1 引言

歐洲鐵路貨運(yùn)車(chē)輛數(shù)字化自動(dòng)車(chē)鉤（DAC）項(xiàng)目（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“歐洲數(shù)字化自動(dòng)車(chē)鉤項(xiàng)目”）是一個(gè)由德國(guó)聯(lián)邦運(yùn)輸和數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施部（BMVI）資助、由DAC4EU財(cái)團(tuán)承擔(dān)的項(xiàng)目。其中，DAC4EU財(cái)團(tuán)是由德國(guó)鐵路股份公司（DB）牽頭，DB貨運(yùn)子公司（DB Cargo）、奧地利鐵路貨運(yùn)公司（Rail Cargo Austria）、瑞士聯(lián)邦鐵路公司貨運(yùn)子公司（SBB Cargo）以 及GATX、VTG和Ermewa 3家鐵路車(chē)輛租賃公司參與的聯(lián)營(yíng)體。該項(xiàng)目從2021年6 月開(kāi)始，將持續(xù)到2022年12月，由BMVI提供1 300萬(wàn)歐元的資金支持。其重要內(nèi)容是，對(duì)目前市場(chǎng)上可用的4種不同品牌DAC樣件進(jìn)行測(cè)試，從中選出一種可在整個(gè)歐洲推廣使用的產(chǎn)品，推動(dòng)DAC相關(guān)技術(shù)方案的部署。

2 測(cè)試概述

2.1 DAC 類(lèi)型

本次測(cè)試涉及的DAC類(lèi)型共有4種，分別由Faiveley、CAF MiiRA（目前CAF MiiRA的車(chē)鉤業(yè)務(wù)已由Dellner接管）、Dellner和Voith 4家公司提供。其中，Voith和Dellner的產(chǎn)品為Scharfenberg密接車(chē)鉤，F(xiàn)aiveley的產(chǎn)品采用Schwab公司生產(chǎn)的自動(dòng)車(chē)鉤鉤頭，而CAF MiiRA的產(chǎn)品采用SA-3型自動(dòng)車(chē)鉤鉤頭，如圖 1所示。4種DAC采用各自特殊的彈簧疊片解決方案，與車(chē)身連接的方式由產(chǎn)品制造商決定。

圖1 測(cè)試涉及的4種DAC類(lèi)型

2.2 測(cè)試類(lèi)型

測(cè)試重點(diǎn)是DAC鉤頭的以下功能：①自動(dòng)機(jī)械連接；②風(fēng)管自動(dòng)連接；③電纜和數(shù)據(jù)線自動(dòng)連接（即電氣連接）；④手動(dòng)解鉤。此外，還要對(duì)DAC進(jìn)行其他方面的測(cè)試，包括連接狀態(tài)下對(duì)于具有特定軌道線形線路的可通過(guò)性、縱向推力作用下的行駛安全性，以及在極端氣候條件下的性能等。測(cè)試類(lèi)型具體包括以下5種：①連接測(cè)試；②行駛測(cè)試；③推送測(cè)試；④氣候室測(cè)試；⑤靜態(tài)測(cè)試和編組測(cè)試。

本文將對(duì)前4種測(cè)試進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。靜態(tài)測(cè)試和編組測(cè)試主要用于驗(yàn)證DAC的電流和數(shù)據(jù)傳輸功能，本文不做討論。

2.3 測(cè)試車(chē)輛

測(cè)試車(chē)輛采用3輛編組的貨車(chē)，即1輛Zags 119型4軸壓縮氣體罐車(chē)（Z車(chē)）、1輛Hbbins 306型2軸側(cè)板可拉開(kāi)貨車(chē)（H車(chē)）和1輛Eanos-x 059型4軸敞篷貨車(chē)（E車(chē)）。Z車(chē)和E車(chē)的一側(cè)安裝DAC（用于連接H車(chē)），另一側(cè)安裝帶有側(cè)緩沖器的傳統(tǒng)螺旋車(chē)鉤（用于連接機(jī)車(chē)）。H車(chē)位于Z車(chē)和E車(chē)之間，兩側(cè)均裝有DAC。

