开启式液压缓冲挡车器设计应用研究

韩鹏贤 中国铁路上海局集团有限公司上海经济开发公司

1 概述

挡车器一般安装于轨道尽头线终端，是为了避免列车意外失控时冲出线路，防止人员伤害及车辆和其他设施（建筑物、轨道、车站、遂道等等）的损坏，确保运营安全的必不可少的安全设备。

但在某些特殊情况下，挡车器需要安装于线路中端区域而不是轨道尽头线终端，以达到阻断轨道线路的目的，不仅能够适用于有特殊运营需求的既有线路，也适用于新建线路的分期、分阶段建设的正线、或与正线接通的联络线、工程线或营业线改造的临时“开通”和“遮断”等有特殊要求的线路。既能保证运营线路的行车安全，又能为后续工程的建造与衔接提供安全的线路运行环境、便利的运输联络。

为此，需要研究开发一种新型的挡车器产品，以满足上述应用要求。例如，上海轨道交通二号线，实际是分段运行，广兰路站是分段运行的交汇点，所以需要有挡车器设备安装于股道中间，把虹桥站方向和浦东机场方向的列车隔开，以防止意外发生。通常情况下，安装在轨道上的这种挡车器处于制动状态，以防止来自虹桥机场方向列车失控，冲撞处于正常运营、折返浦东机场方向的列车。当线路需要全线贯通时，挡车器则需要开启，处于非制动状态、矗立于轨道一侧保证线路贯通、列车安全通过。

2 开启式挡车器的设计依据

开启式液压缓冲挡车器与普通挡车器的应用场景完全不同，所以其设计必须根据使用场合的实际工况作为依据。

2.1 限界要求

根据建筑限界和设备限界之间应充分考虑建筑物上的设备和管线安装位置，在宽度方向上设备和管线与设备限界之间应留出20 mm～50 mm安全间隙。

线路贯通时，挡车器矗立于轨道一侧，设备内侧边缘距轨道中心≥1750 mm（净距）。

2.2 挡车器设计参数

最大撞击载荷：514 t（8辆、重载）；

最大撞击速度：5 km/h（惰性速度）；

撞击中心距轨面高度：720 mm；

钢轨型号：60轨；

钢轨轨距：1435 mm。

2.3 运行要求

安装于铁路轨道混凝土基础上，平时处于制动状态（中断线路），可承受失控车辆的撞击；当线路需要贯通时，挡车器开启，处于非制动状态，并矗立于轨道一侧,保证线路贯通，车辆安全通过。

3 开启式液压缓冲挡车器的设计

开启式液压缓冲挡车器的设计分两大部分，即挡车器主机设计和安装基础设计。

3.1 挡车器主机设计

3.1.1 结构特征

主机由钢结构主架、液压缓冲器、钢结构基础、卷扬机开启牵引系统、电路控制系统等五大部分组成。挡车器结构如图1所示。挡车器的主要受力部件主架三维图如图2所示。

图1 挡车器结构示意图

图2 挡车器主架三维图

钢结构主架上部安装液压缓冲器，液压缓冲器定位于线路中心位置，液压缓冲器的前端装有旋转撞击头，钢结构主架的下部通过前后支撑座铰接于钢结构基础上，同时钢结构主架内部会自动伸出支腿支撑于轨道中间，使钢结构主架保持工作时的稳定性。

卷扬机开启牵引系统由固定于钢结构基础后部的卷扬机、钢丝绳、固定于墙壁上的定滑轮、固定于主架上的动滑轮和固定于墙壁上的复位缓冲器组成。3.1.2受力分析和液压缓冲器的选取

根据工况要求，设备须满足车辆撞击动能：

需要选用一种制动能力不小于上述撞击动能的液压缓冲器，可满足设计要求。

3.1.3 挡车器的工作原理

开启式液压缓冲挡车器定位于线路中心位置。当失控车辆冲撞挡车器时，车辆与旋转撞击头接触，承受失控车辆的惯性撞击，并将失控车辆的惯性动能传递给液压缓冲器。液压缓冲器吸收车辆撞击动能的同时，将撞击力通过主架传递至钢结构基础上，从而达到止停车辆的目的。钢结构主架的下部通过前后支撑座铰接于钢结构基础上，同时钢结构主架内部会自动伸出支腿支撑于轨道中间，使钢结构主架保持工作时的稳定性。

当需要线路贯通时，卷扬机通过钢丝绳，经过多组定滑轮和动滑轮，提升钢结构主架到垂直位置，此时挡车器结构部分处于铁路机车车辆限界条件（距轨道中心1750 mm）以外，复位缓冲器被压缩，此时车辆可以安全通行；当需要阻断线路时，卷扬机反转，复位缓冲器推动钢结构主架至一定角度，使其可以靠自身重力使液压缓冲器定位于轨道中心位置，中断线路。

