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摘要：城市轨道交通具有运量大、效率高、节能、少污染、舒适、安全和准点的突出优点，是解决大城市交通拥堵和环保问题、提升城市形象的最好形式，促成区域经济的形成和发展，已成为国际上城市公共交通发展的首选模式，必然加速发展。应用计算仿真的方法,分析研究地铁列车在不同连挂速度下缓冲器容量与冲击加速度和车钩力之间的关系。提出地铁列车连挂车钩冲击力与连挂车辆数量无关;车钩峰值冲击力决定了缓冲器的容量。建立了密接式地铁车钩三维实体模型,忽略小的倒角和圆角,介绍了密接式车钩的工作原理和主要受力部件;设置密接式车钩材料属性和不同的初始速度,装配后导入ADAMS中得到不同连挂速度下冲击力曲线和角加速度曲线,根据曲线得出连挂速度越大,冲击作用时间越短,最大冲击力越大、角加速越大;运用冲量传递的方法和动量定理分析了不同速度下产生最大冲击力的原因,得出了最大冲击力和连挂速度近似成线性关系的结论;并运用Hertz理论求得最大冲击力下产生的接触压力。
关键词：密接式车钩；连挂速度；冲量；冲击力；接触压力
1 引言
密接式车钩以其结合面松动间隙小，舒适性和安全性高成为提速客车的理想选择。密接式车钩是地铁车辆的一项关键技术，我国在密接式车钩的研究方面起步晚，国产车钩整体破坏强度低，调车时的连挂速度较低。密接式车钩作为地铁车辆安全运行的关键部件之一，它在地铁车辆连挂和制动过程中承受车辆间的纵向瞬间冲击载荷[1]。为了确保地铁车辆的安全运行，避免发生脱钩或者车钩断裂，对其在不同速度下进行运动学的连挂分析十分必要。
2 建模及连挂原理
2.1 模型
准确的建模是做好分析的前提，采用三维建模软件建立密接式车钩各个零件，建模过程忽略小的倒角和圆角，以便导入ADAMS 中做运动学的连挂分析。因为是做钩舌和钩锁连接杆连挂时的冲击分析，对连挂分析影响不大的零件在建模时可以忽略。建模并装配后，如图1 所示。
2.2 连挂原理
相邻两车钩的凸锥体伸入对方的凹锥孔，并推动杆顶块，使其摆动、迫使钩舌杆离开连挂准备位。钩锁连接杆弹簧的恢复力使钩舌转动，并带动钩锁连接杆、伸进相邻车钩钩舌的钩嘴中，完成两钩的连挂。密接式车钩连挂成功后，钩锁连接杆头部和钩舌上的圆弧面重合，钩舌和钩锁连接杆之间形成平行四边形结构，起到连接的目的，如图2 所示。从地铁车钩的承载状况看，其主要受力部件为钩舌、钩锁连接杆和中心轴。因为其受力方式与旧型车钩承载方式不同，旧型车钩为整体承载，在拉压工况下均由钩体上的凸锥体承载，钩舌强度有较大富裕，薄弱部件为钩体。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆而新型车钩在受压时由钩体承载，受拉时主要由钩舌、钩锁连接杆和中心轴构成的平行四边形机构，并传递至钩体承载，而钩体上的凸锥体牵引时不受力。因此钩舌、钩锁连接杆和中心轴这3 个零件的强度格外重要[2]。
3 连挂运动分析
理论计算和运用实践都证明，装备密接式车钩的地铁列车由于车组的纵向连挂间隙很小，纵向作用力和冲击能量最大的工况不是运行调速或制动，而是连挂过程[3]。地铁连挂速度增大，相邻钩体连挂面上的冲击力会增大[4]，运动钩锁连接杆对静止钩舌的冲击载荷也会增大。连挂过程中，相邻钩锁连接杆和钩舌间最大冲击力出现在连挂开始的碰撞阶段，分析不同速度下最大冲击力产生的原因、时间和位置。设置运动钩舌、钩锁连接的初始速度分别为3km/h，6km/h，8km/h，12km/h。
3.1 假定条件
钩舌和钩锁连接杆连挂的时候，不考虑钩舌和钩舌连接杆之间的间隙产生的影响；钩舌和钩锁连接杆连挂开始的碰撞过程很短，假定钩舌还处于静止状态；钩锁连接杆和凸锥体之间的弹簧力相对于冲击力可以忽略；作用在钩舌和钩锁连接杆上的外力所做的功忽略不计。
3.2 连挂仿真及结果分析
车钩模型导入ADAMS 中进行运动学分析，设定碰撞类型为实体与实体，单位接触变形所需的力为100kN，力的非线性指数为2.2，最大阻尼系数为10.0，变形深度为0.1mm，摩擦类型为库仑摩擦；钩舌和钩锁连接杆为低速碰撞，最长碰撞过程的仿真时间为0.1s，仿真步长取为100，每一步的最大时间为0.001s，可以满足精度要求。
3.2.1 连挂仿真曲线
如图3~图5 所示，连挂初速度增大，碰撞过程中最大冲击力增大；不同速度下对应的最大冲击力近似为线性关系；碰撞中钩舌的最大角加速度α 也增大。
3.2.2 结果分析
速度为3 km/h，t=0.0691s 时，冲击力F 最大值为7513N，碰撞过程的时间为0.002s，钩舌角加速度ε 与冲击力F 成正比关系，t=0.0691s 达到最大值（3.1×105）deg/s2，最大冲击力F 出现在钩舌角加速度ε 最大的时刻0.0691s。速度为6km/h，t=0.0348s 时，冲击力F 最大值为19760N，碰撞过程的时间为0.0015s，钩舌角加速度ε与冲击力F 成正比关系，在t=0.0348s 时达到最大值（1.1×106）deg/ s2，最大冲击力F 出现在钩舌角加速度ε 最大时刻0.0348s。速度为8km/h，t=0.0262s 时，冲击力F 最大值为26543N，碰撞过程的时间为0.0012s，钩舌角加速度ε 与冲击力F 成正比关系，在t=0.0262s 时达到最大值（1.5×106）deg/ s2，最大冲击力F 出现在钩舌角加速度ε 最大时刻0.0262s。
速度为12 Km/h，t=0.0175s 时，冲击力F 最大值为51882N，碰撞过程的时间为0.0009s，钩舌角加速度ε 与碰撞冲击力F 成正比关系，在t=0.0175s 时达到最大值（2.9×106）deg/ s2，最大冲击力F 出现在钩舌角加速度ε 最大时刻0.0175s。
当tc≤t≤tf，压缩过程结束，由于接触面的变形，摩擦等各种机理，系统要损失部分动能。
论文作者:刘伟权
论文发表刊物:《防护工程》2018年第17期
论文发表时间:2018/10/26
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