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摘 要：根据中低速磁浮运输系统中车辆车体强度较低、车端设备布置空间小的特点，设计了一种全自动钩缓装置，在适应中低速磁浮车辆车体结构的同时，实现了车钩自动连接、分解功能及速度为5km/h碰撞的可恢复能量吸收能力。本文详细介绍了全自动钩缓装置的连挂系统、缓冲装置和电气车钩及控制系统等部件的组成及工作原理，对后期项目的钩缓装置设计具有指导意义。
关键词：中低速磁浮车辆 全自动车钩 缓冲装置 电气车钩
中图分类号：U270.34 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2021）05（c）-0057-04
Design of Automatic Coupler and Draft Gear for Medium and Low Speed Maglev Vehicle
LAI Rui WANG Yu HUANG Hao
（CRRC Zhuzhou Locomotive Co.， Ltd.， Zhuzhou， Hunan Province， 412000 China）
Abstract： According to the characteristics of low strength of vehicle body and small layout space of vehicle end equipment in medium and low speed maglev transportation system， a full-automatic coupler and buffer device is designed， which not only adapts to the body structure of medium and low speed maglev vehicle， but also realizes the automatic connection and decomposition function of coupler and the recoverable energy absorption capacity of 5 km / h collision. This paper introduces in detail the composition and working principle of the coupling system， buffer device， electric coupler and control system of the full-automatic coupler and draft gear， which has guiding significance for the design of coupler and draft gear in later projects.
Key Words： Medium and low speed maglev vehicle; Automatic coupler; Buffer device; Electric coupler
中低速磁浮运输系统具有转弯半径小、爬坡能力强、低噪声、无振动等优点，在中等运量交通工具中具有广阔的市场前景[1]。中低速磁浮车辆的钩缓装置作为连接车辆、传递牵引制动力的重要部件，须具有较高的结构强度、可靠的连接性能，并能充分吸收车辆牵引、制动及列车间连挂救援时产生的冲击[2]。
1 钩缓装置设计要求
中低速磁浮车辆的车辆长度较短，且其底架须将大部分空间用于底架设备的布置，导致牵引梁十分靠近车端[3]，车钩长度较短。且中低速磁浮车辆车体强度较低，纵向压缩屈服强度≥350kN，纵向拉伸屈服强度≥280kN，缓冲系统须在低压缩/拉伸力作用时具有较大的可恢复吸能能力。
本文设计的全自动钩缓装置可满足中低速磁浮车辆的下述技术要求：（1）车钩长度短，在地铁B型车基础上缩短300mm以上;（2）可恢复吸能满足一列AW0车辆以5km/h连挂一列AW3车辆;（3）可通过最小平面曲线半径100m的线路。
2 钩缓装置方案概述
2.1 缓冲器布置
本文以三编组中低速磁浮车辆为例说明，在列车两端采用全自动钩缓裝置，车辆与车辆之间采用半永久牵引杆连接，钩缓装置布置如图1所示。
2.2 总体方案
中低速磁浮车辆全自动钩缓装置主要由连挂系统、缓冲装置和安装吊挂系统组成，如图2所示。