上述3種車(chē)輛幾何形狀各不相同，軸數(shù)也不同，即使是軸數(shù)相同的Z車(chē)和E車(chē)，其轉(zhuǎn)向架中心銷(xiāo)距離以及轉(zhuǎn)向架中心至緩沖器外側(cè)距離也各異（Z車(chē)較E車(chē)更長(zhǎng)），這導(dǎo)致編組車(chē)輛在直線及不同半徑曲線上行駛時(shí)，各車(chē)與車(chē)鉤所成的角度各不相同。因此，可以通過(guò)設(shè)定不同的測(cè)試場(chǎng)景（包括特定的軌道線形、車(chē)輛行駛速度、裝載狀態(tài)），對(duì)DAC性能進(jìn)行全面測(cè)試，如表1所示。此時(shí)，DAC車(chē)鉤的橫向和豎向偏轉(zhuǎn)是測(cè)試重點(diǎn)。

為測(cè)量DAC車(chē)鉤在不同連接場(chǎng)景下的豎向偏轉(zhuǎn)，以及車(chē)輛裝載狀態(tài)對(duì)連接過(guò)程中動(dòng)量和彈簧裝置需吸收能量的影響，需在測(cè)試中改變各車(chē)的裝載狀態(tài)。其中，E車(chē)在所有測(cè)試中均為90 t的滿(mǎn)載狀態(tài)；Z車(chē)在連接、行駛和氣候室3種測(cè)試期間空載，在推送測(cè)試時(shí)為90 t負(fù)載；H車(chē)的裝載狀態(tài)在連接和行駛測(cè)試期間會(huì)發(fā)生變化，除空載外，還有半載和滿(mǎn)載狀態(tài)。

2.4 基礎(chǔ)設(shè)施

連接和行駛測(cè)試需要在直線及不同半徑的曲線（包括道岔處的S形曲線）上進(jìn)行，具體情況如表1所示。此外，行駛測(cè)試還涉及一種特殊的基礎(chǔ)設(shè)施，即輪渡引坡，這是一種列車(chē)經(jīng)過(guò)鐵路輪渡時(shí)會(huì)遇到的極為特殊的軌道線形。

為此，測(cè)試項(xiàng)目組選取位于德國(guó)格爾利茨（G?rlitz）市郊施勞羅特（Schlauroth）的T?V Süd Rail GmbH公司所屬線路進(jìn)行上述測(cè)試，因?yàn)槠渚邆渖鲜鏊璧乃熊壍谰€形，測(cè)試在常規(guī)鐵路運(yùn)營(yíng)之外的時(shí)間展開(kāi)。氣候室測(cè)試在DB系統(tǒng)技術(shù)子公司（DB Systemtechnik）位于明登的MEikE氣候室中進(jìn)行。

2.5 測(cè)量設(shè)備

DAC和車(chē)輛上都安裝用于測(cè)試的傳感器。DAC上安裝應(yīng)變計(jì)，用于測(cè)力，以及測(cè)量DAC鉤頭和電氣接頭的縱向、橫向、垂向加速度。DAC鉤頭的縱向、橫向偏轉(zhuǎn)由線驅(qū)動(dòng)編碼器測(cè)量，其垂向偏轉(zhuǎn)通過(guò)激光傳感器記錄。通過(guò)測(cè)量觸點(diǎn)處的電阻可獲知DAC的電氣連接狀況。車(chē)輛速度由安裝在輪對(duì)軸承中的增量型編碼器測(cè)量。壓力傳感器用于測(cè)量主風(fēng)管和制動(dòng)缸壓力。H車(chē)上安裝用于測(cè)量車(chē)輪接觸力和橫向力的測(cè)力輪對(duì)，以及在推送測(cè)試期間測(cè)量車(chē)輪抬升量的裝置。

上述測(cè)量設(shè)備均由蓄電池供電，車(chē)輛與車(chē)輛、車(chē)輛與控制中心間的數(shù)據(jù)傳輸通過(guò)WLAN實(shí)現(xiàn)。

