典型现代有轨电车用钩缓装置选型分析

时延山

（中车青岛四方车辆研究所有限公司钩缓事业部，山东青岛 266000）

0 引言

低地板有轨电车（Light Rail Vehicle，LRV）是世界上应用最广泛的轨道交通车辆装备之一，广泛应用于欧洲、北美、大洋洲等大部分开通城市轨道交通线路的城市，除巴黎、纽约等大都市，有轨电车是欧美大部分城市轨道交通的主流。近年来，新一代100%低地板有轨电车系统也开始广泛应用于国内二、三线城市，如苏州、南京、青岛、武汉等，成为城市轨道交通系统的重要补充，尤其是对于中低运量需求，有轨电车以其造价低、转弯半径小、经济环保等优势，在国内外市场迅速发展。

低地板有轨电车钩缓装置位于列车两端，在紧急情况或有重联运营需求时将列车进行快速救援或编组运行；在不使用时，隐藏在列车两端的开闭机构或整流罩内，并将钩头固定在车端固定装置上，不影响列车的整体性和美观性。

本文从国内典型有轨电车系统的技术特点和运用需求出发，对有轨电车用钩缓系统的选型展开对比分析。

1 基本技术条件

介绍典型有轨电车车辆技术特点、线路情况、钩缓系统技术需求等[1]，并开展选型对比研究[2]。

1.1 列车特点及线路条件

如图1所示，典型有轨电车列车编组形式为四模块编组，三动一拖，编组形式为=Mc1+T++M+Mc2=（=为车钩，+为单铰接装置，++为双铰接装置，Mc为带司机室的动车模块，T为拖车模块；M为动车模块）。初期、近期采用单辆车运行，远期高峰时段采用两辆车联挂运营，车辆应满足联挂运营要求，钩缓装置满足重联运营时的强度及碰撞要求[3]。

图1 列车简图

列车部分技术参数及线路特点如表1所示。由表1可以看出，有轨电车转弯半径较小，需要在钩缓系统选型时予以考虑，包括曲线通过计算、曲线连挂工况校核等[4]。

表1 线路及车辆部分技术参数

1.2 车辆缓冲装置基本技术要求

车钩应具备折叠功能，整钩（包括连挂系统、缓冲系统、车体连接件）的强度应满足抗拉载荷≥400 kN，抗压载荷（不得产生永久变形）≥400 kN，产生的应力应小于设计许用应力。车辆通过最不利线路条件时，能够顺利通过。车钩缓冲装置应能够缓冲列车运营过程中的纵向冲动，不对车体结构产生损害。钩缓系统应具备车端固定装置，保证车钩不使用时能够隐藏在导流罩或开闭机构下方，不与车下其他装置或结构干涉。

2 车钩缓冲装置选型范围

有轨电车车钩缓冲装置一般使用折叠式钩缓装置，中间使用折叠关节连接缓冲系统和连挂系统。不使用时将车钩折叠，隐藏在前端开闭机构下方，平时不外露，救援时使用。

2.1 连挂系统选型范围

连挂系统起到机械、气路、电路的连接和分解作用，一般在有轨电车项目中主要起到机械连挂功能。目前，国内已有的有轨电车项目多使用Albert型车钩和330型连杆式自动车钩[5-7]。

常规自动机械连挂系统有锁定位、解开位两种状态，其连杆式结构如图2所示。在连挂过程中，内部连挂机构旋转，使两钩连挂，此时连挂机构形成完整平行四边形结构。当需要解钩时，通过解钩把手将平行四边形解钩破坏，完成解钩操作。

图2 连杆式自动车钩原理图

手动插销式车钩一般采用Albert型车钩，两钩体到达连挂位置后，通过手动方式将各自的连挂销插入钩体上连挂孔实现连挂。该Albert车钩连挂销为锥形结构，锥形结构的优点在于容易消除连挂间隙，使连挂后状态稳定可靠，但拔锥较为困难，所以该连挂销结构设计了特殊的有助于拔销的把手，拔销时可以借助把手端部与钩体之间的支点形成杠杆结构，将连挂销撬出，连挂系统结构如图3所示。

图3 手动Albert型车钩原理图

2.2 缓冲系统选型范围

缓冲系统主要起到能量吸收和缓冲的作用。目前，常用于有轨电车项目的缓冲器包括橡胶缓冲器、弹性胶泥缓冲器。其中橡胶缓冲器按照行程和最大阻抗力又分为不同的型号[8-10]。

弹性胶泥缓冲器（如图4）是一种可以传递和消耗能量，减弱振动、冲击和其他机械载荷，能量吸收介质由弹性胶泥等组成的缓冲器。其主要特点为胶泥介质兼具弹性吸能特性和动态吸能特性。其弹性吸能特性主要由胶泥材料本身的弹性决定，而动态吸能特性则来源于胶泥材料的流动性特点，在冲击过程中胶泥通过缓冲器内部的节流间隙，从而产生动态节流力。基于上述特点，弹性胶泥缓冲器兼具优良的动态和静态特性。

