杨庆龙

(中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司 江苏 常州 213011)

1 项目背景

空轨列车可构建“立体交通”体系，减少平面道路交叉。空轨列车不占用地面，无须动迁，无污染，可作为区域微循环和郊区新城与轨道线的延伸和补充，以及重点发展区域的配套路网需要，补充轨道交通未覆盖的问题。造价是地铁的1/5，运营成本是地铁的1/4，主要部件全部为钢结构，可建可拆，零垃圾，拆卸后可循环利用[1-2]。对于各个城市来说都是很好的选择，市场前景十分广阔。运营线路在空中，不干扰周围居民生活休息，可直接进入建筑楼宇，可沿道路的绿化隔离带建设，与周围环境相得益彰，既是交通运输线，又可美化成为景观线。

2 车辆信息与技术要求

2.1 车辆信息

列车速度为50 km/h左右，每小时能单向运输1.5万人次。

2.2 技术参数

车钩缓冲装置的技术要求如表1所示。

表1 钩缓装置技术条件

3 选型设计

根据车辆应用工况及技术要求，研制了密接式车钩缓冲装置。悬挂式空轨列车为2辆编组。编组方式为：+ Mc = Mc +。其中：Mc为带司机室的动车；+为全自动车钩；=为半永久牵引杆。

车辆端部采用全自动车钩，中间采用半永久车钩。全自动车钩可以自动实现机械、电气的联挂与分解，半永久车钩的连接与分解需要手动完成。

项目的难点在于：轻量化设计，与地铁车辆车钩缓冲装置相比，车钩功能要求一致，但是要求车钩整体在体积、重量方面做出“小”和“轻”的设计，给设计增加了很大的难度。

3.1 全自动车钩缓冲装置

全自动钩缓装置位于列车两头(见图1)，能够实现机械、电气的自动连接与分解，在需要时可手动解钩。全自动车钩缓冲装置采用QG全自动车钩装置、弹性体缓冲器组合方案。其中车钩装置与弹性体缓冲器是专为轻轨设计的轻量化产品。

图1 全自动车钩缓冲装置示意图

采用QG330型车钩，机械车钩上部集成电气车钩。可实现机械、电气的自动连接与分解。

缓冲器选择适用于轻轨的弹性体缓冲器，相较于胶泥缓冲器，在实现同样吸能要求的情况下，具有重量轻、结构简单的特点，能够满足轻轨车辆、空轨车辆的要求。

3.2 半永久车钩缓冲装置

半永久车钩缓冲装置如图2所示，用于连接两节车厢，传递牵引力并缓和冲击，其连接和分解需手工操作。半永久车钩缓冲装置分为两部分：一部分为带缓冲器方案；另一部分采用不带缓冲器的牵引杆方案。两部分在列车单元内部配对使用，采用卡环连接。

因为空轨车辆较轻，能量吸收较小，并且为了节约成本并减轻产品重量，配对使用的半永久车钩只需一端车钩中设置缓冲器即可。

图2 半永久车钩缓冲装置

4 验证分析

4.1 仿真计算

4.1.1静力学强度计算

为指导产品设计选材，并进行产品结构设计，对产品中关键受力件进行有限元计算，以验证强度是否满足设计要求。图3所示为部分有限元计算模型。

图3 钩体与钩锁组件有限元计算模型

计算结果表明，分别在280 kN的极限拉伸力和压缩力作用力下，各关键受力件的最大应力均不超过材料的屈服极限，强度满足要求。图4、图5分别为280 kN压力下钩体应力云图与钩锁连接杆应力云图。

图4 280 kN压力下钩体应力云图

图5 280 kN拉力下钩锁连接杆应力云图

4.1.2动力学分析计算

为验证所设计的车钩缓冲装置，在3 km/h速度下进行相互挂钩或相互碰撞的计算分析。将列车看作一个含有质量、刚度及阻尼的多刚体系统，每节车简化为单个质点，该质点仅有纵向自由度。列出动车组中每辆车的动力学方程，运用数值方法对列车的纵向运动规律进行分析计算。

两车的连挂碰撞方式为：train1以一定速度连挂碰撞静止车辆train2，其中train1的3车全自动车钩与train2的1车全自动车钩之间为连挂碰撞面，如图6所示。

注：A—弹性体缓冲器+防爬器；B—弹性体缓冲器。图6 连挂碰撞方式示意图

计算结果表明：

2列车在AW0状态下，以3 km/h的速度冲击时，最大车钩力为135 kN，冲击能量全部由缓冲器吸收，车体不变形，最大加速度值约为0.56g。

4.2 试验验证

按照技术要求以及TB/T 2399标准对车钩进行了静强度试验如图7所示。

图7 全自动车钩强度试验

试验结果表明，车钩缓冲装置在280 kN极限拉伸力与280 kN极限压缩力的作用下， 各关键零部件变形量均小于±0.2%，无塑性变形发生，满足静强度设计要求。

5 结束语

中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司研发的空轨列车用车钩缓冲装置通过了业主的首件鉴定(见图8)，并成功在中车南京浦镇车辆有限公司悬挂式空轨列车中装车应用。

产品所应用列车的成功下线标志着我国已具备空轨列车的生产能力，从而使我国成为继德国和日本之后世界上第3个拥有空轨列车自主知识产权的国家。 产品已经交付业主使用， 到目前为止，随车运行状况良好。

图8 悬挂式空铁列车