量均为3000kg，密接式车钩质量为360kg。

图2 车钩冲击连挂三维模型

4 密接式车钩冲击连挂过程仿真研究

运动车钩以15km/h 的速度冲击静止车钩，两车钩成功连挂，并最后以相同的速度一起运行，仿真结果如表1 所示。下面对其连挂过程及主要连挂特性进行分析。

表1 时速15km/h冲击连挂仿真结果

4.1 连挂过程图分析

如图3 所示为车钩冲击连挂的过程图，图中左方的是静止的车钩，右方的是运动车钩，运动车钩以15km/h 的速度冲击静止车钩。由图可见，两车钩开始连挂到连挂成功的过程中运动车辆就推着静止车辆移动了，而在这短暂的移动过程中，钩锁连接机构完成连挂锁闭的动作，之后两车一起运行且两车钩没有发生脱钩的现象。可见在15km/h 的冲击速度下，运动车辆冲击静止车辆能够顺利连挂成功。

图3 车钩连挂过程图

4.2 连挂时间分析

连挂时间指的是相邻车钩的钩锁连接机构从车钩待挂状态到两车钩的钩舌和钩锁连接杆形成一个平行四边形连杆机构，完成两车钩稳定的连接锁闭所用的时间。由于无法直观判断其准确的连挂时间，所以需通过间接的方式来分析。如图4 所示，钩锁连接杆与钩舌的连接孔的圆心点A 与中心轴轴心O 以及钩锁弹簧与钩头的连接点B 所形成的夹角AOB的大小在连挂前和连挂后是不同的，而且整个连挂过程中O 点和B 点不会移动，只有A 点随着钩锁连接杆伸入相邻钩舌的钩舌嘴内而移动从而造成夹角AOB角度的变化，故可通过分析其夹角变化所经历的时间来判断连挂时间的长短。

图4 连挂前后夹角变化

图5 夹角-时间变化曲线

图5 所示为角AOB 随时间的变化曲线图，由图可知连挂前的夹角大小为85.4°，连挂后夹角大小为32.4°；观察曲线图可以发现从夹角开始变化到达到锁闭位夹角的时间很短，只有43ms，而之后夹角有一段小小的波动，最后才完全稳定下来，而这整个过程所经历的时间即为连挂的时间，由图可知连挂时间为49ms。

5 结语

在15km/h 的冲击速度下，运动车辆冲击静止车辆能够顺利连挂成功，且连挂时间为49ms。对密接式车钩的冲击连挂过程进行仿真分析，能够得到连挂过程的仿真结果及连挂时间，对密接式车钩的性能研究具有借鉴作用。