3 測(cè)試內(nèi)容及結(jié)果

3.1 連接測(cè)試

3.1.1 內(nèi)容

連接測(cè)試的目的是研究?jī)奢v車(chē)之間的連接過(guò)程。為此，利用機(jī)車(chē)將E車(chē)和Z車(chē)中的1輛（另一輛不參與）加速向停在軌道上且未施加制動(dòng)的H車(chē)方向推送，在被推送車(chē)輛達(dá)到一定速度后使其脫離機(jī)車(chē)，并以設(shè)定的目標(biāo)速度向H車(chē)滑去，直至二者車(chē)鉤撞擊并連接到位。被推送的車(chē)輛在撞擊前的目標(biāo)速度為2、4、6、8、10、12 km/h不等，其裝載條件會(huì)發(fā)生變化。靜止H車(chē)的裝載條件也不同。具體測(cè)試情況如表1所示。

表1 連接和行駛測(cè)試中的各種測(cè)試場(chǎng)景

連接后的車(chē)組會(huì)被拉回起始位置并解鉤。此時(shí)，測(cè)量設(shè)備會(huì)對(duì)解鉤所需的手動(dòng)力進(jìn)行測(cè)量。每種測(cè)試場(chǎng)景下重復(fù)進(jìn)行5次測(cè)試。

3.1.2 結(jié)果

圖2展示了連接過(guò)程中被推送車(chē)輛速度（最高10 km/h）隨時(shí)間變化的情況，其中列出了目標(biāo)速度為10 km/h的全部5次測(cè)試情況，以及目標(biāo)速度分別為2、4、6、8 km/h的1次測(cè)試情況。連接過(guò)程從0 s開(kāi)始。由圖可知，車(chē)輛實(shí)際速度與設(shè)定目標(biāo)速度之間的偏差為±0.2 km/h。從目標(biāo)速度為10 km/h的5次重復(fù)測(cè)試結(jié)果可以看出，車(chē)輛在每次連接時(shí)的行駛速度幾乎相同。

圖2 被推送車(chē)輛在連接過(guò)程中的速度變化曲線

圖3展示了連接過(guò)程中DAC的受力情況。此時(shí)考慮的時(shí)間范圍較短，連接過(guò)程也從0 s開(kāi)始。此時(shí)，DAC會(huì)承受壓力，被壓縮，約0.1 s后壓力達(dá)到最大，隨后是周期性的強(qiáng)阻尼振動(dòng)過(guò)程，其特性取決于彈簧裝置的設(shè)計(jì)。由圖3可知，目標(biāo)速度為10 km/h的5次重復(fù)測(cè)試結(jié)果具有良好的可重復(fù)性。

圖3 連接過(guò)程中不同目標(biāo)速度下DAC受力變化曲線

3.2 行駛測(cè)試

3.2.1 內(nèi)容

行駛測(cè)試的目的是檢查連接后的DAC能否在各種軌道線形下都能夠維持正常功能，即電氣連接正常，風(fēng)管密封，機(jī)械連接良好。為此，將上述3輛編組的列車(chē)?yán)^(guò)或推過(guò)軌道線形各異的線路區(qū)段，每個(gè)行駛方向上測(cè)試5次，共測(cè)試10次。與連接測(cè)試相比，行駛測(cè)試增加了極小半徑曲線和輪渡引坡2個(gè)測(cè)試場(chǎng)景。此外，測(cè)試項(xiàng)目組還需測(cè)試電氣連接和測(cè)量壓縮空氣壓力，以驗(yàn)證DAC是否運(yùn)行良好。

3.2.2 結(jié)果

圖4展示了編組車(chē)輛行駛通過(guò)S形曲線時(shí)H車(chē)兩側(cè)DAC鉤頭橫向偏轉(zhuǎn)的情況。將推動(dòng)測(cè)試中DAC鉤頭在E車(chē)側(cè)出現(xiàn)最大偏轉(zhuǎn)，以及拉動(dòng)測(cè)試中在Z車(chē)側(cè)出現(xiàn)最大偏轉(zhuǎn)的時(shí)間點(diǎn)定義為0 s。為驗(yàn)證測(cè)試結(jié)果的可重復(fù)性，圖中列出了推動(dòng)和拉動(dòng)2種方式下的各2次測(cè)試結(jié)果。由圖4可知，同種測(cè)試場(chǎng)景下，測(cè)試結(jié)果高度重合，具有可重復(fù)性。

