B型車輛用車鉤互聯(lián)互通分析研究

劉玉龍 李 康 楊慶龍 李 帥

(1.中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司 江蘇 南京 210031；2.中車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司 江蘇 常州 213011)

0 概述

隨著城市規(guī)模的發(fā)展，多數(shù)開通地鐵的城市，內(nèi)部陸續(xù)開通或者規(guī)劃了多條地鐵線路。然而不同時(shí)期建造的地鐵車輛存在一定的差異，即在城市內(nèi)部可能出現(xiàn)多種形式的地鐵車輛，對(duì)業(yè)主使用和管理維護(hù)地鐵車輛造成了一定的困擾。基于集中資源、節(jié)約成本以及提高救援效率的要求，業(yè)主提出在同一城市不同地鐵線路之間車輛互聯(lián)互通需求。本文以B型車為研究對(duì)象，研究車輛互聯(lián)互通的可能，并給出建議。

車輛的互聯(lián)互通是通過車鉤來實(shí)現(xiàn)，B型地鐵車輛用車鉤，主要存在兩種類型的車鉤：柱銷式和連桿式。其中柱銷式車鉤，在北京、天津的個(gè)別線路中使用，其他絕大部分B型地鐵車輛采用的是連桿式車鉤。

1 互聯(lián)分析

本文通過對(duì)B型車輛用連桿式車鉤、柱銷式車鉤進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析和連掛原理分析，研究連桿式車鉤與柱銷式車鉤之間的互聯(lián)能力、不同廠家之間的連桿式車鉤的互聯(lián)能力。因?yàn)锽型地鐵車輛，使用柱銷式車鉤的線路較少，本文不再分析柱銷式車鉤之間的互聯(lián)能力，主要分析柱銷式車鉤與連桿式車鉤互聯(lián)能力，不同廠商連桿式車鉤之間的互聯(lián)能力。

1.1 連桿式車鉤與柱銷式車鉤互聯(lián)分析

部分城市內(nèi)部存在兩種制式的車鉤，本節(jié)分析兩種制式車鉤之間的互聯(lián)可能性。

圖1所示為柱銷式車鉤的結(jié)構(gòu)，其主要機(jī)械連掛是通過兩車鉤的半圓形鉤舌在鉤舌腔內(nèi)相互作用，完成機(jī)械連掛。對(duì)比連桿式車鉤(見圖2)，二者之間結(jié)構(gòu)、連掛原理、連掛輪廓差異較大，不存在連掛可能，故不再做進(jìn)一步分析。

圖1 柱銷式車鉤連掛系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 不同廠家之間的連桿式車鉤互聯(lián)分析

1.2.1機(jī)械結(jié)構(gòu)分析

連桿式車鉤機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖2所示。不同車鉤廠家生產(chǎn)的車鉤，其主要結(jié)構(gòu)組成基本相同，理論上可以進(jìn)行互聯(lián)操作。

1.2.2機(jī)械連掛原理分析

圖3為連桿式車鉤的連掛原理。連掛過程如下：連掛期間，車鉤的凸錐滑入連掛車鉤的凹錐，鉤舌撞擊連掛車鉤的鉤板。車鉤鎖在拉伸彈簧力的作用下旋轉(zhuǎn)，直到鉤舌嚙合到鉤板槽中。鎖定后，車鉤鎖在拉伸彈簧的作用下進(jìn)入連掛狀態(tài)。車鉤進(jìn)入連掛狀態(tài)，車鉤鎖彼此相嚙合[1]。

不同廠家生產(chǎn)的連桿式車鉤，均按此原理工作。原理上支持互聯(lián)要求。

1—鉤體；2—鉤鎖連接銷；3—中心軸；4—鉤舌板；5—鉤舌嘴；6—連接面；7—凹錐；8—限位塊；9—鉤鎖連接桿；10—凸錐；11—拉力彈簧。圖2 連桿式車鉤

圖3 連桿式車鉤頭連掛示意簡(jiǎn)圖

1.2.3外形輪廓

連桿式車鉤的連掛面如圖4所示。由于不同廠家技術(shù)來源不同，不同廠家車鉤頭外形輪廓也不盡相同。

從表1中可以看出，在某城市內(nèi)部的兩個(gè)車鉤廠家所生產(chǎn)的車鉤凸錐直徑、凹錐直徑存在不一致現(xiàn)象，因此兩種車鉤在未進(jìn)行進(jìn)一步處理前無法進(jìn)行連掛，否則會(huì)造成車鉤損傷。

圖4 連桿式車鉤頭連掛面簡(jiǎn)圖

表1 不同車鉤廠家技術(shù)參數(shù)對(duì)比 /mm

結(jié)論：不同廠家之間的連桿式車鉤，在互聯(lián)前需進(jìn)行技術(shù)比對(duì)，需要車輛制造商給出確定意見后，才能進(jìn)行連掛操作，否則容易造成車鉤甚至是車輛的損傷。

