北京地铁3号线车钩吸能特性分析

陈 旭，李 茁，张小龙，方 甄

（北京轨道交通技术装备集团有限公司，北京 100071）

地铁车钩系由连挂式系统、缓冲吸能系统及吊挂装置三者组成，并垂直安装连接于地铁车体底架中的牵引梁内，是连接地铁车辆最重要的结构部件之一，可以用于连接地铁列车及各地铁车辆系统，并使车辆之间保持一定安全距离，实现各车辆之间的机械、电路和气路之间的稳定连接，其还同时能够迅速传递速度和质量缓和铁路列车系统在轨道运行状态中产生强烈的垂直纵向力场或径向冲击力[1]。

地铁列车在设计之初，一般会合理确定车钩缓冲装置的吸能特性，以确保乘车的安全性。本文研究北京地铁3号线列车发生碰撞时车钩缓冲装置的吸能情况，通过运用多体系统动力学相关原理，借助基于MATLAB编制的仿真软件进行计算，最后得出结果[1]。

1 北京地铁3号线车辆相关要求

1.1 车辆编组及车钩布置

北京地铁3号线车辆为A型车，4+4编组形式，动拖比为3∶1，车辆编组及车钩布置如图1所示。

图1 车辆编组及车钩布置

其中：=表示全自动车钩；A表示半永久车钩A；B表示半永久车钩B；C表示半永久车钩C。

1.2 车重及吸能要求

在AW0的工况下，TMc车与Mp车的重量均为42 000 kg。TMc车与Mp车的坐席数量为25个，每位乘客的重量约为60 kg。

对于车钩及缓冲装置，其吸能要求：

（1）车钩及缓冲装置可吸收速度为8 km/h的AW0列车与制动的AW0列车相撞时产生的冲击能量，任何部件不能损坏。

（2）车钩及缓冲装置可吸收速度为15 km/h的AW0列车与制动的AW0列车相撞时产生的冲击能量，在此冲击速度下，除车钩自身外，车辆不能有任何损坏。

（3）按照EN 15227：2020《Railway applications-Crashworthiness requirements for rail vehicles》（《铁路设施－铁路车辆的防撞性要求》）（以下简称《要求》），当2列AW0+50%坐席的列车在相对速度大于15 km/h至25 km/h相撞时，最大的碰撞能量发生在2辆头车之间，当车钩不能吸收多余的能量后，司机室前端的防爬器啮合并发生形变，吸收剩余能量，客室结构不能有任何变形。

2 车钩和缓冲装置组成

在北京地铁3号线项目上，由于要求车钩设有可复原吸能装置、首尾车底架前端设防爬装置，因此北京地铁3号线的吸能方案采用三级吸能方式，分别是胶泥缓冲器、压溃管、防爬装置。

2.1 胶泥缓冲器

全自动车钩和半永久车钩A设置胶泥缓冲器，胶泥缓冲器的压缩最大阻抗力为800 kN，最大压缩行程为85 mm；拉伸最大阻抗力为600 kN，最大拉伸形成为30 mm。吸能曲线如图2所示。

图2 胶泥缓冲器吸能曲线

2.2 压溃管

压溃管的强度略低于车底架的强度，高于车辆正常连挂速度下产生的纵向冲击力。当列车在运行或连挂过程中发生碰撞，载荷大于压溃管触发力时，压溃管发生作用产生塑性变形，最大限度吸收冲击能量。

全自动车钩及半永久车钩均配置压溃管，其中，全自动车钩配置恒力值压溃管，稳态力为1 100 kN，最大行程为200 mm；半永久车钩A配置恒力值压溃管，稳态力为1 200 kN，最大行程为140 mm；半永久车钩B配置变力值压溃管，稳态力为1 050~1 200 kN，最大行程为380 mm；半永久车钩C配置变力值压溃管，稳态力为1 000~1 200 kN，最大行程为380 mm。

2.3 过载保护装置

北京地铁3号线车辆采用在全自动车钩钩尾座内部设置剪切螺栓，触发载荷为1 300 kN。当冲击载荷大于触发载荷时，钩尾座内部的剪切螺栓被剪断，车钩与车体分离，从而达到保护车体的作用[2]。

2.4 防爬装置

防爬器结构主要包括防爬齿和缓冲吸能装置，通过受压变形的方式吸收能量，同时防止与对面列车发生爬行。TMc车前端对称配置2个防爬装置，每个防爬装置的稳态力为700 kN，最大压缩行程为370 mm。

