城市軌道交通線路終端防護(hù)設(shè)備—DDCQ2 型滑移式緩沖擋車器

　　摘　要　在城市快速軌道交通線路終端設(shè)置防護(hù)設(shè)備鐵車輛要求設(shè)計(jì)的,對(duì)城市軌道交通的車輛不適是十分必要的。本文介紹了新型的滑移式緩沖擋車器的設(shè)用。在上海市軌道交通明珠線工程設(shè)計(jì)和建設(shè)實(shí)計(jì)技術(shù)條件及新的設(shè)計(jì)方案,研究了擋車器的制動(dòng)力及軌踐中,上海鐵路局站場(chǎng)調(diào)速技術(shù)發(fā)展中心聯(lián)合上海道車輛在撞擊擋車器瞬間的撞擊力,討論了擋車器是否會(huì)市軌道交通明珠線工程建設(shè)指揮部等單位,共同研損壞軌道車輛等問(wèn)題。
關(guān)鍵詞　軌道交通,線路防護(hù),擋車器究開發(fā)出城市快速軌道交通線路終端防護(hù)設(shè)備
DDCQ2 型滑移式緩沖擋車器(圖1) 。該設(shè)備在我國(guó)國(guó)鐵站場(chǎng)的線路終端,大多采用滑移式于1999 年初通過(guò)上海鐵路局鑒定,并已批量生產(chǎn), 擋車器作為防護(hù)設(shè)備。然而,滑移式擋車器是按國(guó)安裝于上海市軌道交通明珠線各線路終端。

圖1 　DDCQ2 型滑移式緩沖擋車器
車混編的動(dòng)車組,每列編組為6～8 輛。以上海市1 　設(shè)置軌道交通線路終端防護(hù)設(shè)備的必要軌道交通明珠線為例,車輛自重動(dòng)車為38 t ,拖車性為32 t ,最高運(yùn)行速度為80 km/ h ,起動(dòng)平均加速度為0. 9 m/ s2 ,常用平均減速度1. 0 m/ s2 ,緊急制動(dòng)平　　城市軌道交通車輛一般均為直流牽引,動(dòng)、拖均減速度為1. 3 m/s2 。雖然軌道交通車輛一般均安裝有先進(jìn)的列車自動(dòng)控制系統(tǒng)(ATC) ,其中包括列車自動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)(ATP) 、列車自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)(ATS) 、列車自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)(ATO) 等,但是若遇操縱不當(dāng)?shù)纫馔馇闆r,軌道交通車輛仍難保不發(fā)生失控。在北京、上海地鐵的調(diào)車作業(yè)中,過(guò)去均曾發(fā)生過(guò)列車失控、撞擊車擋而損壞車輛的事故。因此在軌道交通線路的終端,設(shè)置終端防護(hù)設(shè)備是十分必要的。
2 　線路終端防護(hù)設(shè)備的技術(shù)條件
(1) 列車重量按運(yùn)營(yíng)時(shí)的實(shí)際編組輛數(shù)考慮。則6 輛空車編組(四動(dòng)二拖),整列車總重216 t 。
(2) 失控時(shí)的車速按15 km/h 計(jì)算。這是綜合考慮到緊急制動(dòng)時(shí)的減速度及調(diào)車速度的控制,并參考上海地鐵1 號(hào)線調(diào)試時(shí)曾發(fā)生失控事故時(shí)的車速等因素研究確定的。
(3) 按照安裝ATC 信號(hào)設(shè)備的要求,在線路有效長(zhǎng)范圍之后,需留信號(hào)安全區(qū)至少為24. 5 m , 然后再設(shè)置滑移式緩沖擋車器的布置區(qū)。圖2 為DDCQ2 型滑移式緩沖擋車器在上海市軌道交通明珠線高架橋上的布置圖。

