有轨电车前端缓冲器吸能性能的试验研究.pdf

车辆与动力技术2023年第2 期Vehicle&Power Technology文章编号：1 0 0 9-46 8 7(2 0 2 3)0 2-0 0 6 0-0 5总第1 7 0 期有轨电车前端缓冲器吸能性能的试验研究钟波，宋德松，罗昌杰，黄科1（1.深圳市乾行达科技有限公司创新研究院，深圳51 8 1 0 1；2.深圳市建材交易集团有限公司，深圳51 8 0 0 0）摘要：前端缓冲器是有轨电车车头缓冲吸能系统的第一级能量吸收单元，用于吸收低等级碰撞能量，吸能完成后可自动复位、重复使用，为了验证所研制的缓冲器是否满足轨道车辆装车的严苛性能要求，通过对TB1961-2016标准进行解读，梳理出有轨电车前端缓冲器的性能要求及测试方法，并对该类缓冲器产品样件的结构性能及吸能性能进行了系统的试验研究研究结果表明，所研制的1 0 0 mm行程1 5kJ容量有轨电车前端缓冲器满足静压测试、动态容量测试、耐久性试验以及高低温环境测试等性能要求，符合装车条件.关键词：有轨电车；缓冲器；吸能性能；试验分析中图分类号：U482.1Experimental Study on Absorption Performance of Tram BumperZHONG Bol,SONG Desong;(1.Innovation Research Institute of Shenzhen Cansinga Technology Co.,Ltd.,Shenzhen 518101,China;2.Shenzhen Building Materials Trading Group Co.,Ltd.,Shenzhen 518000,China)Abstract:The front buffer is the first level energy absorption unit of the tram energy absorption system,which is used to absorb the low-level collision energy,and can reset automatically and be reused whenthe energy absorption is completed.Toverify whether the buffer meets the stringent performancerequirements of rail vehicles,we sort the performance requirements and test methods of the front buffer ofthe tram referring to the standard of TB1961-2016,and then test the structural performance and energyabsorption performance of the buffer sample systematically.The research results show that the frontbumper of the tram with a stroke of 100 mm and a capacity of 15 kJ meets the performance requirementsof the static pressure test,dynamic capacity test,durability test,and temperature test,which meets theloading conditions.Key words:Tram;Buffer;Energy absorption performance;Experimental