劉文俊, 劉鳳剛

(1 中車(chē)大同電力機(jī)車(chē)有限公司 技術(shù)中心， 山西大同 037038；2 中車(chē)青島四方車(chē)輛研究所有限公司 鉤緩事業(yè)部， 山東青島 266031)

國(guó)內(nèi)救援機(jī)車(chē)車(chē)鉤近30年來(lái)一直以ND型車(chē)鉤(現(xiàn)100型)或短頸的雜型車(chē)鉤(3號(hào)～8號(hào)等)為主。這類(lèi)救援裝備僅能對(duì)160 km/h以下的干線(xiàn)機(jī)車(chē)車(chē)輛實(shí)施直接、有效的救援，對(duì)新增提速客車(chē)、高速動(dòng)車(chē)組救援時(shí)需要臨時(shí)換裝過(guò)渡車(chē)鉤進(jìn)行連掛轉(zhuǎn)換。但是過(guò)渡車(chē)鉤操作作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度高、過(guò)程繁雜，對(duì)車(chē)鉤本身自重有限制要求，導(dǎo)致?tīng)恳休d能力降低，需要實(shí)施限速運(yùn)行等措施，制約了救援的有效性和救援效率，而且存在因過(guò)渡車(chē)鉤操作程序失誤或鉤型選擇不當(dāng)導(dǎo)致救援分離的安全隱患。對(duì)救援機(jī)車(chē)車(chē)鉤實(shí)施升級(jí)換代，實(shí)現(xiàn)更加安全、快速、高效的連接顯得十分必要的。

而且，隨著近十幾年來(lái)提速客車(chē)和高速動(dòng)車(chē)組的大范圍運(yùn)行，國(guó)內(nèi)鐵路干線(xiàn)上運(yùn)行的交通裝備性能等級(jí)有了很大提升，裝備上應(yīng)用的關(guān)鍵部件也有了全面技術(shù)進(jìn)步。在車(chē)鉤裝置方面，以輕量化、全自動(dòng)、高性能為目標(biāo)的新型號(hào)產(chǎn)品增加了多種型式，也給救援機(jī)車(chē)與被救援對(duì)象間的快速連掛帶來(lái)了新要求，救援機(jī)車(chē)車(chē)鉤需要實(shí)施多功能、多品種配置，以便直接、有效地進(jìn)行連掛救援。

1 可轉(zhuǎn)換車(chē)鉤裝置

1.1 基本結(jié)構(gòu)

可轉(zhuǎn)換車(chē)鉤裝置是一種帶旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)換式多功能車(chē)鉤裝置，主要由救援車(chē)鉤(既有車(chē)鉤)、鉤體、旋轉(zhuǎn)體、轉(zhuǎn)軸組件和彈性支撐裝置(隨救援機(jī)車(chē)車(chē)型而定)等零部件組成，可轉(zhuǎn)換車(chē)鉤裝置總體外形見(jiàn)圖1。

鉤體設(shè)計(jì)為與100型車(chē)鉤相同的鉤身，可與100型車(chē)鉤整鉤互換。但互換時(shí)需對(duì)機(jī)車(chē)車(chē)體端面沖擊座處實(shí)施改造，增加彈性支撐裝置。該方案既適用于新造機(jī)車(chē)，也可用于既有救援機(jī)車(chē)改造。

圖1 可轉(zhuǎn)換車(chē)鉤裝置總體外形圖

1.2 救援車(chē)鉤配置及主要技術(shù)參數(shù)

救援車(chē)鉤選取以下幾種既有車(chē)鉤進(jìn)行配置：

(1)103型車(chē)鉤，與使用100/101/102/103/105A/15/13/16/17型車(chē)鉤的干線(xiàn)機(jī)、客、貨車(chē)直接連掛；

