悬挂式单轨列车挡车器结构设计

2021-07-02胡连军李忠继林红松杨吉忠

铁道标准设计 2021年6期

胡连军，李忠继，林红松，杨吉忠

(中铁二院工程集团有限责任公司，成都 610031)

挡车器作为轨道交通中的安全防护设备[1]，避免列车意外失控时冲出线路，防止人员伤害及车辆和其他设施损坏。作为一种新兴制式的轨道交通，许多技术仍处于研究阶段[2]，国内外尚无关于悬挂式单轨列车挡车器的相关文献。目前，有关悬挂式单轨交通系统的相关规范标准正在制定，而《地铁设计规范》与《城市轨道交通技术规范》仅明确了车挡的速度要求[3]，但是在工程设计中，仍需考虑其他多种因素及技术参数。

随着城市轨道交通的发展，悬挂式单轨交通系统的兴起，对挡车器的设置及结构设计提出了许多新的需求。与传统轨道交通制式不同，悬挂式单轨交通的走行部位于列车上方，列车悬挂于轨道梁下方运行[4]。由于采用悬挂式构造，全线采用高架形式，因此对轨道梁终端的安全防护要求更高。同时，基于列车运行速度.轴重.编组等因素，还需考虑挡车器的主要设计参数及线路预留长度[5]。

1 挡车器的设计原则

1.1 足够的制动能力

挡车器应该具有足够的制动能力，保证被列车车钩撞击之后安全平稳停止[6]。最大制动能力应大于车辆撞击动能E=mv2/2。考虑失控车辆的速度不确定性.车重的增加及自然气候等不利因素，兼顾挡车器螺栓的强度.撞击强度及挡车器结构强度等许可条件，考虑一定的安全系数1.3，条件恶劣的情况下，甚至取2.0。

1.2 合理的缓冲吸振

合理的缓冲吸振装置，能够吸收车辆的动能，把对车辆的反作用力限定在一定范围内。对于撞击速度高.撞击动能大的线路，常采用摩擦式或者液压式挡车器，通过摩擦力或者黏质液体来吸收撞击能量[7]。固定式挡车器缓冲吸振能力非常有限，一般用于库内线等列车速度非常低的场合[8]。近年来还出现有弹性胶泥缓冲器.液气挡车器等[9]。

1.3 安装方便.易于维护

不同于传统轨道交通，悬挂式单轨交通系统在轨道梁内行驶，安装.维护.作业空间受到极大限制。因此，悬挂式单轨交通的挡车器应便于安装.易于更换.安全可靠，维护工作量少等。

1.4 美观性好

悬挂式单轨交通通常采用高架形式敷设，很容易进入人们的视线范围。因此在设计时需注重美观性，融入道路景观.城市综合设计等，可进行“植物挡车器”[10]的创新性研究，减小挡车器对城市的消极影响。

2 悬挂式单轨挡车器主要设计参数

与大多数轨道交通制式类似，挡车器的设计既要保证车辆运行故障后的安全，又要考虑经济性，主要技术参数如下。

(1)撞击荷载：根据线路使用功能(如站前折返线.站后折返线.停车线)可分为重载和空载。

(2)撞击速度：车辆失控时撞击挡车器的速度。《城市轨道交通技术规范》规定：设在正线.折返线和车辆试车线的车挡应能承受列车以15 km/h速度撞击时的冲击荷载。日本规范《单轨构造设计指南》[11]：列车有自动停止装置，且车辆的调换.入库等原因速度非常低，仅为3～4 km/h。考虑我国国情及悬挂式单轨车辆构造，正线.折返线及试车线建议采用15 km/h为额定撞击速度，车辆段库内线采用5 km/h为额定撞击速度。

(3)制动减速度：目前我国设计规范对挡车器制动减速度没有规定。结合国内外运营经验，为保护乘客安全，挡车器的制动减速度一般不得大于1.5 m/s2；为保护列车设施，制动减速度值一般应小于3～4 m/s2。

(4)线路预留安装长度：由于使用工况和挡车器产品的多样性，规范或技术标准并没有规定线路预留安装长度，但是在设计过程中，需考虑挡车器长度.运行工况等。

①固定式挡车器，线路预留长度为挡车器实际长度。

②对于滑移式挡车器.滑移液压缓冲式挡车器，线路预留最小安装长度=设备占用线路长度+最短滑移距离+安全距离。其中，最短滑移距离Smin=v2/2a，a为车辆的减加速度。