analysis有轨电车因为行驶在开放道路上，与侵人轨道的其它物体相撞的几率，相比行驶在封闭道路的高速列车、地铁等要大很多，有轨电车与汽车、摩托车、行人、人力车等障碍物发生碰撞的情况在国内外均时有发生，此外，不同物体的质量差别很大，碰撞能量等级区间跨度大，因此，为降低维修成本，有轨电车前端防爬吸能器经常采用弹性缓冲器+塑性吸能器的二级组合吸能结构，其中第一级弹性缓冲器在作用后可自动回弹复位、重复使用，第二级文献标识码：ALUO Changjie,HUANG Kel塑性吸能器作用后发生永久变形，不可自恢复低等级能量撞击时仅缓冲器起作用，无需大修即可快速投入运营；高等级能量撞击时，缓冲器和吸能器同时工作，需整体更换后方可再次投人运营.Steven WK i r k p a t r i c k 教授团队的Robert T.Bocchieri、R o b e r t A.M a c Ne i l l 等2-3 在团队研究基础上对轻轨车辆的前端防护吸能装置进行研究，设计了一种中心安装吸能装置的分段式前端缓冲吸能系统通过有限元仿真分析，改进了前端缓冲吸能收稿日期：2 0 2 3-0 1-1 5作者简介：钟波（1 9 8 9），男，工程师，研究方向为交通车辆被动安全防护技术研究第2 期系统的结构及外形轮廓证明该缓冲吸能系统能有效提高轻轨车辆与乘用汽车的碰撞兼容性，适应更复杂的碰撞场景王林海4 研究了城市有轨电车与汽车的碰撞行为及乘员保护，设计了有轨电车两级缓冲吸能系统，针对一级缓冲吸能系统的缓冲器刚度和防护罩外形进行优化，最终得到碰撞兼容性效果最好的一级缓冲吸能系统，并对优化前后结果进行对比分析，发现优化后的前端缓冲吸能系统的碰撞兼容性和安全性得到提升宋自帅等5 对常州有轨电车前端模块进行了研制，设计开发了适用于常州有轨电车的前端模块装置，通过各项型式试验验证了该前端模块满足车辆的设计使用要求王玉梅等6 对轻轨列车用缓冲器动态阻抗特性进行了研究，采用动力学的分析方法确定了动态阻抗特性改变前后的列车纵向冲动量，提出在满足性能和安全要求的前提下，可以降低根据城轨车辆标准得到的缓冲器的动态阻抗力和容量.以上研究主要针对轻轨或有轨电车前端的整个缓冲吸能系统的碰撞兼容性、系统刚度、碰撞过程动力学特性等进行分析，采用的主要是有限元方法，对吸能装置缺少全面的实验验证，且动力学研究也无法验证耐久性、环境适应性等特征，存在产品长期安装后性能失效无法实现预期设计功能的风No.试验名称1静压试验2正式容量试验-50/2 4h 保温后立即落锤；3-50低温试验3锤内达到距离压并0.2 5mm+50/2 4h 保温后立即落锤，4+50高温试验3锤内达到距离压并0.2 5mm5耐久性试验钟波等：有轨电车前端缓冲器吸能性能的试验研究1.1产品规格型号根据车辆运行工况，经列车整车厂商进行碰撞能量管理分析后给出的技术需求，文中所设计有轨电车前端缓冲器需要满足的主要规格参数如表1.表1 有轨电车前端缓冲器规格参数行程/mm动态触发力/kN最大动反力/kN100751.2测试方法目前，对于有轨电车前端缓冲器产品，国内并没有出台明确的测试标准，经查询，对于列车用缓冲器产品的测试方法，国内主要参考的标准为TB/T1961-2016铁道车辆缓冲器7 ，主要测试项目包括静压、高低温、落锤（容量、耐久性）试验，考察缓冲器的行程、力、容量、可靠性等技术指标，见表2.表2 有轨电车前端缓冲器主要测试内容试验要点设备不大于5mm/s静压静压机见表312t落锤低温箱+1 2 t落锤不小于常温容量的7 0%高温箱+1 2 t落锤不小于常温容量的9 0%检验卡死、泄漏等情况，自由高度变化不超过6 mm；单次落锤1 0 0 0 次左右12t落锤 61险基于以上情况，文中采用实验方法对有轨电车前端缓冲器的主要性能进行研究.1有轨电车前端缓冲器的性能指标容量/KJ25015判定标准无卡死、破坏容量经验值E=0.75mv/8耐久性标定容量不小于正式容量的8 0%或高出50%；任一试件标定容量不应比各试样的均值偏差1 0%其中，落锤测试需采用专用设备一缓冲器测试用12吨试验台进行，该设备具备自动绘制缓冲器滞回曲线以及缓冲器容量、吸收率等特征参数的计算功能.2试验分析2.1丝结构形式本次测试采用深圳市乾行达科技有限公司自制的胶泥式缓冲器产品其结构形式如图1 所示，主要由缓冲器芯子、外壳组成：其中，缓冲器芯子为核心元件，主要由缸体、活塞杆、活塞盘、密封组件以及封闭其中的胶泥材料等组成整个产品制造完成后缓冲器总长为430 mm，符合标准要求.