浅谈国内外地铁车辆车钩缓冲装置

陈炜森

摘要：车钩缓冲装置作为地铁列车的安全配置，应具备足够的强度、连接分解操作简单可靠、缓解加减速时列车内产生的冲击力等特点，保障乘客的安全及舒适感。本文通过对国内外车钩缓冲装置的发展与对比分析，车体强度以及车钩缓冲装置在有无碰撞要求时存在较大差异。

一、地铁车辆半自动车钩和半永久车钩论述

（一）半自动车钩

半自动车钩由车钩头、风管接头、车钩牵引杆、橡胶垫钩尾座、对中装置、卡环、地线组成，可以实现铁路车辆的自动连接。一节车厢驶到另一节车厢并对准后，这种车钩即可在无需人工协助的情况下实现车厢的连挂。即使在连挂车辆存在水平和垂直角度误差时，这种车钩也可实现车辆的自动连接，并可实现连挂列车的竖曲线和平曲线运动及旋转运动。

除可实现机械连挂外，这种车钩实现了风管自动对接，减震器确保了减震作用，对缓冲和牵引均有效。半自动车钩配备了能量吸收装置，可在受到重冲击时起作用，从而保护了车身底架不受损。半自动车钩实现机械连挂后，风管会自动连接起来。半自动车钩只能通过手动驱动车钩头处的解钩杆来进行解钩，如两个连挂车钩的钩锁意外解开，需将车辆分离后再次连挂，在轨道旁完成解钩和分离后，车钩会再次进入连挂准备状态。

半自动车钩与传统车钩相比，它不需要人工操作，自动连挂方便快速。当出现紧急故障时，能迅速自动对接被拖离现场，而不影响线路的正常运营;传统的车钩不能实现自动连接，都是人工操作，所以半自动车钩比传统车钩更加灵活。

（二）半永久车钩

半永久车钩由风管接头、车钩牵引杆、橡胶垫钩尾座、卡环、地线组成，它的设计可确保车辆的永久连接，使车辆的各节车厢在运动中形成一个整体，除遇到紧急状况或在库区进行维护之外，无需分离车辆，车钩半部之间由便于拆卸的卡环连接，这种连接方式刚性佳、无松脱、安全性高，该款车钩可实现列车的竖曲线和平曲线运动。

半永久车钩缓冲装置确保了减震作用对缓冲和牵引均有效;半永久车钩连挂后，风管将自动完成连接;半永久车钩半部分离只能手动完成。

半永久车钩把整列车连挂成一个整体，而连挂之间没有间隙，能实现风管的自动对接，无特别情况下无需分离，这种与传统的车钩相比，传统车钩连挂后间隙大，有碰撞震动大，风管的对接和分离都需要人工来操作，相比下半永久车钩在连接和解钩更具有优点和先进性。

目前典型的客车车钩缓冲装置是以欧系的密接式车钩缓冲装置为代表。日本铁路按钩型可分为普通车钩、刚性车钩和密接式车钩。普通型车钩类似于我国的2号、15号车钩;刚性车钩是在普通车钩基础上去掉了纵向间隙并增加了连锁结构;密接式车钩又分为方锥式与圆锥式2种。日本新干线电动车组用的密接式车钩的破坏强度由原来1200 kN提高到1600 kN甚至达1800 kN。

二、车体强度标准对纵向载荷的要求

车辆车体强度的标准我国与国外一些发达国家对车辆纵向载荷要求有所差异。美国标准（APTA SSA&S-034-9，Rev.2铁道客车的结构设计标准）中，对有无CEM（碰撞能量管理）系统的车体纵向压缩强度的要求有很大区别：有CEM系统且带剪切车钩的车体压缩力为2560kN，无CEM系统的车体压缩力为3560kN;日本标准（JIS E7105铁道车辆车体静强度试验方法）中，对车体纵向压缩强度的要求最大为980kN;欧洲标准（EN12663轨道车辆车体的结构要求）中，车体纵向压缩强度依据车辆种类而不同：干线客车的压缩强度为1500kN或2000kN，城轨车辆一般为800kN;我国标准（TB /T1335铁道车辆强度设计及试验鉴定规范）中，对车体纵向压缩强度的要求为1180kN（转化成与其他标准相同安全系数则压缩强度为1700一1900kN）。除此之外，国际铁路联盟标准（UIC566客車车体及其构件的载荷）中，对车体纵向压缩强度的要求为2000kN。对比如表1所列。

表1 国内外车钩强度及车体强度对比表    kN

国家

车钩强度

车体纵向压缩强度

美国

2950

有CEM带剪切车钩

2560

无CEM

3560

日本

1600

干线客车

980

欧洲

1500

干线客车

1500/2000

城轨车辆

800

中国

1800/2000

25G/T客车

1700-1900

各个标准对车体承受纵向载荷的规定是由不同的设计理念决定的，美国和欧洲甚至我国强调发生事故后的消极防护，以确保乘客的生命安全，而日本则更偏向于轻量化车体结构，充分利用车体结构的疲劳强度，用列车控制技术来保证安全性。但是，日本的车钩强度却不低，这说明事故的发生概率可以通过控制或谨慎驾驶来降低。但车钩强度高在一定程度上提高了运行的可靠性，延长了车钩的使用年限，降低了更换率。

