城市轨道交通线路终端防护设备—DDCQ2 型滑移式缓冲挡车器
摘 要 在城市快速轨道交通线路终端设置防护设备铁车辆要求设计的,对城市轨道交通的车辆不适是十分必要的。本文介绍了新型的滑移式缓冲挡车器的设用。在上海市轨道交通明珠线工程设计和建设实计技术条件及新的设计方案,研究了挡车器的制动力及轨践中,上海铁路局站场调速技术发展中心联合上海道车辆在撞击挡车器瞬间的撞击力,讨论了挡车器是否会市轨道交通明珠线工程建设指挥部等单位,共同研损坏轨道车辆等问题。
关键词 轨道交通,线路防护,挡车器究开发出城市快速轨道交通线路终端防护设备
DDCQ2 型滑移式缓冲挡车器(图1) 。该设备在我国国铁站场的线路终端,大多采用滑移式于1999 年初通过上海铁路局鉴定,并已批量生产, 挡车器作为防护设备。然而,滑移式挡车器是按国安装于上海市轨道交通明珠线各线路终端。
图1 DDCQ2 型滑移式缓冲挡车器
车混编的动车组,每列编组为6～8 辆。以上海市1 设置轨道交通线路终端防护设备的必要轨道交通明珠线为例,车辆自重动车为38 t ,拖车性为32 t ,最高运行速度为80 km/ h ,起动平均加速度为0. 9 m/ s2 ,常用平均减速度1. 0 m/ s2 ,紧急制动平 城市轨道交通车辆一般均为直流牵引,动、拖均减速度为1. 3 m/s2 。虽然轨道交通车辆一般均安装有先进的列车自动控制系统(ATC) ,其中包括列车自动防护系统(ATP) 、列车自动监控系统(ATS) 、列车自动运行系统(ATO) 等,但是若遇操纵不当等意外情况,轨道交通车辆仍难保不发生失控。在北京、上海地铁的调车作业中,过去均曾发生过列车失控、撞击车挡而损坏车辆的事故。因此在轨道交通线路的终端,设置终端防护设备是十分必要的。
2 线路终端防护设备的技术条件
(1) 列车重量按运营时的实际编组辆数考虑。则6 辆空车编组(四动二拖),整列车总重216 t 。
(2) 失控时的车速按15 km/h 计算。这是综合考虑到紧急制动时的减速度及调车速度的控制,并参考上海地铁1 号线调试时曾发生失控事故时的车速等因素研究确定的。
(3) 按照安装ATC 信号设备的要求,在线路有效长范围之后,需留信号安全区至少为24. 5 m , 然后再设置滑移式缓冲挡车器的布置区。图2 为DDCQ2 型滑移式缓冲挡车器在上海市轨道交通明珠线高架桥上的布置图。
图2 DDCQ2 型滑移式缓冲挡车器在上海市轨道交通明珠线高架桥上的布置示意图
滑移式缓冲挡车器布置区的长度一般在20 m 左右为宜,有条件的区段可适当延长。若人为放大滑移缓冲挡车器布置区的长度,则会因隧道内或高架桥上线路长度的增加,而大大提高桥隧的综合造价。
(4) 由于地铁车辆车钩高度与国铁车辆不同, 所以滑移式缓冲挡车器的撞击座中心距轨面高度亦必然要作相应调整。DDCQ2 型滑移式缓冲挡车器以上海地铁及轨道交通明珠线的进口车辆为设计依据,撞击座中心距轨面高度定为720 mm 。
(5) 设备要求为无能源,既不影响正常作业,且又要求技术先进、结构简单、便于安装和养护。
3 DDCQ2 型滑移式缓冲挡车器设计参数的确定
根据上述技术条件要求,采用DDCQ2 型滑移式缓冲挡车器,依靠其制动轨卡与钢轨的摩擦阻力,是可以消耗失控车辆的惯性动能的。该挡车器的制动轨卡共设4 对。挡车器的制动力是逐级递增的,当其滑移330 mm 后,制动力达到额定值。
滑移式缓冲挡车器设计制动力按下式计算(6 辆车编组时): F ≥ W/ s 式中: F 为挡车器所必备的平均制动力; s 为挡车器的推荐滑移距离, s = 20 m 。其中: W 为失控车辆的惯性动能, W = mv 2/ 2 ; m 为失控车辆的总重, m = 216 ×103 kg ; v 为失控车辆的计算速度, v = 15 km/h = (15/ 3. 6) m/ s , 则W= 1875 kJ 。故 F ≥93. 75 kN
确定DDCQ2 型滑移式缓冲挡车器设计制动力,还要充分考虑诸如失控车辆的速度不确定性、车重的增加, 高架桥失控车辆事故的严重性及自然气候的变化( 风、雨、雪) 等不利因素, 同时兼顾轨道扣件的抗拔能力、地铁车辆的抗撞击强度及挡车器结构强度等许可条件。故挡车器设计制动力按下式计算:
F设= n F 式中n 为滑移式缓冲挡车器的安全系数。取n ≥2 。结合前式计算结果, 可取F设= 200 kN 。
4 DDCQ2 型滑移式缓冲挡车器的关键设计
(1) 制动轨卡的合理设置
该挡车器的制动轨卡的设置有着与众不同的特点。国铁上使用的挡车器的多对制动轨卡,均设置在滑移式挡车器之后。它的缺点是明显加长了设备本身的长度,即多占用了线路长度,而且存在诸如失控车辆在制停前上抬、轨道道钉拔松、挡车器主结构受力不合理等弊病。DDCQ2 型挡车器则将两对制动轨卡设置在主结构的中间部分,而在挡车器之后仅设置一对制动轨卡。这样不但克服了以往挡车器存在的一些不足,而且使列车制动更平稳、更有效。
