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

列车是由一节节车辆通过车钩连接而组成的复杂系统，车辆之间的冲击和振动主要通过车钩缓冲装置来传递，车钩缓冲装置是影响机车车辆运行安全性与平稳性的重要部件之一，对车钩缓冲装置的研究在列车被动安全领域有着重要的地位。

密接式车钩以其结合面间隙小、舒适性和安全性高已成为25T型特快列车［1］、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］。密接式车钩缓冲装置在列车连挂、运行以及制动过程中作为车辆间纵向瞬态冲击力的主要承受部件，是动车组以及城市轨道交通列车安全、平稳运行的关键部件之一，为了确保列车在非人为因素的情况下发生碰撞事故时，两碰撞列车的相邻车钩能顺利连挂使得车体外附加的吸能装置和车体结构次要部位能按照人的意志实现逐级、有序、可控的塑形变形，利用车体吸能装置结构的塑形变形最大限度地吸收撞击的动能从而实现列车的被动安全保护［5～9］。

2 密接式车钩组成及工作原理

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。

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］。

图1 密接式车钩组成示意图

3 车辆冲击连挂动力学计算模型

车钩冲击连挂一般发生在调车作业和列车运行的非稳态工况下，例如调车溜放冲击工况，列车冲击碰撞或者列车操纵工况变化时；这时头车车钩与尾车车钩会发生冲击连挂并产生较大纵向冲击力［13～15］。

图2为相邻两节车辆的动力学模型，以发生冲击连挂的相邻两节车辆作为分析的基础。

图2 相邻两节车辆的动力学模型

假设车辆1的质量为M1，另一车辆2的质量为M2，两节车辆的动力学方程为

式中：X1为车辆1的位移；X2为车辆2的位移；P1，P2为在两节车辆上作用的外力（包括牵引力、制动力、运行阻力及与1，2相邻车辆的车钩力）；F为车辆1，2间作用的车钩力（以车钩受压为正）。

令相邻两节车辆间的相对位移为Xr，即：

则由式（3）可得

引入等效质量Me及作用于等效质量上的等效外力Pe：

4 车钩冲击连挂仿真模型

根据某密接式车钩的实体尺寸，通过动力学分析软件ADAMS建立密接式车钩冲击连挂三维模型，包括运动台车，地面工装，轨道，车钩缓冲装置模型，其中对车钩缓冲装置模型里的钩头及内部钩锁连接装置等零部件进行了详细的构建。图3为密接式车钩冲击连挂三维模型，左边的为运动台车及车钩，右边是地面工装及车钩。

图3 车钩连挂几何模型

运动台车及地面工装的质量均为3000kg，密接式车钩质量为360kg。初始仿真工况设定运动车钩以10km/h的速度冲击固定车钩。

5 车钩冲击连挂仿真结果

在车钩的冲击连挂过程中，车钩缓冲器所受冲击力会随着连挂状态的变化而变化，其冲击力-时间曲线如图4所示。从该冲击力-时间曲线可知，在最大峰值力出现之前有个小的峰值力，这是因为在车钩前端挡板接触之前，车钩凸锥体在进行车钩连挂对中时先与相邻车钩钩体接触而产生的力，而当连挂对中后车钩前端挡板开始接触时再次产生冲击力，且冲击力增长很快，在很短的时间内达到最大峰值力，由图4可知最大峰值力为606kN；而且在增长的过程中一个很短的时间内，撞击力值有突然减小然后再增长的过程，经过分析发现在这个时间段，钩锁连接机构中的钩锁连接杆在钩锁弹簧的带动下伸进相邻车钩钩舌的钩嘴内，完成两钩的连接锁闭的动作导致。在达到最大峰值力后，冲击力也在很短的时间内减小到零值，持续一段时间后变为负值，然后再由负值回到零值，再增长到一个较小的峰值，如此波动几次后回到零值并保持不变。而之所以在达到最大峰值力后持续了一段时间的零值，是因为在达到最大峰值力后，缓冲器开始卸载，而此时相对于本仿真模型中设定的缓冲器动态特性曲线中卸载曲线的值为零。冲击力的波动则是因为缓冲器的拉伸压缩变化导致。

图4 冲击力-时间曲线图

6 结语

在车钩的冲击连挂过程中，车钩缓冲器所受冲击力会随着连挂状态的变化而变化，冲击力最大峰值力为606kN。因此，对其冲击力进行仿真分析，能够得到车钩缓冲器所受冲击力的变化情况，对密接式车钩的性能研究具有参考作用。