1.2.4動(dòng)力學(xué)計(jì)算分析

國內(nèi)B型地鐵車輛，車體存在多種強(qiáng)度類型，車型1：壓縮強(qiáng)度(屈服)為800 kN；車型2：壓縮強(qiáng)度(屈服)為900 kN；車型3：壓縮強(qiáng)度(屈服)為1 000 kN。本節(jié)將通過動(dòng)力學(xué)計(jì)算研究不同強(qiáng)度車型互聯(lián)時(shí)，車體強(qiáng)度是否滿足要求，車鉤的吸能裝置部分是否損傷。

以國內(nèi)某城市的地鐵線路為例，車體強(qiáng)度：壓縮900 kN，工況為AW2車輛以5 km/h速度撞擊AW2車輛。如圖5及表2所示，車鉤碰撞面處所受的最大車鉤力為544 kN。

當(dāng)車型2與車型1碰撞時(shí)， 車型1因車體強(qiáng)度低， 配置的各級(jí)吸能裝置的觸發(fā)力相對(duì)于車型2也逐級(jí)降低。 在車重相同的前提下， 工況AW2-AW2時(shí)， 兩列車相互碰撞， 車型2所受的最大車鉤力將超過544 kN， 容易對(duì)車型2造成損傷。 不同的車型之間確定需要互聯(lián)時(shí)， 連掛速度按照最低的連掛速度執(zhí)行。

圖5 AW2-AW2碰撞力-行程曲線

表2 各碰撞面碰撞數(shù)據(jù)

結(jié)論：根據(jù)動(dòng)力學(xué)分析，不同強(qiáng)度車型之間如果按照AW2車輛以5 km/h速度撞擊AW2車輛這樣的工況進(jìn)行連掛，容易造成車輛損傷。確定需要連掛時(shí)，須按最低連掛速度進(jìn)行連掛。

同強(qiáng)度車型之間，不同車鉤廠家吸能配置方案也有不同，如果需要連掛，也必須按照最低連掛速度執(zhí)行。

1.2.5坡道救援計(jì)算分析

在車輛滿足上述互聯(lián)要求后，還需校核其坡道救援能力，確認(rèn)在坡道救援下，車鉤滿足技術(shù)要求。

通過對(duì)坡道上一列救援列車推行一列故障列車運(yùn)行至一定速度時(shí)實(shí)施緊急制動(dòng)的過程進(jìn)行仿真模擬，計(jì)算所有車鉤產(chǎn)生的作用力，驗(yàn)證互聯(lián)后車鉤設(shè)計(jì)是否滿足救援使用需求。

對(duì)于AW0救援空車在35‰坡道上以100%的牽引力推行AW3故障超員列車上坡，車速到達(dá)30 km/h時(shí)實(shí)施緊急制動(dòng)工況。通過adams軟件對(duì)坡道救援進(jìn)行計(jì)算，得到各車鉤斷面力和行程的關(guān)系，如表3所示(兩列6編組的列車共12輛車，11個(gè)斷面)。

表3 列車各斷面最大車鉤力和緩沖器最大行程

國內(nèi)B型地鐵車輛，各廠家的車鉤強(qiáng)度、緩沖性能參數(shù)滿足坡道救援要求。

1.2.6電鉤互聯(lián)及車鉤控制系統(tǒng)分析

國內(nèi)車鉤市場(chǎng)，存在兩種主流的控制方式：氣控方式和電控方式。二者之間控制邏輯不同，不存在互通可能，在車輛互聯(lián)時(shí)，需要將各自的控制系統(tǒng)關(guān)閉，避免車鉤控制方面的混亂。

氣動(dòng)控制方式如圖6所示，連掛時(shí)當(dāng)車鉤面板接觸后，默認(rèn)車鉤完成連掛，從而完成整個(gè)連掛動(dòng)作；解鉤時(shí)，需要在車鉤上配置解鉤風(fēng)管，通過解鉤風(fēng)管完成解鉤動(dòng)作。無車鉤狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

圖6 氣控系統(tǒng)方案圖

電控方式，如圖7所示，連掛時(shí)，通過傳感器感應(yīng)車鉤連掛狀態(tài)，當(dāng)車鉤連掛正常后，完成連掛動(dòng)作，解鉤時(shí)，不需要在車鉤上設(shè)置解鉤風(fēng)管，通過邏輯電路完成解鉤。有車鉤狀態(tài)檢測(cè)。

圖7 電控系統(tǒng)方案圖

對(duì)于電氣車鉤，通常城市內(nèi)部的不同線路之間，電鉤的接線要求也不同，所以不同線路間，即便是同一廠家提供的車鉤，電鉤互聯(lián)往往不能實(shí)現(xiàn)。

結(jié)論：電鉤不能實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，互聯(lián)時(shí)需關(guān)閉車鉤控制系統(tǒng)。一般情況救援時(shí)，完成機(jī)械車鉤連掛，即可將故障列車拖走，完成救援。

