常州有轨电车前端模块的研制

宋自帅 张小军 张 瑞 李家乐

(中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司 江苏 常州 213011)

有轨电车相比地铁、轻轨，具有建设周期短、造价低等优势，未来有望成为大型城市轨道交通的有益补充以及中小城市主要运输工具。2016年，常州经开区区政府有意在经开区建造有轨电车线以方便周边民众出行，首条线为有轨电车示范线，5模块编组。常州有轨电车前端模块包括防爬开闭机构、Albert折叠车钩和吸能装置，正常运行时，防爬开闭机构关闭，保持列车整体外形美观。列车意外碰撞时防爬器可防止发生一列车爬到另一列车上的“交叠”现象(以下简称“防爬”)，吸能装置可吸收碰撞所产生的能量，从而避免造成人员伤害。列车发生故障时，防爬开闭机构打开，以便于伸展Albert车钩进行连挂救援。

1 使用性能

1.1 产品功能说明

该模块可实现调车及救援时的连挂，以及发生碰撞时的能量吸收和防爬。

1.2 主要技术参数

(1)Albert折叠车钩

纵向拉伸屈服载荷： ≥280 kN；

纵向压缩屈服载荷： ≥300 kN；

最大水平转角： ±35°；

最大垂直转角： ±6°；

车钩中心线最大扭转角度： ±8°；

橡胶轴承最大行程： ±5 mm。

(2)压溃管

行程： 220 mm；

平均稳态力： 250 kN；

容量： 约55 kJ。

(3)气液缓冲器

行程： 80 mm；

最大动态阻抗力： 250 kN。

2 方案设计

2.1 防爬开闭机构

防爬开闭机构的作用是打开或关闭整流罩组件及防爬器，主要包含整流罩、固定支架、连杆组件、气弹簧部件、限位组件、防爬器和锁定组件(见图1)。

图1 防爬开闭机构

防爬开闭装置采用由连杆机构组成的平行四边形运动机构，确保整流罩和防爬器在打开或关闭过程中始终保持平动。气弹簧为防爬开闭机构提供打开的动力，打开到位后，通过快锁插销将其锁定在打开位，防止意外的发生；关闭到位后，通过锁定组件将其锁定，防止防爬开闭机构弹开。

2.2 Albert折叠车钩

Albert折叠车钩能手动实现机械连接，折叠及折叠锁定，展开锁闭，轨侧手动解钩，高度调整，接地保护，车钩最小曲线连挂和弹性缓冲等功能，主要配置有Albert车钩组件、折叠机构、安装座和支撑装置等模块(见图2)。

图2 Albert折叠车钩

2.3 吸能装置

吸能装置分为可恢复部分和不可恢复部分，分别可通过气液缓冲器和压溃体塑性变形方式实现。主要由连接套筒、安装板、支撑套筒、气液缓冲器和压溃管等零件构成(见图3)。气液缓冲器固定在连接套筒内，通过连接套筒的运动推动气液缓冲器吸收外部冲击能量。

图3 吸能装置

3 仿真计算

为了分析前端模块在车辆运行时的强度是否满足设计要求，对前端模块的关键受力件进行了有限元计算。为了便于计算，在保证准确反映结构特性的前提下对模型进行了简化，删除了某些小孔及小倒角等特征[1]。

3.1 防爬开闭机构

在500 kN纵向力作用下，分别对防爬器正面碰撞(见图4)和45°碰撞(见图5)进行了计算，其最大等效应力为450 MPa和412.3 MPa，小于抗拉强度489 MPa，计算结果表明，防爬器在受到500 kN外力作用下不会发生断裂破坏，满足强度设计要求。

图4 正面碰撞应力云图

图5 45°碰撞应力云图

3.2 Albert折叠车钩

针对实际运用工况，对折叠车钩拉伸和压缩两种状态分别进行计算(见图6～图9)，极限载荷分别为：纵向拉伸力280 kN，纵向压缩力300 kN。

图6 280 kN拉力作用下安装座应力云图

图7 300 kN压力作用下安装座应力云图

图8 280 kN拉力作用下钩体应力云图

图9 300 kN压力作用下钩体应力云图

计算结果表明，各关键受力件在2种极限载荷下的最大应力均不超过材料的屈服极限，满足强度设计要求。

3.3 吸能装置动力学计算

为验证吸能装置在各种冲击工况下的吸能特性，对2列有轨电车在不同冲击速度下相互碰撞的情况进行计算分析。两车碰撞方式为：train1以一定速度碰撞静止车辆train2(见图10)。

注：A—气液缓冲器+压溃管+防爬器。图10 碰撞方式

计算结果表明：

(1)2列车以7 km/h的速度冲击时，最大冲击力为392.6 kN，冲击能量全部由气液缓冲器吸收，压溃管不变形，最大加速度值约为0.847g。

(2)2列车以15 km/h的速度冲击时，最大冲击力为500 kN，冲击能量全部由气液缓冲器和压溃管吸收，最大加速度值约为1.075g。

(3)2列车以25 km/h的速度冲击时，最大冲击力为550 kN，冲击能量不能被气液缓冲器和压溃管全部吸收，车体被破坏，最大加速度值约为1.181g。

4 试验验证

4.1 防爬器强度试验

为验证防爬器的强度是否满足使用要求，采用电流伺服试验机对防爬器施加垂向载荷，从零缓慢加载至500 kN。试验结果表明，试件在0～500 kN垂向载荷作用下一直处于弹性阶段，结构稳定、外观完整，满足设计使用要求。

4.2 Albert折叠车钩

按照采购技术条件和TB/T 2399标准的要求，对Albert折叠车钩的强度进行试验验证。试验结果表明，Albert折叠车钩分别在280 kN极限拉伸力和300 kN极限压缩力作用下，各关键零部件变形量均小于±0.2%，满足设计要求。

4.3 吸能装置

为验证压溃体静压性能是否满足设计要求，采用专用试验压机对压溃体缓慢持续加压，直至压溃体整个有效行程均发生变形。试验结果表明，压溃管稳态力范围在25.03～251.93 kN，满足设计使用需求。

5 结论

根据采购技术条件和试验大纲要求，完成了常州有轨电车前端模块的试制和型式试验，试验结果表明，前端模块各项技术指标均达到设计要求。目前，已完成主机厂首件鉴定，能够满足车辆的使用要求。