城市軌道交通線路終端防護設備—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置防護設備鐵車輛要求設計的,對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用。在上海市軌道交通明珠線工程設計和建設實計技術條件及新的設計方案,研究了擋車器的制動力及軌踐中,上海鐵路局站場調速技術發展中心聯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市軌道交通明珠線工程建設指揮部等單位,共同研損壞軌道車輛等問題。
關鍵詞　軌道交通,線路防護,擋車器究開發出城市快速軌道交通線路終端防護設備
DDCQ2 型滑移式緩沖擋車器(圖1) 。該設備在我國國鐵站場的線路終端,大多采用滑移式于1999 年初通過上海鐵路局鑒定,并已批量生產, 擋車器作為防護設備。然而,滑移式擋車器是按國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
車混編的動車組,每列編組為6～8 輛。以上海市1 　設置軌道交通線路終端防護設備的必要軌道交通明珠線為例,車輛自重動車為38 t ,拖車性為32 t ,最高運行速度為80 km/ h ,起動平均加速度為0. 9 m/ s2 ,常用平均減速度1. 0 m/ s2 ,緊急制動平　　城市軌道交通車輛一般均為直流牽引,動、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的列車自動控制系統(ATC) ,其中包括列車自動防護系統(ATP) 、列車自動監控系統(ATS) 、列車自動運行系統(ATO) 等,但是若遇操縱不當等意外情況,軌道交通車輛仍難保不發生失控。在北京、上海地鐵的調車作業中,過去均曾發生過列車失控、撞擊車擋而損壞車輛的事故。因此在軌道交通線路的終端,設置終端防護設備是十分必要的。
2 　線路終端防護設備的技術條件
(1) 列車重量按運營時的實際編組輛數考慮。則6 輛空車編組(四動二拖),整列車總重216 t 。
(2) 失控時的車速按15 km/h 計算。這是綜合考慮到緊急制動時的減速度及調車速度的控制,并參考上海地鐵1 號線調試時曾發生失控事故時的車速等因素研究確定的。
(3) 按照安裝ATC 信號設備的要求,在線路有效長范圍之后,需留信號安全區至少為24. 5 m , 然后再設置滑移式緩沖擋車器的布置區。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的長度一般在20 m 左右為宜,有條件的區段可適當延長。若人為放大滑移緩沖擋車器布置區的長度,則會因隧道內或高架橋上線路長度的增加,而大大提高橋隧的綜合造價。
(4) 由于地鐵車輛車鉤高度與國鐵車輛不同, 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調整。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口車輛為設計依據,撞擊座中心距軌面高度定為720 mm 。
(5) 設備要求為無能源,既不影響正常作業,且又要求技術先進、結構簡單、便于安裝和養護。

