高速動車組相互救援機械連掛運用技術研究

陳振虹，段書華，張增寶

（1 中國鐵道科學研究院集團有限公司 機車車輛研究所 中國鐵路動車組技術中心,北京 100081；2 中國鐵路廣州局集團有限公司 廣州動車段，廣州 511483；3 中車青島四方車輛研究所有限公司,山東青島 266031）

高速動車組救援是動車組運用維修體系中的關鍵組成部分，是應急處置的重點之一。如何提升高速鐵路系統(tǒng)的故障可用性，在確保安全的情況下減小嚴重故障處置的影響范圍是全路共同關注的問題。

我國多平臺動車組共用、長交路跨線運行等情況與國外不同。傳統(tǒng)的機車救援因機車速度和熱備點數量限制，機車趕赴救援點時間較長。此外，制動補給能力不高，救援效率存在明顯瓶頸。同型短編采用類似重聯(lián)式的連掛救援適用面又較為狹窄。

在實際運用中，業(yè)界創(chuàng)造性地提出動車組相互救援的解決方案，拓展了救援的可能性。我國動車組目前已涵蓋15 個平臺，上百個批次動車組。多個標準體系共存，“互聯(lián)互救”涉及問題比較多。國外無成熟經驗可借鑒，系統(tǒng)組織推進該方案落地具有一定的難度，需要開展大量的前期研究工作。

機械連掛運用技術研究屬于動車組相互救援技術研究的組成部分，在原有統(tǒng)型過渡鉤初步運用的基礎上進行提升，從運用角度成體系研究動車組救援機械連掛技術。重點討論2 個主要的問題，我國多車型、車種互相排列組合情況下，工況繁多，一是實際救援車到達現場后，鉤型及高差不同是否都能連掛上；二是過渡車鉤具備錯格的能力，但錯格后強度有變化。在不同車型編組組合、牽引制動工況、坡道等情況下，強度邊界能力如何確定。文中主要關注現有條件下動車組救援的可行性，其他細節(jié)性問題如過渡鉤局部防錯裝改進、以及對曲線連掛能力的影響等限于篇幅，不展開討論。

1 相互救援機械連掛基礎組件

1.1 統(tǒng)型過渡車鉤的研制與優(yōu)化

我國動車組前端鉤型面有連桿式、柱銷式、關節(jié)式。標稱鉤高有880、1 000、1 025 mm 3 種情況。早期引進平臺動車組原配過渡鉤均僅面向機車救援回送，結構匯總如圖1 所示。經調研，屈服強度均未超過450 kN，其中有2 款強度僅300 kN，使用過程中存在較多的限制。如CRH3C 型動車組要求起動加速度不能超過0.1 m/s2，起動坡度不能超過12‰，運行中線路不應大于20‰。對特殊線路適用性較差，部分情況難以救援，長編組情況更甚。

圖1 早期動車組原始過渡鉤

2014 年前后，我國完成了統(tǒng)型過渡鉤的研制，提出過渡車鉤模塊化概念及插隼式結構，實現不同車鉤廓形間的靈活組合連掛，降低了單模塊的質量，并具有一定的鉤高差調整能力。現行動車組相互救援暫行作業(yè)辦法在動車組相互救援中明確啟用了統(tǒng)型過渡車鉤［1-3］。

統(tǒng)型過渡鉤在原機車救援過渡鉤的基礎上為后續(xù)動車組相互救援模式的推進、減少運行限制提供可行性。但錯格連掛等運用體系方面的要求還需進一步完善。

1.2 相互救援機械連掛體系與統(tǒng)型過渡鉤

由于統(tǒng)型過渡鉤實現從無到有的巨大變化，現場容易誤認為我國動車組相互救援機械連掛主體是統(tǒng)型過渡鉤。

從相互救援體系的視角，與直接連掛工況相比使用過渡鉤救援屬于補充性的技術方案，應用時配套的性能會有所降低。具體體現在作業(yè)過程搬運掛鉤等需大量人工操作，可控性變差。強度與前端車鉤直連相比會有所降低。僅可實現BP 制動管的貫通，目前不具備雙管供風的能力。由于過渡鉤本身不帶有導向桿，連掛能力范圍會有所縮減。加掛過渡車鉤后，前端鉤承重連掛端面下垂，可能需要人工輔助抬鉤。在曲線連掛工況過渡車鉤延展了車間距離，自動連掛能力也會有一定的影響，需要人工輔助校正。

動車組相互救援目前是以10 型鉤為主線。隨著前端車鉤的統(tǒng)型，中國標準動車組配屬數量的提升，直接使用10 型鉤相連會逐漸上升為主要救援工況。此方案保證了運用上最優(yōu)的連掛及后續(xù)運行性能。統(tǒng)型過渡鉤僅是一個針對完備性方面的補充方案。