圖4 編組車(chē)輛行駛通過(guò)S形曲線時(shí)H車(chē)兩側(cè)DAC鉤頭橫向偏轉(zhuǎn)量變化曲線

3.3 推送測(cè)試

3.3.1 內(nèi)容

推送測(cè)試用于研究DAC在恒定縱向推力作用下的安全性，即通過(guò)DAC連接的編組列車(chē)在恒定縱向推力作用下能否通過(guò)具有特定軌道線形的線路區(qū)段，并保證不出現(xiàn)不允許的車(chē)輛異常碰撞、脫軌等現(xiàn)象。連接臂與車(chē)體之間DAC接頭的設(shè)計(jì)對(duì)此有較大影響。此外，通過(guò)推送測(cè)試，還能夠比較得出，哪種DAC設(shè)計(jì)在縱向推力相同的情況下產(chǎn)生的橫向力更小，導(dǎo)致的車(chē)輪和軌道磨損更少。

此測(cè)試以空載H貨車(chē)為測(cè)試對(duì)象，該車(chē)位于有裝載的E車(chē)與Z車(chē)之間。車(chē)組在恒定縱向推力（在一次測(cè)試中恒定）的作用下經(jīng)過(guò)半徑為150 m的S形曲線，推力在測(cè)試中逐次增大。

3.3.2 結(jié)果

圖5展示了在縱向推力不同的2次推送測(cè)試（分別為測(cè)試5和測(cè)試6）中，H車(chē)前端（即E車(chē)側(cè)）DAC鉤頭的橫向偏轉(zhuǎn)情況以及該車(chē)前輪的導(dǎo)向力情況。選擇H車(chē)前輪對(duì)位于夾直線區(qū)域的時(shí)刻作為0 s。測(cè)試5中的縱向推力為200 kN，測(cè)試6中的縱向推力為475 kN。由圖5可知，當(dāng)編組車(chē)輛通過(guò)S形曲線時(shí)，0 s之前是右輪在外軌上滾動(dòng)，右輪導(dǎo)向力強(qiáng)于左輪；0 s之后則為左輪在外軌上滾動(dòng)，左輪導(dǎo)向力強(qiáng)于右輪；DAC鉤頭的橫向偏轉(zhuǎn)（即產(chǎn)生的橫向力）隨著縱向推力的加大而增加。

圖5 編組車(chē)輛行駛通過(guò)S形曲線時(shí)H車(chē)兩側(cè)DAC鉤頭橫向偏轉(zhuǎn)量及前輪導(dǎo)向力變化曲線

3.4 氣候室測(cè)試

氣候室測(cè)試是在極端氣候條件下（如-25 ℃冰凍或45 ℃高溫）對(duì)DAC的連接和解鉤過(guò)程進(jìn)行研究，用于測(cè)試DAC在不同氣候條件下的性能，即車(chē)鉤是否能夠正常連接和解鉤，以及在連接狀態(tài)下是否具有穩(wěn)定的電氣和機(jī)械性能。測(cè)試在直線軌道上進(jìn)行，3輛編組的車(chē)組在測(cè)試中保持低速行駛。2個(gè)連接點(diǎn)中的一個(gè)處于連接狀態(tài)，另一個(gè)處于未連接狀態(tài)，即首先將H車(chē)與E車(chē)連接，Z車(chē)不連接，然后將H車(chē)與E車(chē)解鉤，再將Z車(chē)推向H車(chē)直至二者連接到位。圖6展示了-10 ℃冰凍條件下的氣候室測(cè)試場(chǎng)景。

圖6 -10 ℃ 冰凍條件下的氣候室測(cè)試場(chǎng)景

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)每個(gè)DAC設(shè)計(jì)進(jìn)行各種類(lèi)型的多次測(cè)試，以及對(duì)測(cè)試過(guò)程中的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和分析，可以詳細(xì)了解DAC的性能。測(cè)試完成后，測(cè)試項(xiàng)目組會(huì)對(duì)4 種DAC設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)比較，以選出一款合適的車(chē)鉤在整個(gè)歐洲推廣應(yīng)用。