全自动钩缓装置的技术特征如下。
（1）采用330钩头的机械连挂系统和电气车钩，可实现机械、电气和气路的自动连接和分解。
（2）缓冲装置采用气液缓冲器，配合EFG2，具有较好的能量吸收性能。可满足一列空载（AW0）车辆以5km/h的速度与一列施加停放制动的超载（AW3）车辆连挂，不损坏车体结构。
（3）车钩长度仅1345mm，远小于地铁B型车的1690mm。
（4）纵向压缩屈服强度≥400kN，纵向拉伸屈服强度≥320kN。
（5）EFG2钩尾座最大水平摆动角度40°，满足车辆过曲线要求。
半永久牵引杆主要由安装吊挂系统、刚性管组成，如图3所示。
半永久牵引杆的技术特征如下。 （1）采用一体式设计，车钩长度仅1180mm。
（2）纵向压缩屈服强度≥400kN，纵向拉伸屈服强度≥320kN。
（3）球型橡胶轴承最大水平摆动角度30°，满足车辆过曲线要求。
3 全自动钩缓装置部件组成
3.1 连挂系统
全自动钩缓装置的连挂系统由机械车钩、风管连接器和电气车钩等组成，可实现两全自动钩缓装置间机械、电气和气路的可靠连接或分解[4]。
3.2 机械车钩
机械车钩采用地铁车辆常用的330型，为同位式机械车钩，如图4所示，其连挂机构具有一个静态位置。在已连挂和已解钩时具有相同的位置状态，钩锁机构只在连挂和解钩的过程中暂态地改变位置状态。
3.3 电气车钩
电气连接器是全自动钩缓装置中执行列车之间电路自动连通和分解的功能模块，如图5所示。随机械车钩的自动连挂和解钩作用，实现两列车电气线路的自动连挂和分离，其具体气动控制原理如图6所示，气动控制组成如表1所示。电气车钩采用直推方式实现连挂，推送元件为双向气缸。
当车钩处于待连挂状态时，电气连接器在气缸推送的作用下，处于回缩状态，电气连接器防雨前盖正常关闭。
当车钩连挂时，首先完成机械车钩的连挂。机械车钩连挂完成后，前部开关（FS）与主轴指示开关（MIS）状态将改变，并设置5/2阀以延迟电气车钩动作时间，确保电气连接在车钩已完成机械连挂后进行。随后气缸将电气连接器向前推出，同时电气连接器防雨前盖打开，电气连接器连挂面紧靠在一起实现连挂。
当车钩分解时，首先进行电气连接器的分解。当UC线路受到压缩时，空气直接进入解钩气缸启动机械解钩次序。随着主轴旋转至一定角度，主轴指示开关（MIS）将改变状态并设置5/2阀以启动气缸收缩电气连接器，电气连接器防雨前盖关闭，然后机械车钩的分解继续进行[5]。
3.4 缓冲装置
气液缓冲器是一个再生冲击能量吸收装置，如图7所示，它具有高压缩冲击能量吸收能力设计[6]，氣液缓冲器结合安装吊挂系统中的EFG2橡胶缓冲器，可以保证在5km/h速度内进行连挂时最大车钩力不超过车体强度，保护车体结构不损坏。
3.5 安装吊挂系统
安装吊挂系统将钩缓装置与车体稳固地连接在一起，传递牵引制动力，并承担了钩缓装置的垂向支撑和回转功能，如图8所示。通过在安装吊挂系统销轴下部设置对中装置，可实现钩缓装置在±15°范围内自动机械对中。
3.6 碰撞能量计算
按照全自动钩缓装置气液缓冲器和EFG2的吸能特性作为输入条件，建立一维纵向碰撞模型计算了一列空载（AW0）车辆以5km/h的速度与一列施加停放制动的超载（AW3）车辆连挂发生碰撞时，车钩力和缓冲器行程变化情况[7]，列车纵向动力学模型如图9所示。
计算结论表明，全自动钩缓装置能够全部吸收一列空载（AW0）车辆以5km/h的速度与一列超载（AW3）车辆连挂碰撞所产生的冲击，最大车钩力340.2kN，如图10所示，未超出车体纵向压缩屈服强度350kN，车体结构不会损坏。
4 结语
本文根据中低速磁浮车辆特点，设计了一种适用于中低速磁浮车辆的全自动钩缓装置，在车钩布置空间局促、车钩长度限制较大的情况下，实现了机械、电气、气路自动连挂和分解的功能，并且可在5km/h速度内列车连挂时有效保护车体，满足了设计需求。
参考文献
[1] 肖飞.中低速磁浮交通的技术经济性分析[J].铁道工程学报，2017（3）：99-105.
[2] 侯本虎，刘青波.地铁列车车钩系统能量配置特性研究与优化[J].大连交通大学学报，2019，40（6）：21-26.
[3] 赵军.中低速磁浮列车车体轻量化设计[D].成都：西南交通大学，2017.
[4] 张静，杨庆龙，孙士俊.常州地铁1号线车辆车钩控制系统研究[J].轨道交通装备与技术，2019（3）：29-30.
[5] 包佳健，钱名鑫，勾洪浩，等.自动旅客运输系统车辆全自动钩缓装置设计[J].城市轨道交通研究，2019，22 （10）：111-114.
