高速动车组车钩缓冲装置技术的发展

陆青松，李 彬

(中车青岛四方车辆研究所有限公司,山东 青岛 266031)

我国轨道交通行业发展迅速，截至2020年年底，动车组保有量已超过3 800列，运用里程超过3.8万km。从1996年成功研制第一列时速160 km动车组开始，我国动车组不断提速，“大白鲨”高速电力动车组、DJJ1型“蓝箭”电力动车组等时速200 km动车组相继问世[1]；2002年我国拥有自主知识产权的DJJ2型“中华之星”电力动车组创造了当时321.5 km/h的“中国铁路第一速”[2]；2004年我国开始引进技术，动车组设计制造水平又取得了长足的进步[3]。我国的动车组发展过程可分为3个阶段：第1阶段代表车型为CRH1A型、CRH2A型、CRH3C型和CRH5A型动车组；第2阶段代表车型有CRH380A、CRH380BH和CRH380CL型动车组，CRH380D型动车组也诞生在这一阶段；第3阶段动车组是“复兴号”动车组家族，包括时速350 km、250 km标准动车组和时速160 km动力集中动车组3个平台产品，该阶段的各系列动车组车钩缓冲装置除少部分为技术转让外，大部分完全由国内企业自主研发和生产。

1 我国高速动车组钩缓装置技术发展历程

我国2002年研制的DJJ2型电力动车组使用的是拥有完全自主知识产权的钩缓装置，2004年开始引进动车组技术，初期同时引进了4个国外不同主机厂设计生产的动车组[4]，后期在设计中对技术引进的平台产品均有一定程度的继承，“复兴号”动车组是我国自主知识产权的动车组，可作为单独的一个平台，因此，我国动车组钩缓装置可分为CRH1系列、CRH2系列、CRH3系列、CRH5系列和“复兴号”系列动车组钩缓装置5大平台[5]。

1.1 CRH1系列动车组钩缓装置

我国早期使用的CRH1A、CRH1B和CRH1E型动车组车钩缓冲装置由国外公司提供，后期使用的CRH1A-A和CRH380D型动车组车钩缓冲装置由国内外公司共同提供。CRH1A和CRH1B型动车组前端采用了伸缩式车钩，以满足前端开闭机构动作空间需求；CRH1E型动车组采用固定式前端开闭机构，所以车钩取消了伸缩功能。该平台短编动车组各车型的全自动车钩均采用欧式10型车钩配上置式电气连接器的连挂系统，长编动车组各车型均使用符合AAR标准要求的D型和H型车钩。图1为CRH1A型动车组前端全自动钩缓装置，由机械车钩、电气车钩、伸缩锁定气缸、伸缩机构、垂向支撑和橡胶饼缓冲器组成[6]。

图1 CRH1A型动车组前端全自动钩缓装置

表1为CRH1系列动车组钩缓装置配置表。表1可以看出，动车组前端全自动钩缓装置的机械车钩由原来的10型、H型和D型逐渐统一为欧式10型车钩，缓冲器由橡胶饼缓冲器逐渐演变为气液缓冲器，但中间钩缓装置的结构形式继承度比较高，均为带橡胶饼缓冲器的半永久车钩。

1.2 CRH2系列动车组钩缓装置

CRH2A型动车组采用国外引进技术，CRH2B型动车组在CRH2A型动车组基础上扩编至16辆编组，最高营运时速为250 km。早期的CRH2系列动车组全列车各个端面均采用柴田式连挂系统，短编动车组前端车钩为自动车钩，同时配有上置式电气连接器，该型车钩为分体式车钩，机械车钩和缓冲器通过十字销连接。由于柱销式车钩和欧式10型车钩并不能相互连挂，为了满足铁路总公司互联互通要求，该平台动车组后期普遍采用了统型车全自动车钩，主要的变化在于机械车钩由柱销式车钩改为欧式10型车钩，橡胶缓冲器改为气液缓冲器，分体式车钩改为一体式车钩。图2为 CRH2A型动车组前端全自动钩缓装置，图3 为CRH2A(统)和CRH380A型动车组前端全自动钩缓装置。