當然也要注意統(tǒng)型過渡車鉤的功能并不局限于解決異型面車鉤的連掛問題。同型面車鉤在極端情況下如果鉤高差過大也需要使用，避免空簧爆裂等無法救援。此外還兼有避免特殊情況下2列動車組前端組件干涉的功能。如CRH2A 平臺動車組統(tǒng)型批次，因引進平臺早期使用無導向桿的柴田鉤配套導流罩開口度較小，如與CRH5A 型動車組長版導向桿連掛容易干涉。使用過渡鉤后延展了車鉤間距，可間接解決此問題。

綜上所述，形成過渡車鉤組合的完整矩陣體系見表1。

表1 統(tǒng)型過渡車鉤模塊組合示意

2 過渡車鉤錯格連掛完備性研究

錯格連掛完備性研究的整體思路如圖2所示。

圖2 核算流程

2.1 各車型相關參數情況摸底

2.1.1 各車型前端鉤參數

組織對各型動車組名義鉤高、輪徑等參數進行系統(tǒng)摸底。

自然狀態(tài)下前端車鉤可能存在下垂的情況，加掛過渡鉤后前端車鉤可能存在進一步的下垂，不同情況下幅度可能存在差異。考慮到下垂較大時人工干預回調的幅度也較大，下垂數值不影響“救援可行性”的判別結論，只是影響到是否需要人工輔助連掛，故核算中進行了簡化處理，掛過渡鉤后，下垂量統(tǒng)一按照25 mm 考慮，人工輔助回調能力按照20 mm 進行。

2.1.2 不同車鉤連掛能力

連掛能力為空間匹配問題，與多個因素相關，核算中采用留有適當余量簡化為一維數值處理。模塊1、3 上下連掛高差為±64 mm，模塊2 為±60 mm，模塊4 為±50 mm。考慮人工測量的準確度及后續(xù)核算的便捷性，簡統(tǒng)按照±50 mm 計算。機車與關節(jié)式車鉤直連，范圍為±70 mm。

前端車鉤設有導引桿時，經臺架試驗確認可行性，擴展高差為+100 mm（如為CRH5A 長版導向桿，則擴展高差為+150 mm）。

2.2 車型匹配核算

在明確前述各參數及能力范圍后，開展全譜系核定。采取相對聚類分析的方法。針對同類型前端鉤共用同一標尺。

全譜系核定中，逐級核算的目錄如何展開，各級目錄分別選擇什么技術口徑進行切分，影響到體系的簡潔性。經過規(guī)劃及多輪迭代優(yōu)化，采用如下目錄展開為較優(yōu)解，如圖3 所示。

圖3 車型全譜系核算展開方案

高差調節(jié)方式有錯格、反向連掛、人工協(xié)助等多種，同時還可以組合使用。即使在某一確定的高度差的情況下，可實現連掛的方式也有多種可能性。故存在方式優(yōu)選的問題。以基準鉤高互聯(lián)（主動連掛側無導引桿）核算為例，對各種方式適用的高差范圍進行確定，橫向比對，形成優(yōu)選結論示例見表2。優(yōu)選方案盡量避免人工干預，同時以盡量不錯格作為原則。不同高差下的最優(yōu)方案切換處留有適當的測量誤差容忍空間。其他工況類似處理。

表2 連掛方式優(yōu)選結果示例

2.3 全譜系高差連掛核算

明確了具體高差情況下的最優(yōu)連掛方式，即可代入進行后續(xù)連掛工況核算。各類情況下核算信息較多，此處僅以基準鉤高互連中主動連掛側有導向桿的情況示例，如圖4 所示。核算中同時標記了可不使用過渡鉤直接連掛的區(qū)域。通過核算找出連掛盲區(qū)，研究處置方案。

圖4 典型核算情況示例

此外，核算過程中也綜合考慮制動系統(tǒng)主動救援能力，如CRH2A/2C/380A 平臺動車組，僅考慮統(tǒng)型批次作為主動救援車救援其他平臺動車組，非統(tǒng)型批次不考慮。

2.4 核算結論

不同模塊錯格上方向調整和下方向調整范圍累加為2 格，一般為上下各1 格（880 mm 和1 000 mm模塊配合，僅可往小高差方向單向調2 格）。此錯格條件，可以滿足動車組相互救援的覆蓋性。僅需針對如下特殊情況進行處理。

（1）高鉤主動連掛低鉤極端情況：CRH5A 型動車組連掛CRH1A/CRH380D 平臺、機車時。

（2）低鉤主動連掛高鉤極端情況：CRH5G、CRH1A/380D 連掛其他10 型車鉤平臺以及CRH1B/1E（1~2）連掛機車時。

對2 類情況進行匯總，CRH5A 型動車組車鉤高為1 035 mm（1 025+10 mm），需將最大鉤高側降低25 mm。而CRH1A/CRH380D 平臺標稱車鉤為880 mm 的相關車型（批次）、CRH5G 型動車組在空簧壓死時高差達到90 mm，這2 種情況在空簧無風時車鉤高度最低，需將出庫最小鉤高提升15 mm。