(2)2型車(chē)鉤(枈田式)，與CRH2型動(dòng)車(chē)組直接連掛；

(3)25T型車(chē)鉤，與25T型提速客車(chē)直接連掛；

(4)10型車(chē)鉤，共有2套，分別與高速客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)統(tǒng)型動(dòng)車(chē)組和CRH1/CRH3/CRH5型等非統(tǒng)型動(dòng)車(chē)組直接連掛。車(chē)鉤主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 主要技術(shù)參數(shù)

可轉(zhuǎn)換車(chē)鉤裝置結(jié)構(gòu)尺寸見(jiàn)圖2。

圖2 可轉(zhuǎn)換車(chē)鉤裝置結(jié)構(gòu)尺寸圖

2 主要結(jié)構(gòu)件強(qiáng)度計(jì)算

可轉(zhuǎn)換車(chē)鉤裝置中，鉤體、旋轉(zhuǎn)體、轉(zhuǎn)軸和既有車(chē)鉤為承載關(guān)鍵件，需進(jìn)行強(qiáng)度校核。因?yàn)榧扔熊?chē)鉤為成熟結(jié)構(gòu)，已經(jīng)強(qiáng)度試驗(yàn)和實(shí)際運(yùn)用證明滿(mǎn)足既有標(biāo)準(zhǔn)，所以只需對(duì)鉤體、旋轉(zhuǎn)體、轉(zhuǎn)軸進(jìn)行承載能力校核，其強(qiáng)度應(yīng)滿(mǎn)足TJ/JW 033-2017《交流傳動(dòng)機(jī)車(chē)車(chē)鉤緩沖裝置暫行技術(shù)條件》中破壞載荷不低于3 430 kN的指標(biāo)要求。

鉤體、旋轉(zhuǎn)體材料選E級(jí)鋼，屈服極限、破壞極限分別為690 MPa、830 MPa；轉(zhuǎn)軸材料選40 Cr，屈服極限、破壞極限分別為620 MPa、750 MPa，轉(zhuǎn)軸材料對(duì)應(yīng)的剪切破壞極限為563 MPa。

鉤體、旋轉(zhuǎn)體的計(jì)算采用有限元分析方法，使用Solidworks Simulation軟件；轉(zhuǎn)軸承受剪切應(yīng)力，采用材料力學(xué)公式直接計(jì)算剪切應(yīng)力。計(jì)算得到的結(jié)果以不超過(guò)材料破壞極限值為判定依據(jù)。

2.1 鉤體計(jì)算

根據(jù)鉤體的實(shí)際受力情況，對(duì)其施加3 430 kN的縱向載荷，經(jīng)有限元分析計(jì)算得到的應(yīng)力云圖見(jiàn)圖3。

由圖3可得，鉤體在承受3 430 kN載荷后，鉤身位置及前部轉(zhuǎn)軸孔處為最大應(yīng)力點(diǎn)，最大應(yīng)力795 MPa，小于E級(jí)鋼830 MPa的破壞極限，鉤體設(shè)計(jì)強(qiáng)度滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖3 鉤體有限元計(jì)算的應(yīng)力云圖

2.2 旋轉(zhuǎn)體計(jì)算

根據(jù)旋轉(zhuǎn)體的結(jié)構(gòu)和受力情況，選取偏心最大的法蘭加載3 430 kN載荷計(jì)算，經(jīng)有限元分析計(jì)算得到的應(yīng)力云圖見(jiàn)圖4。

圖4 旋轉(zhuǎn)體有限元計(jì)算分析

由圖4可得，旋轉(zhuǎn)體在承受3 430 kN載荷后，與車(chē)鉤連接法蘭圓筒處為最大應(yīng)力點(diǎn)，最大應(yīng)力751 MPa，小于E級(jí)鋼830 MPa的破壞極限，旋轉(zhuǎn)體設(shè)計(jì)強(qiáng)度滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.3 轉(zhuǎn)軸計(jì)算

轉(zhuǎn)軸設(shè)計(jì)直徑選90 mm，有上、下兩處剪切面。為適應(yīng)被救援列車(chē)不同的鉤高，旋轉(zhuǎn)體與車(chē)鉤連接的法蘭設(shè)置成偏心結(jié)構(gòu)，垂向最大偏心量為145 mm，對(duì)轉(zhuǎn)軸加載3 430 kN的剪切力情況如圖5所示。