[6] 车全伟，许平，王晋乐，等.气液-压溃组合式缓冲装置冲击吸能特性实验研究[J].铁道学报，2020，42 （4）：43-51.
[7] 杨宝柱.城际列车碰撞历程中钩缓装置的作用机理研究[D].成都：西南交通大学，2017.
关键词：中低速磁浮车辆 全自动车钩 缓冲装置 电气车钩
中图分类号：U270.34 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2021）05（c）-0057-04
Design of Automatic Coupler and Draft Gear for Medium and Low Speed Maglev Vehicle
LAI Rui WANG Yu HUANG Hao
（CRRC Zhuzhou Locomotive Co.， Ltd.， Zhuzhou， Hunan Province， 412000 China）
Abstract： According to the characteristics of low strength of vehicle body and small layout space of vehicle end equipment in medium and low speed maglev transportation system， a full-automatic coupler and buffer device is designed， which not only adapts to the body structure of medium and low speed maglev vehicle， but also realizes the automatic connection and decomposition function of coupler and the recoverable energy absorption capacity of 5 km / h collision. This paper introduces in detail the composition and working principle of the coupling system， buffer device， electric coupler and control system of the full-automatic coupler and draft gear， which has guiding significance for the design of coupler and draft gear in later projects.
Key Words： Medium and low speed maglev vehicle; Automatic coupler; Buffer device; Electric coupler
中低速磁浮运输系统具有转弯半径小、爬坡能力强、低噪声、无振动等优点，在中等运量交通工具中具有广阔的市场前景[1]。中低速磁浮车辆的钩缓装置作为连接车辆、传递牵引制动力的重要部件，须具有较高的结构强度、可靠的连接性能，并能充分吸收车辆牵引、制动及列车间连挂救援时产生的冲击[2]。
1 钩缓装置设计要求
中低速磁浮车辆的车辆长度较短，且其底架须将大部分空间用于底架设备的布置，导致牵引梁十分靠近车端[3]，车钩长度较短。且中低速磁浮车辆车体强度较低，纵向压缩屈服强度≥350kN，纵向拉伸屈服强度≥280kN，缓冲系统须在低压缩/拉伸力作用时具有较大的可恢复吸能能力。
本文设计的全自动钩缓装置可满足中低速磁浮车辆的下述技术要求：（1）车钩长度短，在地铁B型车基础上缩短300mm以上;（2）可恢复吸能满足一列AW0车辆以5km/h连挂一列AW3车辆;（3）可通过最小平面曲线半径100m的线路。
2 钩缓装置方案概述
2.1 缓冲器布置
本文以三编组中低速磁浮车辆为例说明，在列车两端采用全自动钩缓裝置，车辆与车辆之间采用半永久牵引杆连接，钩缓装置布置如图1所示。
2.2 总体方案
中低速磁浮车辆全自动钩缓装置主要由连挂系统、缓冲装置和安装吊挂系统组成，如图2所示。
全自动钩缓装置的技术特征如下。
（1）采用330钩头的机械连挂系统和电气车钩，可实现机械、电气和气路的自动连接和分解。
（2）缓冲装置采用气液缓冲器，配合EFG2，具有较好的能量吸收性能。可满足一列空载（AW0）车辆以5km/h的速度与一列施加停放制动的超载（AW3）车辆连挂，不损坏车体结构。
