孟志剛，郭曉亮,張永釗，王 鵬，任朋朋

(1.大秦鐵路股份有限公司 科學(xué)技術(shù)研究所，山西 太原 030013；2.鄭州智輛電子科技有限公司，河南 鄭州 450000)

隨著鐵路交通運(yùn)輸?shù)目焖侔l(fā)展，鐵路機(jī)車車輛越來越多，實用調(diào)度越來越頻繁。機(jī)車車輛進(jìn)入機(jī)務(wù)段、貨場、專用線等需要停車維修保養(yǎng)時，由于這些場所有的不具備設(shè)置安全線條件，必須由人工在車輪下安裝鐵鞋來防止機(jī)車車輛溜車[1]，這種情況存在因線路坡度、人員忘記安裝鐵鞋、意外等原因?qū)е聶C(jī)車車輛溜車的隱患，嚴(yán)重時甚至溜行到車站造成車輛碰撞、人員傷亡等事故，因此機(jī)車車輛溜逸成為鐵路運(yùn)輸生產(chǎn)中潛藏的安全風(fēng)險。本文在參考國內(nèi)外其他防溜裝置[2-3]的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一套機(jī)車車輛自動防溜裝置，可解決機(jī)務(wù)段、貨場、專用線等停留機(jī)車車輛自行溜車的問題。

1 設(shè)計原理及設(shè)計思路

機(jī)車車輛自動防溜裝置的設(shè)計原理是：當(dāng)機(jī)車車輛發(fā)生溜車的情況時，能將鐵鞋機(jī)構(gòu)自動卡進(jìn)車輪中間，使機(jī)車車輛和鋼軌間由滾動摩擦變?yōu)榛瑒幽Σ?，增大它們之間的摩擦力，從而實現(xiàn)停車的目的。其設(shè)計思路如下：

(1) 機(jī)務(wù)段、貨場、專用線自動防溜裝置是一種桅桿運(yùn)動帶動鐵鞋運(yùn)動的裝置，機(jī)構(gòu)動力源為機(jī)車車輛撞擊桅桿帶來的沖擊力。整套機(jī)構(gòu)采用機(jī)械連接，不依靠電子檢測，并保證機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性。

(2) 由于每種車型外形結(jié)構(gòu)尺寸不一致，且排障器距離轉(zhuǎn)向架之間的距離以及轉(zhuǎn)向架輪軸數(shù)都存在差異，在站場安裝時，需要根據(jù)站場內(nèi)機(jī)車車輛外形尺寸來調(diào)整桅桿到鐵鞋之間的距離。本篇以HXD3型和SS4型機(jī)車為參考進(jìn)行討論。HXD3型和SS4型電力機(jī)車外形尺寸如表1所示。

(3) 在軌道兩側(cè)各安裝1套鐵鞋機(jī)構(gòu)，為兼顧于HXD3型、SS4型以及SS4(改)型機(jī)車,桅桿在鐵鞋前方2 800 mm處，保證機(jī)車車鉤或排障器撞擊桅桿時鐵鞋能同步動作，并能準(zhǔn)確卡到第二個車輪前，同時避開首個輪對前面的噴砂管、擋板橡膠等部件。

(4) 有調(diào)車作業(yè)時，把桅桿向內(nèi)放倒，機(jī)車車輛能正常出入庫，此時自動防溜裝置鐵鞋部分不動作；在無調(diào)車作業(yè)時，桅桿為豎立狀態(tài)，機(jī)車車輛發(fā)生溜車情況時會撞擊桅桿，桅桿由內(nèi)向外傾倒，鐵鞋裝置同步完成上軌動作，阻止溜車。

(5) 機(jī)車車輛溜車速度越快，對該裝置的影響越大，經(jīng)計算，機(jī)車車輛由于慣性力，溜逸速度超過15 km/h后容易發(fā)生跳車或者崩鐵鞋等情況[4]。自動防溜裝置運(yùn)動速度同桅桿向外傾倒的速度同步，且具有較高的同步性，避免造成動作時差，影響鐵鞋放置位置。