圖5 轉(zhuǎn)軸受力情況圖

由圖5可見(jiàn)，旋轉(zhuǎn)軸的危險(xiǎn)截面為下部剪切面，根據(jù)剪切應(yīng)力計(jì)算公式：

可計(jì)算得出旋轉(zhuǎn)軸下部危險(xiǎn)截面的剪切應(yīng)力στ=354 MPa，遠(yuǎn)小于材料破壞剪切應(yīng)力563 MPa，轉(zhuǎn)軸的設(shè)計(jì)強(qiáng)度滿(mǎn)足要求。

2.4 計(jì)算結(jié)果

通過(guò)對(duì)鉤體、旋轉(zhuǎn)體、轉(zhuǎn)軸等受力分析及有限元分析計(jì)算，結(jié)果證明可轉(zhuǎn)換車(chē)鉤裝置主要部件設(shè)計(jì)強(qiáng)度滿(mǎn)足要求。

3 通過(guò)曲線(xiàn)能力校核

選取某型機(jī)車(chē)安裝可轉(zhuǎn)換車(chē)鉤裝置，分別救援25T型客車(chē)、貨車(chē)(C80E型)、CRH2A/B/C/E/J動(dòng)車(chē)組、CRH380A/AL/J動(dòng)車(chē)組、標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車(chē)組等，進(jìn)行車(chē)鉤轉(zhuǎn)角計(jì)算，校核其通過(guò)曲線(xiàn)能力。

要求通過(guò)最小曲線(xiàn)半徑按單車(chē)調(diào)行通過(guò)100 m曲線(xiàn)進(jìn)行計(jì)算校核，并將校核結(jié)果與既有救援機(jī)車(chē)相比較。

3.1 核定機(jī)車(chē)車(chē)輛參數(shù)

救援列車(chē)型號(hào)及轉(zhuǎn)角計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 救援列車(chē)型號(hào)及轉(zhuǎn)角計(jì)算參數(shù)

*隨救援車(chē)鉤鉤型不同有一定變化，該值列于同行左側(cè)“+”號(hào)之前。

3.2 計(jì)算方法

分析和計(jì)算表明，列車(chē)通過(guò)曲線(xiàn)時(shí)，處于曲線(xiàn)上車(chē)輛的車(chē)鉤旋轉(zhuǎn)中心處于最低點(diǎn)時(shí)(假定直線(xiàn)軌道為水平時(shí)，此時(shí)曲線(xiàn)上車(chē)輛的車(chē)鉤旋轉(zhuǎn)中心與曲線(xiàn)的圓心連線(xiàn)將垂直于水平線(xiàn))，車(chē)鉤將產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)角，且該轉(zhuǎn)角通常為兩車(chē)均在曲線(xiàn)上的一倍左右。因此，只需校核列車(chē)通過(guò)直線(xiàn)-曲線(xiàn)切點(diǎn)處的轉(zhuǎn)角即可，如圖6所示。其中：d1、d2分別為兩車(chē)的定距；f1、f2分別為兩車(chē)連掛端車(chē)鉤旋轉(zhuǎn)中心至轉(zhuǎn)向架中心的距離；p1、p2為相連掛兩車(chē)鉤連掛面至旋轉(zhuǎn)中心的長(zhǎng)度；p為相連掛兩車(chē)鉤旋轉(zhuǎn)中心間的距離；R為曲線(xiàn)半徑；γ為車(chē)鉤轉(zhuǎn)角。

圖6 車(chē)輛通過(guò)曲線(xiàn)-直線(xiàn)切點(diǎn)處示意圖

根據(jù)圖6所示的幾何關(guān)系，令

則可推導(dǎo)出車(chē)鉤轉(zhuǎn)角計(jì)算公式：

(1)

(2)

γ=180-α-β

(3)