3 　DDCQ2 型滑移式緩沖擋車器設計參數的確定
　　根據上述技術條件要求,采用DDCQ2 型滑移式緩沖擋車器,依靠其制動軌卡與鋼軌的摩擦阻力,是可以消耗失控車輛的慣性動能的。該擋車器的制動軌卡共設4 對。擋車器的制動力是逐級遞增的,當其滑移330 mm 后,制動力達到額定值。
滑移式緩沖擋車器設計制動力按下式計算(6 輛車編組時): F ≥ W/ s 式中: F 為擋車器所必備的平均制動力; 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計制動力,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重性及自然氣候的變化( 風、雨、雪) 等不利因素, 同時兼顧軌道扣件的抗拔能力、地鐵車輛的抗撞擊強度及擋車器結構強度等許可條件。故擋車器設計制動力按下式計算:
F設= n F 式中n 為滑移式緩沖擋車器的安全系數。取n ≥2 。結合前式計算結果, 可取F設= 200 kN 。
4 　DDCQ2 型滑移式緩沖擋車器的關鍵設計
(1) 制動軌卡的合理設置
該擋車器的制動軌卡的設置有著與眾不同的特點。國鐵上使用的擋車器的多對制動軌卡,均設置在滑移式擋車器之后。它的缺點是明顯加長了設備本身的長度,即多占用了線路長度,而且存在諸如失控車輛在制停前上抬、軌道道釘拔松、擋車器主結構受力不合理等弊病。DDCQ2 型擋車器則將兩對制動軌卡設置在主結構的中間部分,而在擋車器之后僅設置一對制動軌卡。這樣不但克服了以往擋車器存在的一些不足,而且使列車制動更平穩、更有效。
(2) 滑移式緩沖擋車器的車鉤對中導向裝置
地鐵車輛車鉤采用德國Scharfenberg 的密接式車鉤,其橫向最大擺動角度為±40°,垂向最大擺動角度為±5°,為防止車鉤在與擋車器接觸的瞬間側偏,而造成車鉤或車架損壞以及擋車器承受很不利的側向載荷,DDCQ2 型滑移式緩沖擋車器撞擊座的兩側設有車鉤導入、限位裝置,下側設有車鉤導向桿。這樣將大大提高車鉤與擋車器撞擊座結合的準確性。
(3) 制動軌卡鎖緊螺栓預緊力矩的確定
在設計DDCQ2 型滑移式緩沖擋車器初期,就為如何量化制動軌卡鎖緊螺栓預緊力矩值、確保擋車器的平均制動力≥200 kN , 作了認真、科學地計算;并在以后數十次擋車器的性能測試中反復驗證、調整。最終確定制動軌卡鎖緊螺栓預緊力矩值為3000+ 30 N·m。此后經246 t 重車數次撞擊試驗(最高速度19. 35 km/ h 、滑移距離16. 82 m) ,再次證實了DDCQ2 型滑移式緩沖擋車器的平均制動力≥ 200 kN 是有保證的。
5 　DDCQ2 型滑移式緩沖擋車器的綜合測試
(1) 動態性能試驗
由于軌道交通車輛的造價昂貴,因此當列車失控以15 km/ h 的速度撞擊擋車器,其最大撞擊力究竟有多大、最大撞擊力是否發生在車鉤與擋車器接觸的瞬間、是否會因此而造成車輛的破損等,這些問題是研究開發擋車器所必須認真對待的。
在研究擋車中順的設計方案之初,曾設想在擋車器上安裝一種OLEO 液壓緩沖器來緩和列車車鉤與擋車器相撞時的撞擊力。液壓緩沖器可以大量吸收撞擊能量,而不使車輛受到損傷。但此種設備造價昂貴,日常養護維修困難,因此就必須論證是否非裝不可的問題。同時必須研究軌道交通車輛的結構,考證其能承受撞擊力的能力。
以上海地鐵的進口車輛為例, 其車鉤緩沖器(即牽引桿) 系雙向作用環簧結構,車鉤允許的壓縮強度為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,我們利用現有的調速設備測試專用線(線長216 m) 及車輛(車重36. 8 t) , 作了大量的車輛撞擊試驗。試驗時,在測試專用線路上設置一對測速光電開關,在擋車器的撞擊部位安裝一臺壓力傳感器(50 t) ,測速信號與傳感器的壓力信號(通過應變儀) 由計算機測試記錄,并得出計算結果。
共進行了32 次車輛動態撞擊試驗,車速從11 km/ h 至23 km/ h 。從測試結果可知(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向滑移的慣性阻力較大,所以初始制動力(靜摩擦力) 可達100～150 kN , 較擋車器滑移初期的制動力大。擋車器滑移初期,由于只有一對制動軌卡工作,其制動力較小,一般只有80 kN 左右。隨著其余3 對制動軌卡逐一投入工作,其制動力不斷攀升直至≥200 kN , 且維持至車輛被止停前。擋車器滑移距離的長短及平均制動力維持時間的多少均與車輛的自重、車速成正比。擋車器的最大制動力出現在車輛被止停前的最后一刻, 其數值接近580 kN 。

圖3 　DDCQ2 型滑移式緩沖擋車器動態撞擊力特性曲線

通過數十次的車輛動態撞擊試驗及數據分析, 發現擋車器的初始制動力與撞擊車輛的自重、車速的大小成正比,但差距不大,遠小于其平均制動力。擋車器的平均制動力與最大制動力受撞擊車輛的自重、車速大小的影響卻很小,且較穩定,均大大小于車鉤允許承受的壓縮強度。
(2) 重車制動試驗
DDCQ2 型滑移式緩沖擋車器經動態性能試驗及測試數據的理論換算,其制動能力完全能達到所確定的F設= 200 kN 的設計要求,滿足使用技術條件。但由于上海市交通明珠線是高架運營線路,如何確保其軌道車輛的安全運行,是研制、開發擋車器所必須重視的大問題。直接按照使用技術條件, 采用重車組及現有鐵路線對擋車器的制動性能、結構強度以及撞擊車輛的受損情況,進行現場重車制動試驗,是驗證擋車器綜合技術指標的最可靠的方法。
2000 年6 月1 日,在上海市軌道交通明珠線石龍路停車場對DDCQ2 型滑移式緩沖擋車器進行了重車組制動試驗。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246 t 。試驗線路為60 kg/m 型鋼軌、平坡、直線段。前后重車溜放、撞擊試驗共進行了7 次,速度從2 km/ h 至19. 36 km/ h 。結果表明,擋車器均能將重車組止停于規定距離內,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 , 擋車器實際平均制動力高達211 kN , 比使用技術條件要求( v = 15 km/ h 、m = 216 t 、s = 20 m) 的F = 93. 75 kN 提高了2. 25 倍,實際總制動能量為3 557 kJ , 比使用技術條件要求的W = 1 875 kJ 提高了1. 9 倍。該擋車器現已被上海市軌道交通明珠線工程建設指揮部批準為指定產品,并已批量安裝于明珠線的各線路終端。