1.2.7結(jié)論

不同車鉤廠家的連桿式車鉤，存在連掛風(fēng)險(xiǎn)，連掛前需要對(duì)雙方的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)分析、對(duì)比，試驗(yàn)驗(yàn)證。

2 互聯(lián)功能實(shí)現(xiàn)

2.1 既有線路車輛連桿式車鉤連掛

(1)解決方案

不同車鉤廠家的連桿式車鉤，要實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，連掛前需要對(duì)車鉤技術(shù)參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)分析，如果出現(xiàn)表1所示的情況，則無法互聯(lián)，可通過在架大修時(shí)對(duì)車鉤輪廓進(jìn)行微調(diào)優(yōu)化，如表4所示，如對(duì)較大的凸錐直徑?206 mm鏇形到?204 mm，鏇形后車鉤凸錐壁厚變薄，需要對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度分析，驗(yàn)證強(qiáng)度是否依然滿足要求。

(2)強(qiáng)度校核

根據(jù)車鉤凸錐壁厚為8 mm，根據(jù)有限元計(jì)算，該處在車鉤受拉時(shí)，所受應(yīng)力較低，鏇形后，如圖8所示，凸錐處最大應(yīng)力為100 MPa，小于鉤體材料的屈服極限500 MPa，鉤體強(qiáng)度依然滿足要求。

表4 互聯(lián)技術(shù)參數(shù)變更 /mm

圖8 連桿式車鉤頭有限元計(jì)算

(3)連掛校核

鏇形后，同廠家車鉤之間連掛或與其他廠家車鉤連掛時(shí)，凸錐與凹錐之間的理論間隙由1 mm增加至3 mm，連掛后，凸錐、凹錐導(dǎo)向功能稍微減弱，車鉤連掛后，車鉤上下方向會(huì)有3 mm的竄動(dòng)量。可能會(huì)對(duì)主風(fēng)管連接或者解鉤風(fēng)管造成影響。通過分析，如圖9所示，車鉤上下竄動(dòng)3 mm時(shí)，主風(fēng)管密封圈、解鉤風(fēng)管密封圈仍然處于接觸狀態(tài)，氣路連接功能正常。

結(jié)論：通過將車鉤鏇形，可以實(shí)現(xiàn)車鉤間的互聯(lián)功能。

2.2 新建線路車輛連桿式車鉤互聯(lián)功能實(shí)現(xiàn)

根據(jù)以上分析，實(shí)現(xiàn)互聯(lián)須在車鉤輪廓中，對(duì)關(guān)鍵連掛結(jié)構(gòu)尺寸等方面進(jìn)行統(tǒng)一，即對(duì)車鉤進(jìn)行統(tǒng)形。需要主機(jī)公司在項(xiàng)目開始前，對(duì)不同廠家的車鉤參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)一。我國正在開展標(biāo)準(zhǔn)地鐵的研發(fā)工作，借此機(jī)會(huì)，向標(biāo)準(zhǔn)地鐵項(xiàng)目組提出了鉤頭的設(shè)計(jì)統(tǒng)一、尺寸公差統(tǒng)一、電氣接口統(tǒng)一的要求，在理論上保證不同車鉤生產(chǎn)廠家之間330車鉤性能統(tǒng)一，該建議已被標(biāo)準(zhǔn)地鐵項(xiàng)目組采納。

圖9 鏇形后連桿式車鉤連掛后氣路連接

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)地鐵項(xiàng)目規(guī)劃，在完成設(shè)計(jì)之后，各車鉤生產(chǎn)廠家根據(jù)統(tǒng)型設(shè)計(jì)制造產(chǎn)品，將進(jìn)行不同廠家車鉤互聯(lián)互通試驗(yàn)，以保證不同生產(chǎn)廠家產(chǎn)品能夠滿足統(tǒng)型化、互相連掛等要求，以此實(shí)現(xiàn)不同廠家車鉤的互聯(lián)互通。在標(biāo)準(zhǔn)地鐵推廣后，即可有效解決國內(nèi)業(yè)主的互聯(lián)需求。

在標(biāo)準(zhǔn)地鐵車輛未批量生產(chǎn)前，可建議車鉤廠商，按照標(biāo)準(zhǔn)地鐵要求，統(tǒng)一部分接口。

3 結(jié)論

城市內(nèi)部不同地鐵線路間的互聯(lián)，既有線路上因?yàn)檐囥^的制式不同，車鉤生產(chǎn)廠家不同，連掛前需要校核、計(jì)算，同一制式的車鉤最終可通過鏇形的方式實(shí)現(xiàn)機(jī)械車鉤的連掛以及氣路的連接，但是不能實(shí)現(xiàn)電氣車鉤的互聯(lián)。未建線路中，可以通過標(biāo)準(zhǔn)地鐵中關(guān)于車鉤的統(tǒng)形工作，實(shí)現(xiàn)機(jī)械、氣路、電氣的完全互聯(lián)互通。