3.3 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)式(1)～式(3)，可計(jì)算出救援機(jī)車(chē)牽引各型客車(chē)和動(dòng)車(chē)組時(shí)的車(chē)鉤轉(zhuǎn)角，見(jiàn)表3。

3.4 結(jié)果分析

(1)既有機(jī)車(chē)救援與換裝可轉(zhuǎn)換車(chē)鉤裝置后救援比較比較表3中第1行和第2行的車(chē)鉤轉(zhuǎn)角計(jì)算結(jié)果，使用既有機(jī)車(chē)救援25T型客車(chē)時(shí)，機(jī)車(chē)側(cè)車(chē)鉤轉(zhuǎn)角為15.2°，車(chē)輛側(cè)轉(zhuǎn)角為17.1°；換裝可轉(zhuǎn)換車(chē)鉤裝置后救援25T型客車(chē)，機(jī)車(chē)側(cè)車(chē)鉤轉(zhuǎn)角為11.4°，車(chē)輛側(cè)轉(zhuǎn)角為12.5°?？梢?jiàn)，換裝可轉(zhuǎn)換車(chē)鉤裝置后救援25T型客車(chē)，車(chē)鉤轉(zhuǎn)角均有3°～5°的縮小。這說(shuō)明換裝可轉(zhuǎn)換車(chē)鉤裝置后，車(chē)鉤轉(zhuǎn)角有了一定幅度的降低。表3中序號(hào)2～9，列出了換裝可轉(zhuǎn)換車(chē)鉤裝置后，救援其他貨車(chē)、動(dòng)車(chē)組車(chē)鉤轉(zhuǎn)角計(jì)算結(jié)果。

表3 救援機(jī)車(chē)牽引各型車(chē)輛、動(dòng)車(chē)組通過(guò)100 m曲線(xiàn)時(shí)車(chē)鉤轉(zhuǎn)角

(2)救援各車(chē)型時(shí)車(chē)鉤轉(zhuǎn)角冗余度分析

換裝可轉(zhuǎn)換車(chē)鉤裝置后，對(duì)救援既有典型客車(chē)、貨車(chē)和絕大多數(shù)動(dòng)車(chē)組時(shí)的車(chē)鉤轉(zhuǎn)角進(jìn)行的計(jì)算結(jié)果表明，機(jī)車(chē)側(cè)車(chē)鉤轉(zhuǎn)角為12.2°，車(chē)輛側(cè)轉(zhuǎn)角，貨車(chē)為5.3°，25T型客車(chē)為12.5°，動(dòng)車(chē)組中CRH380A/AL/J型為最大15.3°，其他動(dòng)車(chē)組為11°～13°?？梢?jiàn)換裝成可轉(zhuǎn)換車(chē)鉤裝置后，貨車(chē)距最大9°的車(chē)鉤轉(zhuǎn)角有較大冗余，客車(chē)距最大17°轉(zhuǎn)角有一定冗余，動(dòng)車(chē)組距最大17°轉(zhuǎn)角普遍有較大冗余。因此，換裝可轉(zhuǎn)換車(chē)鉤裝置后，機(jī)車(chē)救援車(chē)輛通過(guò)曲線(xiàn)能力普遍提高。

4 車(chē)鉤與車(chē)體干涉分析

分析原則是在確定各車(chē)鉤長(zhǎng)度時(shí)，應(yīng)保證一種車(chē)鉤擔(dān)當(dāng)救援時(shí)，相鄰車(chē)鉤應(yīng)與被救援對(duì)象的車(chē)端保持一定活動(dòng)空間及轉(zhuǎn)角范圍，以確保與被救援對(duì)象不發(fā)生干涉。

以救援普通最易發(fā)生干涉的25K型客車(chē)為例進(jìn)行校驗(yàn)。圖7為100型車(chē)鉤為擔(dān)當(dāng)救援車(chē)鉤時(shí)救援25K型客車(chē)示意圖。擔(dān)當(dāng)車(chē)鉤產(chǎn)生轉(zhuǎn)角后，相鄰車(chē)鉤存在與客車(chē)風(fēng)擋立板干涉的可能性(圖8中A點(diǎn)不能觸碰風(fēng)擋立板，即安全間隙應(yīng)>0)。

