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，對業(yè)主使用和管理維護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B型車輛用連桿式車鉤、柱銷式車鉤進行結(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。因為B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，完成機械連掛。對比連桿式車鉤(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機械結(jié)構(gòu)分析

連桿式車鉤機械結(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，理論上可以進行互聯(lián)操作。

1.2.2機械連掛原理分析

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入連掛狀態(tài)。車鉤進入連掛狀態(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行進一步處理前無法進行連掛，否則會造成車鉤損傷。

圖4 連桿式車鉤頭連掛面簡圖

表1 不同車鉤廠家技術參數(shù)對比 /mm

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

1.2.4動力學計算分析

國內(nèi)B型地鐵車輛，車體存在多種強度類型，車型1：壓縮強度(屈服)為800 kN；車型2：壓縮強度(屈服)為900 kN；車型3：壓縮強度(屈服)為1 000 kN。本節(jié)將通過動力學計算研究不同強度車型互聯(lián)時，車體強度是否滿足要求，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。

當車型2與車型1碰撞時， 車型1因車體強度低， 配置的各級吸能裝置的觸發(fā)力相對于車型2也逐級降低。 在車重相同的前提下， 工況AW2-AW2時， 兩列車相互碰撞， 車型2所受的最大車鉤力將超過544 kN， 容易對車型2造成損傷。 不同的車型之間確定需要互聯(lián)時， 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)動力學分析，不同強度車型之間如果按照AW2車輛以5 km/h速度撞擊AW2車輛這樣的工況進行連掛，容易造成車輛損傷。確定需要連掛時，須按最低連掛速度進行連掛。

同強度車型之間，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，確認在坡道救援下，車鉤滿足技術要求。

通過對坡道上一列救援列車推行一列故障列車運行至一定速度時實施緊急制動的過程進行仿真模擬，計算所有車鉤產(chǎn)生的作用力，驗證互聯(lián)后車鉤設計是否滿足救援使用需求。

對于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30 km/h時實施緊急制動工況。通過adams軟件對坡道救援進行計算，得到各車鉤斷面力和行程的關系，如表3所示(兩列6編組的列車共12輛車，11個斷面)。

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，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，需要將各自的控制系統(tǒng)關閉，避免車鉤控制方面的混亂。

氣動控制方式如圖6所示，連掛時當車鉤面板接觸后，默認車鉤完成連掛，從而完成整個連掛動作；解鉤時，需要在車鉤上配置解鉤風管，通過解鉤風管完成解鉤動作。無車鉤狀態(tài)監(jiān)測。

圖6 氣控系統(tǒng)方案圖

電控方式，如圖7所示，連掛時，通過傳感器感應車鉤連掛狀態(tài)，當車鉤連掛正常后，完成連掛動作，解鉤時，不需要在車鉤上設置解鉤風管，通過邏輯電路完成解鉤。有車鉤狀態(tài)檢測。

圖7 電控系統(tǒng)方案圖

對于電氣車鉤，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)往往不能實現(xiàn)。

結(jié)論：電鉤不能實現(xiàn)互聯(lián)，互聯(lián)時需關閉車鉤控制系統(tǒng)。一般情況救援時，完成機械車鉤連掛，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，存在連掛風險，連掛前需要對雙方的技術參數(shù)進行詳細分析、對比，試驗驗證。

2 互聯(lián)功能實現(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，要實現(xiàn)互聯(lián)，連掛前需要對車鉤技術參數(shù)進行詳細分析，如果出現(xiàn)表1所示的情況，則無法互聯(lián)，可通過在架大修時對車鉤輪廓進行微調(diào)優(yōu)化，如表4所示，如對較大的凸錐直徑?206 mm鏇形到?204 mm，鏇形后車鉤凸錐壁厚變薄，需要對其進行強度分析，驗證強度是否依然滿足要求。

(2)強度校核

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

表4 互聯(lián)技術參數(shù)變更 /mm

圖8 連桿式車鉤頭有限元計算

(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，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、凹錐導向功能稍微減弱，車鉤連掛后，車鉤上下方向會有3 mm的竄動量?？赡軙χ黠L管連接或者解鉤風管造成影響。通過分析，如圖9所示，車鉤上下竄動3 mm時，主風管密封圈、解鉤風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)功能實現(xiàn)

根據(jù)以上分析，實現(xiàn)互聯(lián)須在車鉤輪廓中，對關鍵連掛結(jié)構(gòu)尺寸等方面進行統(tǒng)一，即對車鉤進行統(tǒng)形。需要主機公司在項目開始前，對不同廠家的車鉤參數(shù)進行統(tǒng)一。我國正在開展標準地鐵的研發(fā)工作，借此機會，向標準地鐵項目組提出了鉤頭的設計統(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，該建議已被標準地鐵項目組采納。

圖9 鏇形后連桿式車鉤連掛后氣路連接

根據(jù)標準地鐵項目規(guī)劃，在完成設計之后，各車鉤生產(chǎn)廠家根據(jù)統(tǒng)型設計制造產(chǎn)品，將進行不同廠家車鉤互聯(lián)互通試驗，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，以此實現(xiàn)不同廠家車鉤的互聯(lián)互通。在標準地鐵推廣后，即可有效解決國內(nèi)業(yè)主的互聯(lián)需求。

在標準地鐵車輛未批量生產(chǎn)前，可建議車鉤廠商，按照標準地鐵要求，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)，既有線路上因為車鉤的制式不同，車鉤生產(chǎn)廠家不同，連掛前需要校核、計算，同一制式的車鉤最終可通過鏇形的方式實現(xiàn)機械車鉤的連掛以及氣路的連接，但是不能實現(xiàn)電氣車鉤的互聯(lián)。未建線路中，可以通過標準地鐵中關于車鉤的統(tǒng)形工作，實現(xiàn)機械、氣路、電氣的完全互聯(lián)互通。