表1 CRH1系列动车组钩缓装置配置

图2 CRH2A型动车组前端全自动钩缓装置

图3 CRH2A(统)和CRH380A型动车组前端全自动钩缓装置

表2为CRH2系列动车组钩缓装置配置表。由表2可见，CRH2系列动车组前端全自动钩缓装置机械车钩由原来的柱销式车钩逐渐演变为欧式10型车钩，缓冲器逐渐统一为橡胶/气液缓冲器，中间钩缓装置的结构形式继承度比较高，均为带叠层橡胶缓冲器的半自动钩缓装置。

1.3 CRH3系列动车组钩缓装置

CRH3C型动车组是我国引入的唯一一个时速300 km以上速度级的车型。CRH3C型和CRH380B型动车组钩缓装置是目前国内动车组用的车钩中技术复杂程度最高的产品，图4为CRH380B型动车组前端全自动钩缓装置，由机械车钩、电气车钩、缓冲器、缓冲压溃装置、伸缩装置和安装吊挂装置组成，其中伸缩系统可以实现车钩200 mm的伸缩量。

表2 CRH2系列动车组钩缓装置配置

图4 CRH380B型动车组前端全自动钩缓装置

CRH3系列动车组钩缓装置统一性较高，前端全自动钩缓装置均配有伸缩装置，长编动车组仅在短编动车组基础上取消了电气车钩。表3为CRH3系列动车组钩缓装置配置。

1.4 CRH5系列动车组钩缓装置

CRH5A型动车组设计营运速度为250 km/h，前端全自动钩缓装置由机械车钩、电气车钩、缓冲器和安装吊挂装置组成(图5)。电气车钩两侧放置，为2×98芯，采用200 mm的超大行程气液缓冲器。

图5 CRH5A型动车组前端全自动钩缓装置

CRH5系列动车组钩缓装置统一性较高，长编动车组仅在短编动车组基础上取消了电气车钩。CRH5A型动车组中间钩缓装置采用摆动螺栓方式连接，为刚性连接。表4为CRH5系列动车组钩缓装置配置。

表3 CRH3系列动车组钩缓装置配置

表4 CRH5系列动车组钩缓装置配置

1.5 “复兴号”系列动车组钩缓装置

动车组发展的第3阶段是我国动车组技术全面走向自主知识产权关键阶段，成功研制了“复兴号”系列动车组。“复兴号”系列动车组3个平台产品中，每个速度级平台下不同车型的车钩缓冲装置技术特征完全相同，不仅可以无障碍地实现相互救援，还可以实现重连运行。同时各平台产品技术高度统一，重联端车钩均为欧式10型车钩，电气车钩统一为上置式196芯大容量电气车钩，CR400型动车组和CR300型动车组平台相同端面的缓冲器相同，且参数一致，仅在压溃管配置上有所区别。另外“复兴号”系列动车组钩缓装置完全由国内企业自主设计和生产。

CR400型动车组前端全自动钩缓装置主要由机械车钩、电气车钩、后置式压溃装置、安装吊挂装置和缓冲器组成(图6)，采用100 mm长行程气液缓冲器、600 mm长行程压溃管、上置式电气车钩，电气车钩动作可在车上单独控制。表5 为“复兴号”平台动车组钩缓装置配置。

图6 CR400型动车组前端全自动钩缓装置

表5 “复兴号”平台动车组钩缓装置配置

2 设计理念

由于动车组均设有流线型的前端开闭机构，同时，为提高其被动碰撞安全防护能力，部分车型车端还设有防爬吸能装置，车钩缓冲装置、防爬吸能装置和前端开闭机构组成了有机的整体，在设计阶段不仅要系统考虑车端能量分配及动作顺序，还需全面考虑其运动和空间的关系。因此，钩缓装置遵循了车端部件协同设计理念(图7)，即在设计阶段车钩、前端开闭机构、防爬器和主吸能结构同步进行协同交互设计，未来将发展成为列车前端一体化设计，可对列车前端系统进行运动关系和位置关系校核，以提高设计的科学性和准确性[7]。

图7 车端部件协同设计理念

3 碰撞试验及仿真分析

3.1 实车碰撞试验

针对列车碰撞设计了3个阶段的碰撞吸能分配：列车发生碰撞时，其前端开闭机构碎裂，前端车钩连挂，车钩上的缓冲器、压溃管等吸能机构受到撞击后发生动作，完成列车的第一级吸能；当碰撞产生的能量高于车钩的吸收能力时，主吸能结构触发并与车钩一同变形后退，完成第二级吸能；若碰撞没有结束，碰撞界面后退至防爬器端面时，防爬器被触发变形并与主吸能结构一同后退，完成第三级吸能。该设计提高了列车碰撞时能量吸收能力和效率，降低了列车爬车或脱轨的风险，大大提高了列车的安全性。图8为针对动车组列车前端系统进行的实车碰撞试验[8]。