(2) 滑移式缓冲挡车器的车钩对中导向装置
地铁车辆车钩采用德国Scharfenberg 的密接式车钩,其横向最大摆动角度为±40°,垂向最大摆动角度为±5°,为防止车钩在与挡车器接触的瞬间侧偏,而造成车钩或车架损坏以及挡车器承受很不利的侧向载荷,DDCQ2 型滑移式缓冲挡车器撞击座的两侧设有车钩导入、限位装置,下侧设有车钩导向杆。这样将大大提高车钩与挡车器撞击座结合的准确性。
(3) 制动轨卡锁紧螺栓预紧力矩的确定
在设计DDCQ2 型滑移式缓冲挡车器初期,就为如何量化制动轨卡锁紧螺栓预紧力矩值、确保挡车器的平均制动力≥200 kN , 作了认真、科学地计算;并在以后数十次挡车器的性能测试中反复验证、调整。最终确定制动轨卡锁紧螺栓预紧力矩值为3000+ 30 N·m。此后经246 t 重车数次撞击试验(最高速度19. 35 km/ h 、滑移距离16. 82 m) ,再次证实了DDCQ2 型滑移式缓冲挡车器的平均制动力≥ 200 kN 是有保证的。
5 DDCQ2 型滑移式缓冲挡车器的综合测试
(1) 动态性能试验
由于轨道交通车辆的造价昂贵,因此当列车失控以15 km/ h 的速度撞击挡车器,其最大撞击力究竟有多大、最大撞击力是否发生在车钩与挡车器接触的瞬间、是否会因此而造成车辆的破损等,这些问题是研究开发挡车器所必须认真对待的。
在研究挡车中顺的设计方案之初,曾设想在挡车器上安装一种OLEO 液压缓冲器来缓和列车车钩与挡车器相撞时的撞击力。液压缓冲器可以大量吸收撞击能量,而不使车辆受到损伤。但此种设备造价昂贵,日常养护维修困难,因此就必须论证是否非装不可的问题。同时必须研究轨道交通车辆的结构,考证其能承受撞击力的能力。
以上海地铁的进口车辆为例, 其车钩缓冲器(即牵引杆) 系双向作用环簧结构,车钩允许的压缩强度为1 200 kN 。它可吸收撞击能量而大大缓解列车的纵向冲击力。
在研制挡车器的初期,我们利用现有的调速设备测试专用线(线长216 m) 及车辆(车重36. 8 t) , 作了大量的车辆撞击试验。试验时,在测试专用线路上设置一对测速光电开关,在挡车器的撞击部位安装一台压力传感器(50 t) ,测速信号与传感器的压力信号(通过应变仪) 由计算机测试记录,并得出计算结果。
共进行了32 次车辆动态撞击试验,车速从11 km/ h 至23 km/ h 。从测试结果可知(见图3) ,由于车辆与挡车器相撞瞬间的撞击力及挡车器从静止转向滑移的惯性阻力较大,所以初始制动力(静摩擦力) 可达100～150 kN , 较挡车器滑移初期的制动力大。挡车器滑移初期,由于只有一对制动轨卡工作,其制动力较小,一般只有80 kN 左右。随着其余3 对制动轨卡逐一投入工作,其制动力不断攀升直至≥200 kN , 且维持至车辆被止停前。挡车器滑移距离的长短及平均制动力维持时间的多少均与车辆的自重、车速成正比。挡车器的最大制动力出现在车辆被止停前的最后一刻, 其数值接近580 kN 。
图3 DDCQ2 型滑移式缓冲挡车器动态撞击力特性曲线
通过数十次的车辆动态撞击试验及数据分析, 发现挡车器的初始制动力与撞击车辆的自重、车速的大小成正比,但差距不大,远小于其平均制动力。挡车器的平均制动力与最大制动力受撞击车辆的自重、车速大小的影响却很小,且较稳定,均大大小于车钩允许承受的压缩强度。
(2) 重车制动试验
DDCQ2 型滑移式缓冲挡车器经动态性能试验及测试数据的理论换算,其制动能力完全能达到所确定的F设= 200 kN 的设计要求,满足使用技术条件。但由于上海市交通明珠线是高架运营线路,如何确保其轨道车辆的安全运行,是研制、开发挡车器所必须重视的大问题。直接按照使用技术条件, 采用重车组及现有铁路线对挡车器的制动性能、结构强度以及撞击车辆的受损情况,进行现场重车制动试验,是验证挡车器综合技术指标的最可靠的方法。
2000 年6 月1 日,在上海市轨道交通明珠线石龙路停车场对DDCQ2 型滑移式缓冲挡车器进行了重车组制动试验。重车组由3 辆片自重22 t 、载重60 t 道碴的货车组成,车重总计246 t 。试验线路为60 kg/m 型钢轨、平坡、直线段。前后重车溜放、撞击试验共进行了7 次,速度从2 km/ h 至19. 36 km/ h 。结果表明,挡车器均能将重车组止停于规定距离内,且保持车辆与挡车器完好。其中最高一次车速为19. 36 km/ h 、挡车器滑移16. 82 m , 挡车器实际平均制动力高达211 kN , 比使用技术条件要求( v = 15 km/ h 、m = 216 t 、s = 20 m) 的F = 93. 75 kN 提高了2. 25 倍,实际总制动能量为3 557 kJ , 比使用技术条件要求的W = 1 875 kJ 提高了1. 9 倍。该挡车器现已被上海市轨道交通明珠线工程建设指挥部批准为指定产品,并已批量安装于明珠线的各线路终端。