圖7 100型車(chē)鉤為擔(dān)當(dāng)救援車(chē)鉤時(shí)相鄰車(chē)鉤與車(chē)體干涉位置示意

針對(duì)相鄰車(chē)鉤與風(fēng)擋立板的干涉點(diǎn)，可將圖7簡(jiǎn)化為圖8所示的模型，即可計(jì)算出干涉發(fā)生時(shí)車(chē)鉤的極限轉(zhuǎn)角α值。

根據(jù)圖8所示的模型的幾何關(guān)系，推導(dǎo)出下列公式：

(4)

(5)

α=β-γ

(6)

根據(jù)設(shè)計(jì)尺寸，一個(gè)車(chē)鉤擔(dān)當(dāng)救援時(shí)，相鄰車(chē)鉤的干涉點(diǎn)所形成的三角形尺寸、旋轉(zhuǎn)半徑及車(chē)端風(fēng)擋立板的位置都是確定的，如表4所示。

考慮到25T與25K型客車(chē)風(fēng)擋立板位置相同，將表4計(jì)算結(jié)果與表3中25T型客車(chē)車(chē)鉤轉(zhuǎn)角比較可知，車(chē)鉤向左側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，與車(chē)體干涉時(shí)的轉(zhuǎn)角比需要的轉(zhuǎn)角大了3.5°；車(chē)鉤向右側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，與車(chē)體干涉時(shí)的轉(zhuǎn)角比需要的轉(zhuǎn)角大了11.3°。因此，確認(rèn)該工況下相鄰配置車(chē)鉤不會(huì)與車(chē)體發(fā)生干涉。

牽引機(jī)車(chē)、貨車(chē)、動(dòng)車(chē)組等的防干涉空間遠(yuǎn)大于25K型客車(chē)，在配置車(chē)鉤外形尺寸相差較小的情況下，可以確認(rèn)救援車(chē)鉤與車(chē)體干涉時(shí)的轉(zhuǎn)角均遠(yuǎn)大于需要的轉(zhuǎn)角。因此，認(rèn)為可轉(zhuǎn)換車(chē)鉤裝備機(jī)車(chē)后，不會(huì)與被牽引對(duì)象發(fā)生干涉。

圖8 100型車(chē)鉤為擔(dān)當(dāng)救援車(chē)鉤時(shí)車(chē)鉤最大轉(zhuǎn)角計(jì)算模型

表4 各車(chē)鉤與車(chē)體發(fā)生干涉時(shí)的車(chē)鉤極限轉(zhuǎn)角

5 結(jié) 論

該救援機(jī)車(chē)用可轉(zhuǎn)換車(chē)鉤裝置，是通過(guò)配置既有車(chē)鉤的方式、借鑒已有成熟運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)、兼容國(guó)內(nèi)鐵路機(jī)車(chē)車(chē)輛的全部車(chē)鉤設(shè)計(jì)而成，通過(guò)過(guò)曲線(xiàn)校核、與車(chē)體干涉分析、強(qiáng)度計(jì)算分析表明切實(shí)可行；運(yùn)用中將擔(dān)當(dāng)車(chē)鉤對(duì)準(zhǔn)被救援對(duì)象后直接連掛，然后插入防轉(zhuǎn)軸銷(xiāo)將車(chē)鉤定位即可，省去安裝過(guò)渡車(chē)鉤和調(diào)整鉤高的操作，也不需要實(shí)施額外限速；既能救援干線(xiàn)用機(jī)車(chē)、動(dòng)車(chē)組、客車(chē)、貨車(chē)，還能調(diào)度城軌、地鐵車(chē)輛，是一種新型、多功能、靈活的救援機(jī)車(chē)用車(chē)鉤裝置。