滑移式挡车器制动距离计算及阻尼器优化布置研究

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摘要：摘 要：为应对列车提速与重载运输线路终端安全防护问题，考虑工程中采用平均制动力方法估算的局限性，对滑移式挡车器阻挡机理及受力过程进行计算与仿真，以合理布置阻尼器，使列车在规定距离内停车，降低冲击对机车车辆的损害。将平均制动力方法和累计间距法

　　摘 要：为应对列车提速与重载运输线路终端安全防护问题，考虑工程中采用平均制动力方法估算的局限性，对滑移式挡车器阻挡机理及受力过程进行计算与仿真，以合理布置阻尼器，使列车在规定距离内停车，降低冲击对机车车辆的损害。将平均制动力方法和累计间距法与试验结果对比，发现累计间距法更接近试验结果。应用粒子群理论对阻尼器间距进行优化布置后，阻尼力波动比较平缓，能够符合工程预期需要，可为失控列车防护提供借鉴方案。

　　关键词：铁路;安全防护;滑移式挡车器;制动距离;粒子群优化算法;仿真

　　随着列车速度提高和载重增加，轨道交通终端安全被动防护等级随之提高。挡车器作为线路防护的最后屏障，其防护能力逐渐引起研究人员和工程人员的重视。目前为实现不同功用而设计的挡车器种类繁多，尚未形成统一标准。滑移式挡车器因其结构简单、便于安装和维护、经济成本低等优点，在我国以及欧洲铁路站场线路终端作为主要的防护设备被广泛采用。然而，其关键部件阻尼器的配置受到初始冲击能量、阻尼力、阻尼器对数、制动距离等多种因素影响，其配置方案相对复杂。针对挡车器现场测试成本高、周期长、获得数据范围有限等问题，应用仿真计算手段很有必要。本文在阻尼器试验基础上，考虑阻尼器间距对挡车器制动距离的影响，以及基于能量平衡理論，建立挡车器碰头及阻尼装置的理论计算模型;然后借助粒子群优化算法获得阻尼器布置最优方案，既可为尽头线(或安全线)设计提供辅助参考，又可为线路终端安全防护措施和方案提供借鉴。

　　1 理论计算方法

　　滑移式挡车器是指在受到列车冲撞后，能够在轨道上滑移，通过阻尼装置与轨道作用消耗列车冲击动能的挡车装置。相对于固定式挡车器而言，其缓和冲击能力大大提高。基于滑移式挡车器的工作原理，考虑滑移式挡车器多个部件的影响因素，获得相对完整的力学传递过程是制动距离求解计算的关键。

　　1.1 滑移式挡车器结构及工作原理

　　滑移式挡车器由碰头、缓冲系统、主体架、阻尼器等部分组成，如图1所示。碰头及缓冲系统主要起缓和列车初始冲击的作用，而制动能量的吸收主要是依靠装卡在钢轨上的制动阻尼器的摩擦作用，将动能转化为内能。

　　1.2 平均制动力计算法

　　目前挡车器制动距离的计算采用传统平均制动力法，该方法对于小编组列车(或车列)冲撞挡车器制动距离的计算简单、方便。

　　计算方法如下式所示：

　　式(1)中，x为挡车器制动距离，m;W为列车(或车列)动能，kJ;F为挡车器平均制动力，kN，其计算公式为：

　　式(2)中，n为阻尼器设置对数; 为单对阻尼器的平均作用力，kN，可通过试验或经验设置。

　　1.3 累计间距计算法

　　考虑到重载或高速列车冲撞挡车器时，阻尼器布置的数量增多，需将阻尼器间隔排布，避免冲击作用力过大造成列车关键部件裂损、脱轨等事故，因此应建立相对准确的模型。

　　1.3.1 能量平衡方程

　　如上所述，列车(或车列)碰撞挡车器的过程是动能不断被转化为内能的过程，而阻尼器的间距、摩擦特性、碰头能耗等综合因素都会对碰撞过程中的能量分布产生影响，进而影响挡车器的制动距离，因此需要在建模时综合考虑。

　　当碰撞列车以速度V0撞击挡车器后，会依次推动挡车器后端的阻尼器，直至在第n+1对阻尼器前速度降为 V1，冲击列车的动能大部分被挡车器吸收，如图2所示。因此，在不考虑列车自身能耗等情况下，可将滑移式挡车器消耗的能量与列车(或车列)的动能看作相等，建立等式为：

　　式(3)～(5)中，Wc为列车(或车列)动能，kJ;Wd为挡车器耗能，kJ;V0为列车运行碰撞的初速度，m/s;V1为列车(或车列)运行碰撞的末速度，m/s ;M为列车(或车列)的质量，t;Wy为液压碰头耗能，kJ;Wz 为阻尼器耗能，kJ。

　　阻尼器耗能Wz等于被推动阻尼器合力在滑移距离内所做的功，其表达式为：

　　式(6)中，Fk为第k对阻尼器受到的阻尼力，kN;xk为第k对阻尼器运行至第n对阻尼器时的滑移距离，m;xa为第n对阻尼器的滑移距离，m;k的取值为1，2，…， n。

　　1.3.2 阻尼器滑移距离计算

　　挡车器受到冲撞后由静止到与列车(或车列)运行速度一致，直至停车，其主体架滑移的距离即可视为制动距离(如图2中所示)。被推动阻尼器的滑移距离可以通过下式求出：

　　式(7)中，d1，d2，…dn，dn+1 分别为阻尼器布置的间距，m。

　　1.3.3 碰头耗能计算

　　碰头是为避免挡车器对列车(或车列)的初始碰撞产生较大反作用力，同时消耗一定的动能而设置的，其产生的阻尼力相对较小。列车(或车列)在与挡车器碰头初始碰撞时，列车冲击速度变化不明显，主体架近乎处于静态平衡。由于篇幅有限在此不做过程推导，根据能量守恒原理直接给出碰头耗能近似计算公式，如下式：

　　1.4 阻尼器数量及制动距离计算

　　阻尼器在被推动过程中，由于摩擦磨损、紧固螺栓松弛、钢轨断面尺寸不规整等多种原因，其阻尼力并不稳定。为弄清阻尼器基本力学特性，对阻尼器开展单独的性能测试。如图3所示，将一对阻尼器分别装卡在两侧钢轨上，在微机控制电液伺服压力测试机上进行滑移性能试验。

　　通过试验获得阻尼器的摩擦力与位移特性关系曲线，然后对其进行分段线性拟合，建立单对阻尼力f与滑移距离x变化的函数关系，描述方程如下：

　　计算列车(或车列)碰撞挡车器制动距离需要对2 个重要参数进行求解：①挡车器制动停止时被推动阻尼器的对数n;②第n对阻尼器运行距离xa。具体求解步骤如下。

　　(1)令函数

　　(2)根据图2可知，xa在区间[x1，x1 + dn+1]上，所以首先需要确定n值。若从n = 1依次递增，则挡车器耗能将逐渐增加，直至满足条件 f(n，x1) f(n，dn+1)≤01 [2] [3]

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