作为核心材料的弹性胶泥热塑性弹性体弹性胶泥材料是一种高黏度、可压缩、可流动的未经硫化的有机硅化合物，在-8 0+2 50 范围内具有较62高的稳定性，并且无臭、无毒，对环境和人员无污染它有固、液两种状态，是理想的缓冲介质材料运动黏度比普通液压油大几十甚至上百倍弹性胶泥是一种半流体，黏度范围在1 0 0 0 0 至50000000cst（厘斯）之间，可产生极高的粘滞阻力，远远高于黏度只有50 至50 0 cst的普通液体.顶盖一胶泥芯体安装座一外壳体图1 缓冲器模型示意图胶泥缓冲器的工作原理是：将弹性胶泥材料装人缓冲器体内，根据需要施加一定的预压力，当缓冲器活塞杆受到一定的压力时，弹性胶泥受压缩产生阻抗力，并利用活塞的环形间隙（或节流孔）的节流作用和弹性胶泥材料的压缩变形吸收冲击能量压缩过程中，由于胶泥材料的特性，当弹性胶泥的预压力和活塞的运动速度越大，阻抗也就越大，这有利于提高缓冲器在大冲击下的容量，即冲击越大，缓冲器的容量就越大；冲击越小，缓冲器的容量就越小。当作用在活塞杆上的外力撤销后，弹性胶泥材料自行体积膨胀，将活塞推回到原位，在这个过程中弹性胶泥材料以较慢的速度通过活塞的环形间隙（或节流孔）流回原位，实现缓冲器的回程动作.2.2试验内容参考TB/T1961-2016，设计试验工装，按照表2所示测试内容进行缓冲器性能测试.(1）静压测试据标准要求，将随机抽取的缓冲器试验件至于压力机上，如图2 所示.开启机器后，以6 mm/s的速度进行准静态压缩，观察行程与载荷的关系，压向过程的测试结果如图3所示测试过程中，观察得到试验过程中缓冲器力学性能稳定，一致性较高，各结构件均未发生永久破坏，符合设计要求而且随机抽取的4个不同试验件在压缩过程中保持了较高的力学性能一致性，这为后续其它性能的对比奠定了基础.车辆与动力技术100908070N60504030201001020304050.60708090.100行程/mm图3缓冲器静压试验结果(2）落锤测试对缓冲器进行1 2 吨落锤冲击试验，分为容量试验和耐久性试验综合考虑缓冲器试件外形与落锤试验机结构、试件性能指标与设备参数上下限值的匹配关系等，设计了缓冲器落锤试验工装，以两件缓冲器为一组开展试验，见图4.，试验件，限位块，垫高-定位块工装箱体垫高块(a)落锤工装结构图工装及试验件锤头导向架(c)落锤工装在落锤设备安装图图4缓冲器落锤试验示意图2023年图2 缓冲器静压试验工况示意图一试件1一试件2一试件3一试件4(b)落锤工装实物图落锤锤头（含力传感器）一定位框架位移传感器第2 期a）容量试验根据TB/T1961-2016规定，缓冲器的正式容量试验程序见表3.现场温度：1 7 2 4.表3有轨电车缓冲器正式容量试验程序锤起始高度/锤高增量/程序段mm第1 段0第2 段接第1 段锤高第3段接第2 段锤高第4段接第3段锤高第5段接第3段锤高*第5程序段中的容量应按两次同样锤高锤击所测得数值的平均值计算。本实验以落锤测试来验证缓冲器的动态吸能能力，实验原理及力学曲线见图5，缓冲器在触发后，力值随着行程增加缓慢上升，当压缩至行程后，试验机锤头提升，缓冲器自动回弹，直至行程完全复位，形成滞回曲线，曲线包络的面积即为容量，该曲线上升段基本符合文献8 的经验公式设备软件通过积分方法得到的容量数值参考表5“试验前”列，从图中可以看出总触发力大于200kN，则单套缓冲器触发力 7 5kN，满足设计要求.试验前组别正式容量/kJ132.2233.4钟波等：有轨电车前端缓冲器吸能性能的试验研究锤击要求mm锤高增量每增高1 次锤击112.5次.行程大于35mm时，转下段.锤高增量每增高1 次锤击125次.