(5)车体撞击点：为有效保护车辆，将车钩作为车辆与挡车器的撞击点[12]，设计时需考虑撞击点的高度。

3 主要结构形式

由于悬挂式单轨交通形式在我国处于起步阶段，市场上的产品相对较少，因此，可以创新设计的地方较多。从满足阻挡列车脱线.保证安全的功能角度出发，与传统轨道挡车器类似，悬挂式单轨挡车器主要由支撑单元(框架结构)和制动单元组成，按照支撑单元的可动与否，常分为固定式与滑移式两种。区别于传统轨道挡车器，悬挂式单轨挡车器在实现形式可以多种多样。

3.1 固定式挡车器

固定式挡车器(图1)最显著的特点在于支撑单元直接固定在轨道梁上，为便于安装拆卸，通常采用螺栓连接[13]。

图1 固定式挡车器示意

挡车器的制动单元主要用于阻挡车辆的前进，由缓冲头和缓冲部件组成，可以有多种形式。缓冲头一般为橡胶平板，为保证稳定性，常在其下方或者旁边加装导向连杆。考虑悬挂式单轨列车具有摆动效果，特别在横风作用下，为保证车钩与缓冲头位置对齐，采用引导式开口缓冲头(图2)[14]。

图2 引导式缓冲头

对于缓冲部件，常用的有液压缓冲器.弹簧减振器和橡胶缓冲器等，具有存储.耗散机械能量的功能，同时能够恢复到原有工作状态。近年来，弹性胶泥缓冲器(图3)受到热捧，其具有容量大.阻抗力小.结构简单.性能稳定等优点(图4)[15]。该种挡车器的缓冲吸振能力较好，可用于正线及配线等，但其滑动距离较短，参考地铁制式，常用于车辆段库内线。

图3 弹性胶泥缓冲器原理

图4 弹性胶泥缓冲器力-位移曲线

3.2 滑移式挡车器

借鉴传统地铁滑移式挡车器，悬挂式单轨列车挡车器在机架上方安装制动摩擦单元，特点在于通过在轨道梁腹板上用螺栓连接角钢，倒置安装摩擦轨，利用阻尼器与摩擦轨之间的摩擦阻力来消耗失控车辆的动能[16]。为进一步降低挡车器对车辆的影响，可以考虑在主体架下方安装液压缓冲结构[17](图5)。滑移式挡车器以其双重减振的优势，可用于正线及配线.试车线.牵出线的终端。

图5 滑移式液压缓冲式挡车器示意

3.3 新型挡车器

(1)双缓冲器悬挂式挡车器

如图6所示，双缓冲器悬挂式挡车器[18]通过两个缓冲器对列车起到缓冲和吸引冲击能量的作用。第一缓冲器采用双杆缓冲器，既增强了制动能力，同时也可起到自动导向的作用，不用单独设置导向连杆，结构更为紧凑。第一缓冲器固定安装在主体架内，主体架上方直接搭在轨道梁走行面上，既起到支撑作用，同时与轨道梁走行面形成摩擦，具有缓冲吸振效果。第二缓冲器连接主体架上方，可选用与第一缓冲器同样类型的缓冲器，也可采用其他类型。

图6 双缓冲器悬挂式挡车器

该挡车器的特点在于制动能力强，三重缓冲吸振作用效果下，为减小挡车器占用线路长度，两个缓冲器可采用固定连接的方式。为便于拆卸，通常采用螺栓连接的方式，可设在正线.折返线和试车线等。

(2)永磁式悬挂式挡车器

永磁式悬挂式挡车器[19]，通过内部安装的永磁式缓冲器中同极相斥的永磁铁，利用磁场来抵抗列车的撞击力，如图7所示。其中，永磁式缓冲器包括：筒状的绝磁壳体，在壳体内部安装有若干块同极相对的圆环永磁体，内部设置有弹簧连接，外部直线移动柱与缓冲头连接。内部设置的弹簧能够起到附加缓冲吸振的作用，同时在缓冲器复位过程中也能起到防止过快恢复到原有位置产生破坏的作用。绝磁壳体与缓冲头连接一端还需要固接(比如螺纹连接)一块挡块，防止缓冲器在复位过程永磁体弹出壳体。

图7 永磁式悬挂式挡车器

该结构的优点在于利用弹簧与磁场双重减振吸能，减振效果明显，同时具有快速复位的功能，可用于正线.折返线和试车线等。

(3)阻拦索式挡车器

参照航母阻拦索，将舰载机高速拦停，阻拦索式挡车器[20]应用于悬挂式单轨系统，如图8所示。在轨道梁末端对称布置阻尼器，安装方向与轨道梁纵向呈一定角度。其中，活动支架起到张紧阻拦索的作用，保证列车车钩与阻拦索对齐，车钩顺利钩住阻拦索。通过阻尼器的缓冲吸振，有效吸收列车动能，阻止列车继续前行，保护列车，可用于车辆段库内线。其中，阻尼器可以选择多种类型的阻尼器，优选液压阻尼器。