此外，同步核定了CRH1B/1E（1~2）批次動車組考慮機車救援時，需按照最大上偏差調整，出庫鉤高大于848 mm（不屬于過渡鉤連掛工況）。

3 錯格情況下強度限值研究

調格覆蓋性確認后，同步組織過渡鉤研制單位進行了強度限值精準化研究［4］。

3.1 工況梳理及試驗情況

因模塊之間正常組合工況前期已經進行了拉壓強度試驗，重點研究補充兩側鉤高差增大的工況。具體梳理見表3。

表3 模塊高差相對增大情況匯總表

在地面綜合實驗臺驗證統(tǒng)型過渡車鉤縱向拉伸500 kN、壓縮550 kN 及縱向拉伸800 kN（破壞試驗）下過渡車鉤的情況。具體方法如下：

（1）強度試驗。拉伸工況，過渡車鉤安裝完畢，確認所有試驗設備完好后，緩慢加載至300 kN，保持30 s 后卸載，分解車鉤。觀察統(tǒng)型過渡車鉤的各個零部件是否發(fā)生變形或損壞，如無異常情況，重新組裝，按照要求的試驗載荷加載至500 kN 后卸載，觀察過渡車鉤情況；壓縮工況類似，觀察過渡車鉤情況。

（2）破壞試驗。確認所有試驗設備完好后緩慢加載至800 kN，保持30 s 后卸載，分解車鉤。觀察統(tǒng)型過渡車鉤情況。

強度試驗和破壞試驗的結果見表4。

表4 錯格工況下的強度與破壞試驗結果

各類工況下，工況A 和工況D 試驗結果較差，具體如下：

強度試驗中，連接銷試驗后能正常拔出但發(fā)生輕微彎曲，工況A 強度試驗情況如圖5、圖6 所示，工況D 類似。

圖5 工況A 過渡鉤試驗安裝情況、載荷反饋

圖6 工況A 拉伸載荷500 kN 后連接銷輕微彎曲

破壞試驗中，除連接銷發(fā)生較為嚴重的變形，模塊間拆分較為困難外，鉤體出現局部破壞。具體如圖 7、圖8 所示。

圖7 工況A 模塊1 凸錐斷裂，模塊2 插齒斷裂

圖8 工況D 模塊4 斷裂

3.2 試驗分析及結論

對上述現象進行分析。試驗結果反映的耐受能力，可分為2 個級別。試驗情況解析見表5。

表5 按照試驗情況解析表

以上所有工況中，如以慣用的相對過渡鉤現有標記線錯格數的視角錯格數量均為1 格，耐受能力卻明顯有別，規(guī)律不直觀。此處分析切換一個新視角。

統(tǒng)型過渡鉤設計階段為橋接不同標稱高前端車鉤的連掛，在模塊1、4 設置有高差補償結構。從受力的角度，采用相對車鉤模塊整體承載能力平衡線做為基準進行計算會更為直觀。此時，工況A、D 錯格數為2，其他情況錯格數為1。因錯格數越大重疊區(qū)及受力的平衡度越差，承載能力相應低。以此角度規(guī)范運用錯格要求最為簡潔，同時可派生出一種新的現場錯格管控可視化方案。

模塊1、4 互相連掛時，兩者同時存在高差補償結構。左右平衡故允許上下錯一格。當模塊1 或模塊4 同其他模塊連掛時單側存在高差，則僅允許往高差小的方向調整2 格。

綜上所述，在確定運用調整范圍為相對車鉤模塊整體承載能力平衡線上下各1 的情況下，結合強度試驗，可明確過渡鉤的仿真計算限值。

在相互救援整體研究中，綜合考慮CRH5A 平臺動車組中間車鉤強度拉伸和壓縮屈服力值僅700 kN 和800 kN（采用吊頂螺栓實現縱向連接），統(tǒng)型過渡鉤的仿真計算限值與該值進行統(tǒng)一。實現簡統(tǒng)化并留有適當安全余量。

相對于原配過渡車鉤，此能力限值已有較大幅度提升，作為動車組相互救援縱向動力學計算的寶貴輸入。在后續(xù)總體方案研究中，基本滿足體系搭建的要求。

4 結 論

動車組相互救援目前以10 型鉤為主線，統(tǒng)型過渡鉤作為基礎性補充。

統(tǒng)型過渡鉤實現型面及高差的橋接，錯格能力可完成動車組相互救援的基本覆蓋，僅需對少數車鉤高度較為特殊的車型前端鉤高進行微調。

綜合統(tǒng)型過渡車鉤強度試驗結果，動車組相互救援縱向動力學仿真中，采用拉伸700 kN、壓縮800 kN 作為緊急救援使用的強度限值。