（3）车钩长度仅1345mm，远小于地铁B型车的1690mm。
（4）纵向压缩屈服强度≥400kN，纵向拉伸屈服强度≥320kN。
（5）EFG2钩尾座最大水平摆动角度40°，满足车辆过曲线要求。
半永久牵引杆主要由安装吊挂系统、刚性管组成，如图3所示。
半永久牵引杆的技术特征如下。 （1）采用一体式设计，车钩长度仅1180mm。
（2）纵向压缩屈服强度≥400kN，纵向拉伸屈服强度≥320kN。
（3）球型橡胶轴承最大水平摆动角度30°，满足车辆过曲线要求。
3 全自动钩缓装置部件组成
3.1 连挂系统
全自动钩缓装置的连挂系统由机械车钩、风管连接器和电气车钩等组成，可实现两全自动钩缓装置间机械、电气和气路的可靠连接或分解[4]。
3.2 机械车钩
机械车钩采用地铁车辆常用的330型，为同位式机械车钩，如图4所示，其连挂机构具有一个静态位置。在已连挂和已解钩时具有相同的位置状态，钩锁机构只在连挂和解钩的过程中暂态地改变位置状态。
3.3 电气车钩
电气连接器是全自动钩缓装置中执行列车之间电路自动连通和分解的功能模块，如图5所示。随机械车钩的自动连挂和解钩作用，实现两列车电气线路的自动连挂和分离，其具体气动控制原理如图6所示，气动控制组成如表1所示。电气车钩采用直推方式实现连挂，推送元件为双向气缸。
当车钩处于待连挂状态时，电气连接器在气缸推送的作用下，处于回缩状态，电气连接器防雨前盖正常关闭。
当车钩连挂时，首先完成机械车钩的连挂。机械车钩连挂完成后，前部开关（FS）与主轴指示开关（MIS）状态将改变，并设置5/2阀以延迟电气车钩动作时间，确保电气连接在车钩已完成机械连挂后进行。随后气缸将电气连接器向前推出，同时电气连接器防雨前盖打开，电气连接器连挂面紧靠在一起实现连挂。
当车钩分解时，首先进行电气连接器的分解。当UC线路受到压缩时，空气直接进入解钩气缸启动机械解钩次序。随着主轴旋转至一定角度，主轴指示开关（MIS）将改变状态并设置5/2阀以启动气缸收缩电气连接器，电气连接器防雨前盖关闭，然后机械车钩的分解继续进行[5]。
3.4 缓冲装置
气液缓冲器是一个再生冲击能量吸收装置，如图7所示，它具有高压缩冲击能量吸收能力设计[6]，氣液缓冲器结合安装吊挂系统中的EFG2橡胶缓冲器，可以保证在5km/h速度内进行连挂时最大车钩力不超过车体强度，保护车体结构不损坏。
3.5 安装吊挂系统
安装吊挂系统将钩缓装置与车体稳固地连接在一起，传递牵引制动力，并承担了钩缓装置的垂向支撑和回转功能，如图8所示。通过在安装吊挂系统销轴下部设置对中装置，可实现钩缓装置在±15°范围内自动机械对中。
3.6 碰撞能量计算
按照全自动钩缓装置气液缓冲器和EFG2的吸能特性作为输入条件，建立一维纵向碰撞模型计算了一列空载（AW0）车辆以5km/h的速度与一列施加停放制动的超载（AW3）车辆连挂发生碰撞时，车钩力和缓冲器行程变化情况[7]，列车纵向动力学模型如图9所示。
计算结论表明，全自动钩缓装置能够全部吸收一列空载（AW0）车辆以5km/h的速度与一列超载（AW3）车辆连挂碰撞所产生的冲击，最大车钩力340.2kN，如图10所示，未超出车体纵向压缩屈服强度350kN，车体结构不会损坏。
4 结语
本文根据中低速磁浮车辆特点，设计了一种适用于中低速磁浮车辆的全自动钩缓装置，在车钩布置空间局促、车钩长度限制较大的情况下，实现了机械、电气、气路自动连挂和分解的功能，并且可在5km/h速度内列车连挂时有效保护车体，满足了设计需求。
参考文献
[1] 肖飞.中低速磁浮交通的技术经济性分析[J].铁道工程学报，2017（3）：99-105.
[2] 侯本虎，刘青波.地铁列车车钩系统能量配置特性研究与优化[J].大连交通大学学报，2019，40（6）：21-26.
[3] 赵军.中低速磁浮列车车体轻量化设计[D].成都：西南交通大学，2017.
[4] 张静，杨庆龙，孙士俊.常州地铁1号线车辆车钩控制系统研究[J].轨道交通装备与技术，2019（3）：29-30.
[5] 包佳健，钱名鑫，勾洪浩，等.自动旅客运输系统车辆全自动钩缓装置设计[J].城市轨道交通研究，2019，22 （10）：111-114.
[6] 车全伟，许平，王晋乐，等.气液-压溃组合式缓冲装置冲击吸能特性实验研究[J].铁道学报，2020，42 （4）：43-51.
[7] 杨宝柱.城际列车碰撞历程中钩缓装置的作用机理研究[D].成都：西南交通大学，2017.