行程达9 0 mm时，转下段.锤高增量每增高1 次锤击112.5次.行程达9 2 mm时，转下段.锤高增量每增高1 次锤击16次.行程达9 4mm时，转下段.锤高增量每增高1 次锤击1次行程达到（或接近）9 53mm时，在同一锤高上连续锤击2 次后停止试验。表5耐久试验前、后容量数据表试验后自由高度/mm标定容量/KJ43228.043229.4 635004504003503002502001501005001022030405060708090100行程/mm图5缓冲器落锤冲击容量试验结果b耐久性试验根据TB/T1961-2016，缓冲器的耐久性容量试验程序见表4.现场温度：1 7 2 4.表4有轨电车缓冲器耐久性试验程序程序段锤起始高度/mm第1 段25第2 段25、37.5第3段25、37.5、5025、37.5、50.第N段H（容量试验中最环结束，转第2 循环。大行程时的锤高）从第1 段重新开始，直到缓冲器累计输入能量达到33.8 MJk时试验结束.第2 循环当累计输人能量达到规定总能量的1/5和3/5时，暂时中断耐久试验程序，分别按表2 运行标定程序，直至最大行程之后继续按原程序进行，注：k为换算系数，k=缓冲器容量（kJ）/50（k J），容量大于 50 kJ 时 k 取 1.耐久试验前后，容量值对比见表5.自由高度/mm标定容量/正式容量/%43187.043288.0锤击要求锤击1 次，转下段，不同高度各锤击1 次每段结束时的锤高比上一段结束时的锤高增高1 2.5mm.不同高度各锤击1 次该循对比前后自由高度差/mm102组试件耐久性试验所标定的容量分别为87.0%、8 8.0%，均大于容量试验时测定的正式容量的8 0%，符合TB/T1961-2016规定自由高度变化值分别为1 mm、0 m m，均符合标准规定的小64于6 mm.耐久性试验后，胶泥缓冲器在试验安装框架中无卡死现象和胶泥泄漏现象发生.（3）高低温测试将被试胶泥缓冲器组合样件在+50 高温箱或-50（低温时）低温箱中放置2 4h，采取保温措施后取出，立即进行落锤试验，以不多于3次的锤击，使缓冲器达到距压死差0.2 5mm，试验结束纪录容量、载荷、行程值现场室温温度：2 124，结果见表6.表6 高低温测试结果常温正式+50常温正式-50与常温下组别容量/kJ容量/KJ容量/kJ容量/kJ容量比值/%131.82由表6 可以看出：高温试验时，第1 组试件+50 高温时的容量与常温时比值为9 3.0%，符合TB/T1961-2016规定的胶泥缓冲器高温试验容量不应小于常温下的80%的规定.低温试验时，第2 组试件50 低温时的容量与常温时比值为8 2.6%，符合TB/T1961-2016规定的胶泥缓冲器低温试验容量不应小于常温下的60%的规定.从测试结果可推算，当缓冲器达到1 0 0 mm行程时，容量能达到1 5kJ；且经观察，试验件无破损，各指标满足标准要求.3结 论基于对TB/T1961-2016标准规定的全面解读，通过试验分析方法对弹性胶泥式缓冲器的静态、动态力学性能及高低温可靠性进行研究，对于文中所研究的行程1 0 0 mm、容量1 5kJ的规格缓冲器，得出以下结论：1）在静压测试中，当施加载荷至设计行程车辆与动力技术时，缓冲器未发生永久破坏，缓冲器可有效回弹，未发生结构失效。2）容量测试结果表明，单个缓冲器正式容量15kJ，符合设计要求.3）耐久性测试结果表明，缓冲器在耐久性测试后，标定容量大于标准规定的正式容量的8 0%，满足标准要求.4）高低温测试结果表明，在+50 高温或-50低温时，缓冲器容量与常温时偏差均满足标准要求.参考文献：1MERAM A P,MUGAN A.Design and analysis of a29.693.0/30.02023年hydraulic-elastic railcar buffer J.Proceedings 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