圖2 　DDCQ2 型滑移式緩沖擋車器在上海市軌道交通明珠線高架橋上的布置示意圖
　　滑移式緩沖擋車器布置區(qū)的長(zhǎng)度一般在20 m 左右為宜,有條件的區(qū)段可適當(dāng)延長(zhǎng)。若人為放大滑移緩沖擋車器布置區(qū)的長(zhǎng)度,則會(huì)因隧道內(nèi)或高架橋上線路長(zhǎng)度的增加,而大大提高橋隧的綜合造價(jià)。
(4) 由于地鐵車輛車鉤高度與國(guó)鐵車輛不同, 所以滑移式緩沖擋車器的撞擊座中心距軌面高度亦必然要作相應(yīng)調(diào)整。DDCQ2 型滑移式緩沖擋車器以上海地鐵及軌道交通明珠線的進(jìn)口車輛為設(shè)計(jì)依據(jù),撞擊座中心距軌面高度定為720 mm 。
(5) 設(shè)備要求為無(wú)能源,既不影響正常作業(yè),且又要求技術(shù)先進(jìn)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于安裝和養(yǎng)護(hù)。

3 　DDCQ2 型滑移式緩沖擋車器設(shè)計(jì)參數(shù)的確定
　　根據(jù)上述技術(shù)條件要求,采用DDCQ2 型滑移式緩沖擋車器,依靠其制動(dòng)軌卡與鋼軌的摩擦阻力,是可以消耗失控車輛的慣性動(dòng)能的。該擋車器的制動(dòng)軌卡共設(shè)4 對(duì)。擋車器的制動(dòng)力是逐級(jí)遞增的,當(dāng)其滑移330 mm 后,制動(dòng)力達(dá)到額定值。
滑移式緩沖擋車器設(shè)計(jì)制動(dòng)力按下式計(jì)算(6 輛車編組時(shí)): F ≥ W/ s 式中: F 為擋車器所必備的平均制動(dòng)力; s 為擋車器的推薦滑移距離, s = 20 m 。其中: W 為失控車輛的慣性動(dòng)能, W = mv 2/ 2 ; m 為失控車輛的總重, m = 216 ×103 kg ; v 為失控車輛的計(jì)算速度, v = 15 km/h = (15/ 3. 6) m/ s , 則W= 1875 kJ 。故　　F ≥93. 75 kN
確定DDCQ2 型滑移式緩沖擋車器設(shè)計(jì)制動(dòng)力,還要充分考慮諸如失控車輛的速度不確定性、車重的增加, 高架橋失控車輛事故的嚴(yán)重性及自然氣候的變化( 風(fēng)、雨、雪) 等不利因素, 同時(shí)兼顧軌道扣件的抗拔能力、地鐵車輛的抗撞擊強(qiáng)度及擋車器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等許可條件。故擋車器設(shè)計(jì)制動(dòng)力按下式計(jì)算:
F設(shè)= n F 式中n 為滑移式緩沖擋車器的安全系數(shù)。取n ≥2 。結(jié)合前式計(jì)算結(jié)果, 可取F設(shè)= 200 kN 。
4 　DDCQ2 型滑移式緩沖擋車器的關(guān)鍵設(shè)計(jì)
(1) 制動(dòng)軌卡的合理設(shè)置
該擋車器的制動(dòng)軌卡的設(shè)置有著與眾不同的特點(diǎn)。國(guó)鐵上使用的擋車器的多對(duì)制動(dòng)軌卡,均設(shè)置在滑移式擋車器之后。它的缺點(diǎn)是明顯加長(zhǎng)了設(shè)備本身的長(zhǎng)度,即多占用了線路長(zhǎng)度,而且存在諸如失控車輛在制停前上抬、軌道道釘拔松、擋車器主結(jié)構(gòu)受力不合理等弊病。DDCQ2 型擋車器則將兩對(duì)制動(dòng)軌卡設(shè)置在主結(jié)構(gòu)的中間部分,而在擋車器之后僅設(shè)置一對(duì)制動(dòng)軌卡。這樣不但克服了以往擋車器存在的一些不足,而且使列車制動(dòng)更平穩(wěn)、更有效。
