轨道车辆能量吸收系统

■ 陈云

陈云：福伊特驱动技术系统（上海）有限公司，项目工程师，上海，201108

基于多年在车钩领域中对能量吸收特点的研究，福伊特驱动努力发展车辆前部撞击部件和其他能量吸收装置。通过建立完整的包括车钩、撞击组件、前部罩板、控制系统和运动部件在内的前端模块，福伊特驱动的夏芬博格（Scharfenberg）能量管理系统可以满足轨道车辆完整的前端概念需求，并承担建设整个系统的责任。福伊特驱动在设计复杂的车钩系统中积累了深厚的专业知识，成为可为轨道车辆提供前端系统和能量吸收装置系统供应商。

1 当前轨道车辆对能量吸收系统的要求

诸如ICE列车碰撞和德国高速铁路灾难事件等一系列事故，日渐将撞车问题带到了公众关注的中心。为减少撞车意外的影响，多种相关文件和标准提出了更多关于轨道车辆被动安全性的严厉要求。由于现代车钩系统和前端模块的复杂性，以下只对最必要的功能和要求做出说明。撞击性标准为欧洲标准DIN EN 15227：2008中“轨道车辆车体撞击性要求”；列车系统的兼容性要求为TSI 2008中“对于欧洲高速铁路系统的车辆子系统兼容性的技术细则”。上述标准对下列目标做出阐述：

（1）减小撞击车辆爬升到另一车辆上的风险；

（2）减小出轨的风险；

（3）防止障碍物的干扰；

（4）对撞击能量的控制性吸收；

（5）列车司机逃生空间的保护；

（6）减速度的限制。

不同的碰撞情景发生在不同的冲击水平面上，因而每个水平面都有相对应的具体要求。垂直方向上车头可以被分为不同的冲击区域，用不同的方式吸收能量或者保证司机的逃生空间。DIN EN 15227中描述的轨道车辆被动安全性要求见图1。其中对于减速度的限制方面，情景1和情景2中最高值为5 g ，情景3中最高值为7.5 g。

2 高速铁路Scharfenberg能量管理系统实例

2.1 在欧洲高铁列车中的应用

高速铁路对空气动力的性能、功能性和能量吸收的要求特别高。福伊特驱动为西班牙的Talgo 250高铁列车制造了包括司机室顶板在内的完整的前端系统。

图1 DIN EN 15227对轨道车辆的被动安全性要求

对组件正确合理的使用，可以消除在车头部分安装更多能量吸收组件的需要。根据这个理念，列车符合DIN EN 15227中关于情景1和情景2的安全要求（情景3在2005年项目进行时还未做具体要求）。能量吸收的4个阶段见图2。

冲击能量分别在4个阶段中得到吸收：

（1）第一阶段（可逆）：车钩轴承座中的橡胶吸能元件。能量吸收：大约7 kJ（拉伸方向）/17 kJ（压缩方向）；

（2）第二阶段（不可逆）：车钩钩身压馈管。能量吸收：大约200 kJ；

（3）第三阶段（不可逆）：车钩轴承座和横梁之间的压馈管。能量吸收：大约800 kJ；

（4）第四阶段（不可逆）：在横梁和车身之间两个侧面碰撞吸能盒。能量吸收：大约900 kJ。

所有阶段加在一起，提供了将近2 MJ的能量吸收能力，变形行程不超过1 000 mm。

2.2 在亚洲高铁列车中的应用

Scharfenberg能量管理系统为韩国HEMU-400X新型高速列车设计了符合EN 15227标准中对情景1、2和4要求的能量吸收系统（见图3）。此能量吸收系统安装在构架上，而构架安装在车身上。此系统包括：AAR型车钩头式 Scharfenberg车钩（可更换为Scharfenberg 10型车钩头）、气液缓冲器和压馈管；标准护轨装置；另外2个压馈管。这种方法大约可吸收1.5 MJ的冲击能量，将变形行程控制在800 mm以内。

撞击能量分别在3个阶段中得到吸收（见图4）：

（1）第一阶段（可逆）：车钩钩身中的气液缓冲器。能量吸收：大约7.5 kJ（拉伸方向）/180 kJ（压缩方向）；

（2）第二阶段（不可逆）：车钩钩身中轴承座后的压馈管。能量吸收：大约1 170 kJ；

（3）第三阶段（不可逆）；固定在车钩之上的撞击保护组件。能量吸收：大约170 kJ。

3 车钩系统对轨道车辆中能量吸收的重要性

近年来，福伊特驱动特别关注中国CRH1和CRH3系列高铁列车，并提供了多套前端系统，包括前罩板、运动部件和完整的拥有自动车钩、中间车钩和过渡车钩的车钩系统（见图5）。

图2 Talgo 250高铁列车能量吸收阶段

图3 HEMU-400X高铁列车能量吸收系统

图4 HEMU-400X高铁列车能量吸收阶段示意图

图5 Scharfenberg车钩系统在中国高铁列车中的应用

车钩同缓冲器一起被安装在轨道车辆内的主要冲击平面上。自动前端车钩可以辅助吸收撞击中的大量冲击能量。实现此目的的典型能量吸收部件有压馈管、缓冲器或用于普通连挂操作的橡胶弹性组件。轨道车辆车厢之间的恰当连接（半永久性车钩或有能量吸收特性的铰接接头）可辅助缓解作用在轨道车辆前部的压力，为轨道车辆碰撞提供可控性。另外，半永久性车钩可以将撞击车辆爬升到另一车辆上的风险降至最低（见图6）。

半永久性车钩提供的防爬保护功能可以在能量传送的开始就轻松起效，并保持连在一起的车厢处于同一平面上。与传统解决方案相比，它的优点是提供了一个外部的防爬保护。

由车辆撞击引起的纵向压缩力通过止挡板转化为力矩，侧向力可阻止两车之间出现更大的垂直偏移（见图7）。更多的能量吸收原件，如压馈管或缓冲器，确保可控的撞击能量吸收，限定了载荷级别并缓解了施加在车辆前部的载荷。

4 轻型设计中的完整撞击结构概念

目前，现代撞击结构的发展追求双重目标，在使用轻型原件的同时，依旧可以满足必要的撞击安全要求，已逐渐取代传统的撞击结构。图8、图9展示了一个带有完整撞击结构的Scharfenberg前端模块示意图。

Scharfenberg前端模块中的能量吸收元件除了可逆的缓冲器和牵引装置，车钩还具有完整、不可逆和多阶段能量吸收元件，可以灵活地应用在不同级别的车辆上。对于具有2 000 kN车身强度的车辆，最多可以吸收1.5 MJ的撞击能量。在此应用了DIN EN 15227标准设定的情景1中车钩的撞击特性。碰撞吸能盒分别安装在两侧，也可作为防爬器。作为情景1—情景3的主要能量吸收元件，碰撞吸能盒能够吸收大约1 MJ的变形能量，同时产生大约200 kN的防爬阻力。

图6 装有防爬元件的一部分半永久性车钩

图7 整合在半永久性车钩中的防爬保护

图8 前端模块

图9 撞击结构

总之，这种整体轻型设计结构符合撞击安全标准，并通过使用诸如碳纤维和玻璃钢等轻型材料，也可满足车辆对减轻重量、节能低碳的要求。