(6) 各部件方便拆卸和維修，同時，傳動機(jī)構(gòu)連接處全部采用箱體密封，避免雜物誤入，同時方便潤滑。

表1 HXD3型和SS4型電力機(jī)車外形尺寸

2 結(jié)構(gòu)組成及其功能

自動防溜裝置由桅桿機(jī)構(gòu)、傳動機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)轍器機(jī)構(gòu)和鐵鞋機(jī)構(gòu)組成(圖1)，桅桿機(jī)構(gòu)為該裝置的動力源，傳動機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)轍器機(jī)構(gòu)起到動力轉(zhuǎn)換和傳導(dǎo)作用，鐵鞋機(jī)構(gòu)是本裝置的終端執(zhí)行機(jī)構(gòu)。圖1中，紅綠牌設(shè)置在股道邊起指示輔助作用，方便司機(jī)遠(yuǎn)距離查看。

圖1 自動防溜裝置結(jié)構(gòu)圖

2.1 桅桿機(jī)構(gòu)

桅桿機(jī)構(gòu)在無調(diào)車作業(yè)時為直立狀態(tài)，桅桿基座內(nèi)外兩側(cè)都設(shè)有桅桿防傾倒擋板，以防止誤操作，如圖2所示。有調(diào)車作業(yè)時，取下內(nèi)側(cè)防傾倒擋板，將桅桿向內(nèi)(站場內(nèi))放倒，此時傳動機(jī)構(gòu)不做運(yùn)動;一旦機(jī)車車輛發(fā)生溜車并撞擊桅桿時，桅桿向外(站場外)傾倒，破壞外側(cè)防傾倒擋板，帶動傳動機(jī)構(gòu)、鐵鞋裝置同步動作，實現(xiàn)自動防溜功能，如圖3所示。

圖2 防止桅桿傾倒的示意圖

圖3 桅桿動作示意圖

2.2 傳動機(jī)構(gòu)

兩側(cè)傳動機(jī)構(gòu)與桅桿機(jī)構(gòu)通過機(jī)械連接，當(dāng)桅桿機(jī)構(gòu)向外旋轉(zhuǎn)時，通過箱體內(nèi)一對錐齒輪改變傳動力的方向，如圖4所示。

圖4 錐齒輪旋轉(zhuǎn)示意圖

2.3 轉(zhuǎn)轍器機(jī)構(gòu)

轉(zhuǎn)轍器機(jī)構(gòu)內(nèi)的齒輪和齒條配合，把桅桿旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)力轉(zhuǎn)換成齒條的直線傳動力，通過齒輪轉(zhuǎn)換比關(guān)系達(dá)到鐵鞋上脫行程量，圖5為旋轉(zhuǎn)力調(diào)整示意圖，圖5中，鐵鞋機(jī)構(gòu)運(yùn)動，聯(lián)軸器防止傳動卡死，轉(zhuǎn)轍器改變齒輪傳動方向和傳動比。

圖5 旋轉(zhuǎn)力調(diào)整示意圖

2.4 鐵鞋機(jī)構(gòu)

在齒輪條推動下，鐵鞋機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動軸沿基座內(nèi)的滑槽滑動，帶動鐵鞋翻轉(zhuǎn)上脫。圖6為鐵鞋機(jī)構(gòu)動作示意圖。

圖6 鐵鞋機(jī)構(gòu)動作示意圖

3 計算

以SS4型機(jī)車為例，利用牛頓力學(xué)定律計算公式vt2-v02= 2as(vt、v0、a和s分別為末速度、初速度、加速度和制動距離)，分以下4種工況計算在不同運(yùn)行速度下機(jī)車在車輪與鐵鞋摩擦力作用下的制動距離。

(1) 工況1。SS4型機(jī)車有8對輪軸，質(zhì)量取184 t。5 km/h運(yùn)行速度下，vt= 0，v0= 5 km/h，車輪與鐵鞋之間的摩擦因數(shù)按0.17取值，1對輪軸分擔(dān)1臺機(jī)車質(zhì)量的0.125倍，簡化計算得到：a=-0.213 m/s2，代入牛頓力學(xué)定律計算公式(以下簡稱“公式”)得出：s=4.6 m。同樣方法計算得出10 km/h、15 km/h運(yùn)行速度下的制動距離分別為18.4 m和41.4 m。