(2) 滑移式緩沖擋車器的車鉤對(duì)中導(dǎo)向裝置
地鐵車輛車鉤采用德國(guó)Scharfenberg 的密接式車鉤,其橫向最大擺動(dòng)角度為±40°,垂向最大擺動(dòng)角度為±5°,為防止車鉤在與擋車器接觸的瞬間側(cè)偏,而造成車鉤或車架損壞以及擋車器承受很不利的側(cè)向載荷,DDCQ2 型滑移式緩沖擋車器撞擊座的兩側(cè)設(shè)有車鉤導(dǎo)入、限位裝置,下側(cè)設(shè)有車鉤導(dǎo)向桿。這樣將大大提高車鉤與擋車器撞擊座結(jié)合的準(zhǔn)確性。
(3) 制動(dòng)軌卡鎖緊螺栓預(yù)緊力矩的確定
在設(shè)計(jì)DDCQ2 型滑移式緩沖擋車器初期,就為如何量化制動(dòng)軌卡鎖緊螺栓預(yù)緊力矩值、確保擋車器的平均制動(dòng)力≥200 kN , 作了認(rèn)真、科學(xué)地計(jì)算;并在以后數(shù)十次擋車器的性能測(cè)試中反復(fù)驗(yàn)證、調(diào)整。最終確定制動(dòng)軌卡鎖緊螺栓預(yù)緊力矩值為3000+ 30 N·m。此后經(jīng)246 t 重車數(shù)次撞擊試驗(yàn)(最高速度19. 35 km/ h 、滑移距離16. 82 m) ,再次證實(shí)了DDCQ2 型滑移式緩沖擋車器的平均制動(dòng)力≥ 200 kN 是有保證的。
5 　DDCQ2 型滑移式緩沖擋車器的綜合測(cè)試
(1) 動(dòng)態(tài)性能試驗(yàn)
由于軌道交通車輛的造價(jià)昂貴,因此當(dāng)列車失控以15 km/ h 的速度撞擊擋車器,其最大撞擊力究竟有多大、最大撞擊力是否發(fā)生在車鉤與擋車器接觸的瞬間、是否會(huì)因此而造成車輛的破損等,這些問(wèn)題是研究開發(fā)擋車器所必須認(rèn)真對(duì)待的。
在研究擋車中順的設(shè)計(jì)方案之初,曾設(shè)想在擋車器上安裝一種OLEO 液壓緩沖器來(lái)緩和列車車鉤與擋車器相撞時(shí)的撞擊力。液壓緩沖器可以大量吸收撞擊能量,而不使車輛受到損傷。但此種設(shè)備造價(jià)昂貴,日常養(yǎng)護(hù)維修困難,因此就必須論證是否非裝不可的問(wèn)題。同時(shí)必須研究軌道交通車輛的結(jié)構(gòu),考證其能承受撞擊力的能力。
以上海地鐵的進(jìn)口車輛為例, 其車鉤緩沖器(即牽引桿) 系雙向作用環(huán)簧結(jié)構(gòu),車鉤允許的壓縮強(qiáng)度為1 200 kN 。它可吸收撞擊能量而大大緩解列車的縱向沖擊力。
在研制擋車器的初期,我們利用現(xiàn)有的調(diào)速設(shè)備測(cè)試專用線(線長(zhǎng)216 m) 及車輛(車重36. 8 t) , 作了大量的車輛撞擊試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí),在測(cè)試專用線路上設(shè)置一對(duì)測(cè)速光電開關(guān),在擋車器的撞擊部位安裝一臺(tái)壓力傳感器(50 t) ,測(cè)速信號(hào)與傳感器的壓力信號(hào)(通過(guò)應(yīng)變儀) 由計(jì)算機(jī)測(cè)試記錄,并得出計(jì)算結(jié)果。