图4 弹性胶泥缓冲器

橡胶缓冲器一般采用叠层式橡胶堆，通过内部结构相互配合可以使车钩在拉伸和压缩两工况下均能触发缓冲器变形，从而吸收冲击能量。

图5 橡胶缓冲器原理图

3 比较分析

3.1 连挂系统比较分析

330型车钩主要由钩体（具有凸锥、凹锥）、主轴、钩舌、连挂杆、拉簧等构成。两钩连挂时，一侧凸锥与对侧车钩的钩舌相互作用，钩舌、连挂杆绕主轴转动，直到到达解开位，并迅速形成平行四边形锁定结构。其特点是能够实现自动连挂，结构较为复杂，连挂范围较大，广泛用于地铁城轨项目[11]。

Albert型钩体结构简单，质量轻便。两钩体到达连挂位置后，通过各自的连挂销插入钩体上连挂孔实现连挂。Albert车钩连挂销为锥形结构，锥形结构的优点在于容易消除连挂间隙，使连挂后状态稳定可靠。但连挂、解钩时需要进行人工手动操作。

鉴于有轨电车前端司机室下方空间较小，且有轨电车多使用低地板设计，在满足技术条件的情况下，优先选择占用车下空间小、固定装置简易的车钩型式。同时，考虑到有轨电车轻量化的要求，尽量减小钩缓装置的整机质量。两种连挂系统方案对比如图6所示。从图6中可以看出，Albert车钩能够有效节省车下空间，优势明显，且质量较轻，能够实现钩缓装置的轻量化设计。Albert车钩缺点是无法实现自动连挂。

图6 不同钩体方案车下空间对比

根据车下空间、轻量化要求、车钩强度要求等综合考虑，建议选用Albert型连挂钩头。由于折叠式车钩常规情况下不使用，仅在特殊救援情况下伸直使用，因此采购手动形式车钩可以满足使用需求。该型号广泛应用于国内有轨电车项目中，如广州海珠有轨电车、淮安有轨电车、南京河西麒麟有轨电车（庞巴迪FLEXITY2平台国产化车型）、城阳有轨电车等项目中均采用了该型号车钩。阿尔斯通Citadis平台有轨电车也多使用Albert车钩，如悉尼有轨电车项目X05系列。

针对Albert型钩体，利用有限元方法对钩体进行强度分析，强度计算结果表明：400 kN压缩载荷下最大应力为374 MPa，400 kN拉伸载荷下最大应力为376 MPa，均小于材料屈服强度415 MPa，满足车钩技术条件要求。钩体材料参数如表2所示，仿真结果如图7所示。钩体在400 kN压缩载荷下最大应力为351 MPa，400 kN拉伸载荷下最大应力为394 kN，均小于材料屈服强度，满足使用要求。

表2 部分材料参数

图7 仿真结果

3.2 缓冲系统比较分析

缓冲器应能有效保护车辆，且阻抗力应与车体强度相匹配，最大阻抗力不应超过车体强度，以免损坏车体[12]。为验证缓冲器性能，对弹性胶泥及不同规格的橡胶缓冲器进行了试验，以获取其力-行程曲线，如图8所示。根据试验结果，几种常用备选缓冲器参数对比表3所示。采用不同缓冲器时，整钩方案情况如图9所示。

图8 试验情况

图9 不同缓冲器方案对比图

表3 缓冲器性能参数比较

弹性胶泥缓冲器结构复杂、成本较高、性能优良，其最大阻抗力、缓冲器行程均较大。检修周期长，检修需要专用设备，检修费用高。

橡胶弹性缓冲器结构比较简单，主要通过橡胶件变形来吸能，成本较低，缓冲吸能容量较低，虽然橡胶件的寿命较短，但检修拆卸方便。

3.3 整体钩缓装置方案比较分析

基于一维列车纵向动力学模型，对相关冲击工况进行了仿真计算[13]，纵向动力学计算结果对比如表4所示。从计算结果中可以看出，3种方案车钩强度均可满足技术条件要求。其中胶泥缓冲器最大行程利用率最低，仅达到总行程的21%。

表4 采用不同缓冲器时纵向动力学计算结果对比

综合比较上述3种备选方案，考虑经济性、车钩质量、车钩结构复杂程度等因素，选择符合技术要求的Albert型车钩及25 mm行程橡胶缓冲器。主要理由为：1）考虑实际使用情况，折叠式车钩通常隐藏在车下，使用频率较低，考虑减重、车下空间占用及成本因素，连挂系统建议采用手动Albert型钩体。2）考虑缓冲器缓冲容量利用率、缓冲器质量、缓冲器成本等，优先选用橡胶缓冲器。在缓冲器满足纵向吸能要求的情况下，选用行程较短的25 mm规格的橡胶缓冲器可以起到减重效果。3）橡胶缓冲器虽然寿命比胶泥缓冲器短，但检修拆解较为简单，考虑有轨电车折叠车钩使用不频繁，可根据实际使用情况评估，适当延长橡胶缓冲器检修周期。

图10 折叠车钩建议方案

4 结论

综上所述，建议采用Albert连挂系统和25 mm行程缓冲器作为车钩基本配置，既能满足车钩使用强度要求，满足列车需求，又能实现车钩轻量化和最小占用空间，且结构简单成本较低，建议常规有轨电车采用该种车钩方案。