开启式液压缓冲挡车器的开启和中断的极限位置由位置开关通过电控箱控制，并由保险销锁定。

手动葫芦用于断电状态下的应急操作。当出现电力故障或其他不可估计的问题时，只能采取人工操作，可利用手动葫芦，以保证线路的正常使用，确保安全运输。

该挡车器操作简单、可在车控室和现场分别操作或组合操作，以保证操作过程的安全性。设备中通过手拉葫芦、保险销、限位开关的组合应用保证了设备使用的安全性。

液压缓冲器是挡车器的核心部件，用于吸收撞击列车的动能。其为一闭式液压系统，其油缸体内填充有一定压力的氮气及一定量的液压油。氮气与液压油被一活塞分别隔离于两个密闭空间内。由于氮气具有可压缩的特性，故而失控车辆撞击液压缓冲器的缓冲过程显而易见，然后在失控车辆持续作用下液压油从油缸体内的一腔通过阀孔排向另一腔，此时会产生大量的热量。这一过程是液压缓冲挡车器作制动功的过程，即消耗失控车辆惯性动能的过程。

液压缓冲器在被压缩的同时，油缸体内的总容积在缩小、氮气的压力在增大，液压缓冲器内腔积聚了大量的压力能，当列车撤离后，液压缓冲器可通过压力能的自动释放帮助其自动复位至原始工作位。液压缓冲挡车器自动复位功能将大大缩短事故处理时间，尽快恢复运营通车。

3.2 挡车器的安装基础设计

安装基础是连接挡车器主机和道床的部件，除了起到连接的作用，也承受来自车辆的撞击力和扭矩，安装基础的设计必须根据挡车器的受力状况来决定。

为满足轨道交通的要求，挡车器和土建结构接口采取防迷流的绝缘措施，即中间增加10 mm厚的橡胶绝缘板。

3.2.1 挡车器安装基础的受力分析

根据上述对挡车器的结构设计，分析挡车器基础的受力状况。挡车器需承受F＝700 kN的水平撞击力，其撞击中心距轨面高度为720 mm，由于受到限界的控制，挡车器的设计主要尺寸如图3和图4所示。

图3 挡车器安装基础示意图

图4 挡车器安装基础受力图

挡车器安装基础分为基础A和基础B。

基础A位于轨道路基上，与挡车器的钢板基座通过螺栓连接，与隧道底板通过钢筋连接，由于挡车器的水平撞击力为700 kN，基础A需承受的扭矩可分为水平面和垂直面的扭矩。计算中挡车器自重较小，可忽略不计。

水平面（侧向）扭矩：M=700 kN×1.9 m=1330 kN·m

垂直面（纵向）扭矩：M=700 kN×0.861 m=603 kN·m

基础B位于整体道床上，与挡车器通过销钉连接，需承受垂直上拔力，其上拔力约为F=100 kN。

3.2.2 基础A设计

基础A采用C50钢筋混凝土结构，长度为6 450 mm，宽度为450 mm。为保证基础A能承受并传递挡车器巨大的纵向力和扭矩至矩形隧道底板上，通过植筋胶在矩形隧道底版上植入55根HRB500级φ20 mm钢筋，钢筋纵向布置间隔为350 mm，以保证基础和底版的整体性，使基础A和底板能锚固为一体；在基础两端设置高为300 mm的混凝土挡肩，以抵抗纵向撞击力和水平扭矩。

挡车器钢板基座和基础的连接采用预埋尼龙套管和螺旋道钉紧固连接，并在基座和基础间设置10 mm厚橡塑绝缘垫板，要求绝缘垫板与混凝土基础及钢板的摩擦系数大于0.55，并满足绝缘电阻大于108 Ω，预埋套管和螺旋道钉的抗拔力大于100 kN。图5为基座钢板和基础连接设计示意图。

3.2.3 基础B设计

基础B长度为600 mm，宽度为600 mm。基础B直接在原整体道床上钻孔通过植筋胶植入4个尼龙套管，采用螺旋道钉紧固连接，并在钢板基座和道床间设置10mm厚橡塑绝缘垫板，并满足绝缘电阻大于108 Ω，预埋套管和螺旋道钉的抗拔力大于40 kN。图6为基础B和道床连接结构设计示意图。

3.2.4 其他配套设计

挡车器用电功率约2 kW，在安装现场需配套380 V动力电源，用于开启挡车器。车站控制室与挡车器安装现场间需敷设控制电缆。

4 结束语

开启式液压缓冲挡车器属于国内首创，填补了轨道交通行业内开、启合一挡车器的又一空白，为轨道交通的安全运营提供了又一新型保障设备。

安装于上海轨道交通二号线东延伸段工程广兰路站地下隧道内的GYKQ720712型开启式液压缓冲挡车器，经过几年的正常使用，目前状态良好，受到用户好评。

随着轨道交通的高速发展，对轨道交通运行的安全设施要求越来越高，同时轨道交通形式多样，应用场景层出不穷，由此需要性能优良高质量挡车器满足现场运用要求。开启式液压缓冲挡车器的创新设计，对保证轨道交通运营安全畅通具有十分重要的意义。