共進(jìn)行了32 次車輛動(dòng)態(tài)撞擊試驗(yàn),車速?gòu)?1 km/ h 至23 km/ h 。從測(cè)試結(jié)果可知(見圖3) ,由于車輛與擋車器相撞瞬間的撞擊力及擋車器從靜止轉(zhuǎn)向滑移的慣性阻力較大,所以初始制動(dòng)力(靜摩擦力) 可達(dá)100～150 kN , 較擋車器滑移初期的制動(dòng)力大。擋車器滑移初期,由于只有一對(duì)制動(dòng)軌卡工作,其制動(dòng)力較小,一般只有80 kN 左右。隨著其余3 對(duì)制動(dòng)軌卡逐一投入工作,其制動(dòng)力不斷攀升直至≥200 kN , 且維持至車輛被止停前。擋車器滑移距離的長(zhǎng)短及平均制動(dòng)力維持時(shí)間的多少均與車輛的自重、車速成正比。擋車器的最大制動(dòng)力出現(xiàn)在車輛被止停前的最后一刻, 其數(shù)值接近580 kN 。

圖3 　DDCQ2 型滑移式緩沖擋車器動(dòng)態(tài)撞擊力特性曲線

通過(guò)數(shù)十次的車輛動(dòng)態(tài)撞擊試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析, 發(fā)現(xiàn)擋車器的初始制動(dòng)力與撞擊車輛的自重、車速的大小成正比,但差距不大,遠(yuǎn)小于其平均制動(dòng)力。擋車器的平均制動(dòng)力與最大制動(dòng)力受撞擊車輛的自重、車速大小的影響卻很小,且較穩(wěn)定,均大大小于車鉤允許承受的壓縮強(qiáng)度。
(2) 重車制動(dòng)試驗(yàn)
DDCQ2 型滑移式緩沖擋車器經(jīng)動(dòng)態(tài)性能試驗(yàn)及測(cè)試數(shù)據(jù)的理論換算,其制動(dòng)能力完全能達(dá)到所確定的F設(shè)= 200 kN 的設(shè)計(jì)要求,滿足使用技術(shù)條件。但由于上海市交通明珠線是高架運(yùn)營(yíng)線路,如何確保其軌道車輛的安全運(yùn)行,是研制、開發(fā)擋車器所必須重視的大問(wèn)題。直接按照使用技術(shù)條件, 采用重車組及現(xiàn)有鐵路線對(duì)擋車器的制動(dòng)性能、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以及撞擊車輛的受損情況,進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)重車制動(dòng)試驗(yàn),是驗(yàn)證擋車器綜合技術(shù)指標(biāo)的最可靠的方法。
2000 年6 月1 日,在上海市軌道交通明珠線石龍路停車場(chǎng)對(duì)DDCQ2 型滑移式緩沖擋車器進(jìn)行了重車組制動(dòng)試驗(yàn)。重車組由3 輛片自重22 t 、載重60 t 道碴的貨車組成,車重總計(jì)246 t 。試驗(yàn)線路為60 kg/m 型鋼軌、平坡、直線段。前后重車溜放、撞擊試驗(yàn)共進(jìn)行了7 次,速度從2 km/ h 至19. 36 km/ h 。結(jié)果表明,擋車器均能將重車組止停于規(guī)定距離內(nèi),且保持車輛與擋車器完好。其中最高一次車速為19. 36 km/ h 、擋車器滑移16. 82 m , 擋車器實(shí)際平均制動(dòng)力高達(dá)211 kN , 比使用技術(shù)條件要求( v = 15 km/ h 、m = 216 t 、s = 20 m) 的F = 93. 75 kN 提高了2. 25 倍,實(shí)際總制動(dòng)能量為3 557 kJ , 比使用技術(shù)條件要求的W = 1 875 kJ 提高了1. 9 倍。該擋車器現(xiàn)已被上海市軌道交通明珠線工程建設(shè)指揮部批準(zhǔn)為指定產(chǎn)品,并已批量安裝于明珠線的各線路終端。