3 模拟仿真计算

计算程序基于MATLAB编制，采用了多体系统动力学理论，通过构建运动平衡方程，建立列车碰撞系统。在建模过程中，将列车碰撞系统简化成了质量弹簧系统。即不考虑车体的刚度、长度等特性，并将吸能器看作非线性弹簧系统。

将车体看作是质量点，并将1个车体单独拿出来进行受力分析。

基于图3中单个车体的受力，基于达朗贝尔原理构建第i辆车的动力平衡方程

图3 单个车体受力

式中：mi为车i的碰撞质量；为车i在碰撞过程中所受到的加速度；Finfi-1为车i左侧界面受到的缓冲力，缓冲力由车钩、吸能器或者是车端变形区变形产生的；Finfi为车i右侧界面受到的缓冲力，缓冲力由车钩、吸能器或者是车端变形区产生的；Ffi为车i受到的摩擦力，当车辆制动时，车轮与轨道之间由于相对滑动产生的摩擦力。

根据上述每辆车的动力平衡方程，可搭建整个碰撞系统的动力平衡方程组

4 计算结果

列车碰撞界面如图4所示。

图4 列车碰撞界面示意图

当一列AW0列车以8 km/h的速度撞击一列制动的AW0列车时，第8界面的界面力最大，达到了793kN，小于胶泥缓冲器的最大阻抗力800 kN；第8界面缓冲器压缩行程最大，达到了167 mm，即单侧缓冲器行程为83.5 mm，小于胶泥缓冲器的最大压缩行程85 mm。所以，2列车以8 km/h的速度碰撞时，各吸能界面的压缩行程与载荷均在胶泥缓冲器的有效范围内，不会触发压溃管。8 km/h界面力-行程曲线如图5所示。

图5 8 km/h碰撞界面力-行程曲线

当一列AW0列车以15 km/h的速度撞击一列制动的AW0列车时，第4、8、12界面的界面力最大，达到了1 100 kN，超出胶泥缓冲器的吸能范围，触发压溃管，其中第8界面压溃管压缩行程最大，达到了318 mm，即单侧压溃管行程为159 mm，小于全自动车钩压溃管的最大压缩行程200 mm；第3、5、7、9、11、13界面的界面力达到了1 050 kN，超出胶泥缓冲器的吸能范围，触发压溃管，其中第7界面压溃管压缩行程最大，达到了121 mm，小于半永久车钩B压溃管的最大压缩行程380 mm；第6、10界面的界面力达到了1 000 kN，超出胶泥缓冲器的吸能范围，触发压溃管，其中第6界面压溃管压缩行程最大，达到了106 mm，小于半永久车钩C压溃管的最大压缩行程380 mm；第1、2、14、15界面的界面力均小于85 kN，未触发压溃管。所以，2列车以15 km/h的速度碰撞时，各界面产生的能量均可以由该界面的缓冲器和压溃管完全吸收。15 km/h界面力-行程曲线如图6所示。

图6 15 km/h碰撞界面力-行程曲线

按照《要求》，当2列AW0+50%坐席的列车在相对速度为25 km/h相撞时，第8界面的界面力最大，达到了1 400 kN，超过全自动车钩的胶泥缓冲器和压溃管的吸能范围，触发防爬装置，防爬装置压缩行程为343 mm，小于防爬装置的最大压缩行程370 mm；其余界面的界面力均不大于该界面的压溃管最大稳态力，且界面压缩行程均小于该界面缓冲器与压溃管的最大压缩行程总和。所以，按照《要求》，2列车以25 km/h的速度碰撞时，各界面产生的能量均可以由该界面的缓冲器、压溃管及防爬装置完全吸收。25 km/h界面力-行程曲线如图7所示。

图7 25 km/h碰撞界面力-行程曲线

5 结论

本文通过模拟仿真计算，得到了北京地铁3号线列车车钩及缓冲装置在不同速度工况下发生碰撞时的吸能情况。计算结果显示，2列AW0列车在相对速度8 km/h发生碰撞时，碰撞能量可以由胶泥缓冲器完全吸收，不损换任何部件；2列AW0列车在相对速度15 km/h发生碰撞时，碰撞能量可以由胶泥缓冲器和压溃管完全吸收，除车钩自身外，车辆无任何损坏；2列AW0+50%坐席的列车在相对速度25 km/h发生碰撞时，碰撞能量可以由胶泥缓冲器、压溃管以及连挂界面的防爬器均参与吸能，客室无损坏。计算结果验证了本项目车钩及缓冲装置配置的合理性，满足本项目的设计要求。