(2) 工況2。1臺機(jī)車后帶10輛C70型車輛(按空車、自重23.8 t計算)，質(zhì)量取422 t。5 km/h運(yùn)行速度下，vt= 0，v0= 5 km/h，車輪與鐵鞋之間的摩擦因數(shù)按0.17取值，1對輪軸分擔(dān)1臺機(jī)車質(zhì)量的0.125倍，簡化計算得到：a=-0.09 m/s2，代入公式得出：s=10.9 m。同樣方法計算得出10 km/h、15 km/h運(yùn)行速度下的制動距離分別為43.6 m和98.1 m。

(3) 工況3。1臺機(jī)車后帶30輛C70型車輛(按空車、自重23.8 t計算)，質(zhì)量取898 t。5 km/h運(yùn)行速度下，vt= 0，v0= 5 km/h，車輪與鐵鞋之間的摩擦因數(shù)按0.17取值，簡化計算得到：a=- 0.04 m/s2，代入公式得出：s=24.5 m。同樣方法計算得出10 km/h、15 km/h運(yùn)行速度下的制動距離分別為98 m和220.5 m。

(4) 工況4。1臺機(jī)車后帶50輛C70型車輛(按空車、自重23.8 t計算)，質(zhì)量取1 374 t。5 km/h運(yùn)行速度下，vt= 0，v0= 5 km/h，車輪與鐵鞋之間的摩擦因數(shù)按0.17取值，簡化計算得到：a=-0.028 m/s2，代入公式得出：s=35 m；同樣方法計算得出10 km/h、15 km/h運(yùn)行速度下的制動距離分別為140 m和315 m。

SS4型機(jī)車在5 km/h、10 km/h、15 km/h運(yùn)行速度下的制動距離如表2所示。從表2可以看出，當(dāng)運(yùn)行速度≤10 km/h的情況下，1臺機(jī)車+50輛車輛的制動距離均在150 m內(nèi)，結(jié)果較好；當(dāng)運(yùn)行速度為15 km/h的情況下，1臺機(jī)車+10列車輛的制動距離在100 m內(nèi)，結(jié)果較好；當(dāng)編組車輛≥30輛時，制動距離≥200 m。

表2 SS4型機(jī)車在5 km/h、10 km/h、15 km/h運(yùn)行速度下的制動距離

因此，在運(yùn)行速度≤10 km/h的情況下，對于1臺機(jī)車+多輛編組(≤50輛)，該裝置應(yīng)用效果較好；在運(yùn)行速度>10 km/h的情況下，對于1臺機(jī)車+10輛編組，該裝置應(yīng)用效果較好。對于其他更多編組的車輛，制動距離較大，該裝置應(yīng)用效果不太好。

4 結(jié)束語

本文在深入調(diào)研機(jī)務(wù)段、貨場、專用線等停留機(jī)車或車輛自行溜車的問題基礎(chǔ)上，研制了自動防溜裝置，并對該裝置的原理、總體設(shè)計方案進(jìn)行論述，重點介紹了每一部分的組成結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行了力學(xué)計算。

機(jī)車車輛自動防溜裝置減少了鐵路運(yùn)輸生產(chǎn)中車輛溜逸的風(fēng)險，并具有如下優(yōu)點：

(1) 采用全機(jī)械式結(jié)構(gòu)，配合件采用齒輪配合，對氣候適應(yīng)力更強(qiáng)，避免了惡劣天氣對設(shè)備自身的影響；同時最大程度上避免了電子信號干擾和臨時斷電對設(shè)備運(yùn)行的影響。

(2) 該裝置采用單向聯(lián)動運(yùn)動，另一側(cè)只做桅桿運(yùn)動，避免誤操作或操作不及時影響線路安全。

(3) 該裝置的動力源為機(jī)車撞擊力，桅桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動速度和機(jī)車撞擊速度同步，最大程度上避免造成運(yùn)動不到位或運(yùn)動過快。

(4) 該裝置和鋼軌連接處全部采用絕緣隔開，滿足絕緣要求，防止機(jī)構(gòu)連接軌道發(fā)生紅光帶。