图8 动车组列车实车碰撞试验

试验由一列动车组列车以36 km/h的速度与另一列相同动车组的前端系统发生碰撞。试验结果显示，列车前端开闭机构发生碎裂，两侧车钩连挂并发生变形后退，主吸能结构与防爬器发生变形后退。碰撞过程中所产生的总能量E利用动量定理计算，即：

(1)

式中：m——冲击列车质量；

v——冲击列车速度。

前端系统吸能结构吸收的能量EK根据动能定理计算，即：

(2)

式中：F——被冲击车受力；

S——变形位移。

选取动车组碰撞试验前2 s试验结果对其能量变化进行分析。分析结果显示，在碰撞过程中，列车碰撞产生的总能量保持不变，总动能不断降低，总内能不断增加，如图9所示。总内能主要包括：前端开闭机构、车钩、防爬器、主吸能结构等吸能结构吸收的能量。随着碰撞过程的深入，在某个时间点总内能超过总动能，总动能为0时整个碰撞过程结束。列车的耐碰撞性能主要取决于列车前端吸能机构的能量吸收能力，如果吸能机构的能量吸收能力大于发生碰撞时产生的总内能，表明列车的耐撞性良好，列车上乘客的安全性高。

图9 碰撞试验能量变化图

3.2 仿真分析

随着我国对动车组技术的深度掌握和计算能力的提升，针对动车组的被动安全性能，部分车型在设计阶段就参考国内外行业标准、结合我国实际情况设置碰撞场景，通过理论计算系统地对整列车能量吸收能力进行分配[9]。而车钩缓冲装置作为整车碰撞时最早参与能量吸收的部件，其缓冲器和压溃管参数的选择尤为关键，国内钩缓装置生产企业设计开发了列车纵向动力学计算软件，利用列车纵向动力学计算软件进行一体化协同仿真得到每个端面车钩能量吸收参数的配置，为科学配置列车级能量吸收提供了理论支撑。计算时，对列车参数、车钩参数以及防爬器参数进行配置，可通过列车纵向动力学计算软件计算出列车各个断面的车钩力，并与其设计值进行对比，以判断列车是否发生断裂[10]。图10为钩缓系统列车级能量吸收仿真结果。图10可见，设置相应参数后，通过列车纵向动力学计算软件计算出最大车钩力为623 kN，可将最大车钩力与设计的车钩力进行对比分析，判断车钩是否发生断裂。

图10 钩缓系统列车级能量吸收及仿真结果

4 结论与展望

从我国动车组发展历程来看，动车组钩缓技术将把连挂接口统一为欧式10型车钩，车钩高度统一为1 000 mm，电气车钩统一为196芯，缓冲器统一为气液缓冲器，且同平台动车组其参数也有统一的趋势。“复兴号”动车组研制成功后，时速350 km、250 km和160 km动力集中动车组钩缓装置产品显现出明显的平台特征，即“复兴号”动车组平台下全自动钩缓装置技术非常接近，且同速度级平台、不同厂家生产的动车组可以互联互通，重联运行。

智能化是将来技术发展的方向，基于故障预判和大数据管理的智能化钩缓装置能显著提高高速动车组车钩缓冲装置的技术水平。随着电子技术的快速发展，以高带宽、低延时等高速传输技术，高精度、小型化传感器，实时监控为基础的钩缓装置智能化和健康管理将成为技术发展的方向之一。同时，钩缓装置的发展离不开装备技术的进步，研究能够高效模拟实车运行的新试验装备，能够促进钩缓技术的进步，为钩缓行业注入新的发展契机。列车前端一体化设计将提高设计的科学性和准确性，同时也将缩短列车的设计周期。目前国内的各大厂家正在投入试点一体化设计，未来一段时间内，列车前端一体化的设计方式将被广泛推广、应用。

总之，近年来由于以标准动车组为代表的技术研发和多年的技术积累，通过技术创新，自主开发研制的

钩缓装置产品全面覆盖高速动车组、城市轨道交通车辆、干线机客车，其性能和寿命均达到了国外同行的水平。国内动车组钩缓技术将朝着简统化、平台化、谱系化、数据互联和智能化方向发展。