三、典型车辆的车钩与车体强度

选取CRH系动车组，城轨车辆及25G/T客车为例，简单介绍其所用车钩及车体强度，具体参数见表2，从中基本看出二者一之间的联系。

CHR系动车组一般都采用了自动车钩、半永久性（半自动）车钩及过渡车钩（紧急车钩）等3种车钩。自动车钩置于动车组头车的前端，用于连接其他的动车组;半永久性（半自动）车钩置于头车的后端和所有其他车辆的两端。过渡车钩只有在动车组需要紧急救援回送时使用。

由表2所列几种典型车辆的车钩配置及车体强度可以看出，除了CRH2动车组车钩强度远高于车体强度，CRH5动车组中间车钩低于车体强度以外，CRH系动车组车钩强度与车体强度基本相当，城轨车辆的车钩强度与车体强度也基本在同一水平，25型客车的车钩强度高于车体强度。

表2  典型车辆车钩及车体强度

列车

编组数/辆

重量/t

制动力/kN

车钩配置及强度 /kN

车体强度/kN

CRH1

8

485

400

自动车钩，半永久性车钩

1500压缩

1000拉伸

1500压缩

1000拉伸

CRH2

8

408.5

300

自动车钩，半自动车钩

3100压缩

1600拉伸

980压缩

CRH3

8

475

300

自动车钩，

半永久性车钩

1500压缩

1000拉伸

1500压缩

1000拉伸

CRH5

6

364

260

自动车钩，

半永久性车钩

1500压缩

1000拉伸

800压缩

700拉伸

A型地铁

6

220

410

自动车钩，半永久性车钩，半自动车钩

1200压缩

1000拉伸

1200压缩

1000拉伸

B型地鐵

6

201

375

自动车钩，半永久性车钩，半自动车钩

1000压缩

800拉伸

1000压缩

800拉伸

25G/T

18

1000

480

15号车钩

密接式车钩

2000压缩

1800压缩

1180压缩/980拉伸

四、车钩与车体强度的匹配

从上述对比中可以看到，美国车辆无论是车钩还是车体强度要求都比较高，大于2500kN;欧洲车辆的车钩与车体强度基本在同一水平，约1500kN左右;日本车辆的车钩强度远高于车体强度;我国干线客车的车钩强度也高于车体强度，而城轨车辆则车钩、车体强度相当。

低速碰撞时，碰撞所产生的能量只依赖于车钩缓冲装置来吸收是不够的，需要考虑多级能量吸收系统来有序地耗散，图1给出了耐碰撞车体的纵向载荷变形行程曲线。

图1  耐碰撞车体纵向载荷----变形行程特征

图2给出了一种典型列车前端车钩缓冲器配置方案。包括了EFG橡胶缓冲器、胶泥缓冲器、过载保护装置、车体两侧防爬器，这些缓冲吸能部件的初始动作力和强度是依次增加的，在列车发生较高速度的冲击时依次开始发挥缓冲吸能作用。

图2  列车前端车钩缓冲器配置

整个缓冲吸能过程可以分为4个阶段：

（1）EFG橡胶缓冲器最先发挥缓冲吸能作用;

（2）作用力上升达到胶泥缓冲器的初始动作力时，胶泥缓冲器开始变形，吸收冲击能量;

（3）胶泥缓冲器内的作用力随缓冲器行程增加而上升，当超过过载保护装置的强度时，过载保护装置将动作，使车钩与车体分离;

（4）车体两侧的防爬器以及车体前端吸能区接触，继续吸收冲击能量。

为了实现上述的列车前端车钩缓冲装置和车体吸能区的功能，列车前端的车钩等部件必须合理布置，如图3所示。

图3  列车前端的布置

车钩前端面与车体吸能区前端面之间的距离必须大于过载保护装置动作之前车钩可能发生的压缩行程（如EFG橡胶缓冲器与压溃管的行程之和），并留有一定的制造公差。否则，车钩行程用尽之前会出现两车前端吸能区接触，两者一叠加的强度高于车体强度，可能导致车体损坏。车体上的车钩安装座后方也必须留有足够的空间，保证车钩过载保护装置动作后车钩能充分向后移动，避免在车体吸能区行程用尽之前再次承受纵向力并与车体吸能区叠加形成高强度导致车体损坏。

由此可见，在考虑低速碰撞时，需要设计一个完整的由多个吸能装置构成的能量耗散系统，实现能量的有序消散。车钩缓冲装置的性能作为列车的一项总体性能，列车的其他总体参数，如列车编组型式、编组中各车辆的重量、车体强度、不导致车体损坏的最大冲击速度、车钩前端面允许突出车体前端的距离、停放制动列车的摩擦系数等，都影响车钩缓冲装置的配置，特别是车体强度，几乎可以说对列车的允许冲击速度有决定性的影响，所以，车钩缓冲装置强度适当低于车体强度的同时，其配置要求应与列车的总体参数一起考虑。

5、结语

通过对比国内外车钩缓冲装置发展、车体强度标准对车体纵向载荷的要求，以及典型车辆车钩配置和车体强度指标，总结如下两点：（1）在不考虑碰撞的情况下，车钩缓冲装置的强度一般与车体强度相当，或者略高于车体强度。（2）在考虑低速碰撞时，需设置剪切车钩或过载保护装置，车钩缓冲装置的强度应适当地低于车体强度。