張棟梁

(南通城市軌道交通有限公司運營分公司,江蘇 南通 226361)

0 引言

車鉤是地鐵車輛設(shè)備中最為關(guān)鍵的部件之一,除承受機(jī)械連接受力、緩沖縱向沖擊、吸收沖擊能量外,部分車鉤尤其是車輛首尾端全自動車鉤還起著氣路及電路連接作用。

當(dāng)運營列車由于故障而無法繼續(xù)運營時,往往通過下一列次車輛清客后前進(jìn)至故障列車處采用車鉤連掛方式進(jìn)行救援并推行至指定地點。由于連掛后,兩列車牽引均由救援車承擔(dān),牽引過程中,救援車負(fù)責(zé)操控,被救援車負(fù)責(zé)瞭望,但若出現(xiàn)緊急情況,往往需要救援車施加緊急制動,在此工況下,救援車急停,被救援車受慣性仍有一小段行程,從而導(dǎo)致車鉤受力大幅增加,存在一定的安全風(fēng)險[1]。因此在列車設(shè)計階段,車鉤設(shè)計人員根據(jù)車型及載荷等因素校核救援工況緊急制動情況下車鉤力是否符合要求,在設(shè)置合理的安全系數(shù)后,車鉤極限受力與安全系數(shù)乘積值必須小于許用應(yīng)力[2]。為了更好地增加強(qiáng)度,國內(nèi)學(xué)者從制造工藝、裝配工藝、加工裝置、連接邏輯及輔助配件等方面[3-7]進(jìn)行了全方位的研究。

但隨著運營安全要求越來越高,國內(nèi)一些學(xué)者在設(shè)計校核基礎(chǔ)上進(jìn)行了動力學(xué)仿真研究[8-9],進(jìn)一步探討救援安全風(fēng)險。但處于理想工況下的設(shè)計校核值與實際存在一些偏差,同時國內(nèi)部分線路亦出現(xiàn)救援工況下車鉤斷裂的情況,因此部分地鐵公司在新線采購需求中新增了車鉤力測試要求。目前,國內(nèi)已經(jīng)有一些車鉤救援試驗研究案例[10-11],為進(jìn)一步試驗研究提供了參考。但目前試驗研究推行工況均為低速工況,測試值與許用應(yīng)力仍有較大余量,本文實測了不同制動模式、運行速度、惰行時間、列車載荷下救援工況車鉤力,獲得了接近極限的推行工況,為列車救援及推行下的行駛模式提供數(shù)據(jù)參考。

1 試驗對象

研究對象為某地鐵車輛,車輛為7節(jié)編組(見圖1),最高運行速度為80 km/h。編組形式為-TC*MP*M*M*M*MP*TC-,其中:TC為帶司機(jī)室的拖車,MP為帶受電弓的動車,M為不帶受電弓的動車。-為全自動車鉤,*為半永久車鉤。試驗對象需完成全部裝配工作,各系統(tǒng)零部件全部安裝完畢,空簧處于標(biāo)準(zhǔn)充氣狀態(tài),并完成稱重調(diào)平試驗,具備在線路上走行的條件。

圖1 列車編組圖

2 試驗內(nèi)容

2.1 試驗車鉤力值標(biāo)定

試驗前共需要對1套全自動車鉤和2套半永久車鉤進(jìn)行改造及標(biāo)定。對于全自動車鉤,在被測車鉤表面布置應(yīng)變片并組成全橋,每一被測車鉤表面組成2組全橋。標(biāo)定時將試驗車鉤安裝在壓力機(jī)上,然后加載,載荷范圍為-1 500 kN～1 000 kN,進(jìn)行車鉤力的標(biāo)定,標(biāo)定完成后將試驗車鉤組裝到全自動車鉤上。對于半永久車鉤,在車鉤壓潰管表面布置應(yīng)變片并組成全橋,每一半永久車鉤上組成2組全橋。標(biāo)定時將半永久車鉤安裝在壓力機(jī)上,然后加載,載荷范圍為-800 kN～700 kN,進(jìn)行車鉤力的標(biāo)定。本試驗用車鉤許用應(yīng)力為抗拉屈服強(qiáng)度850 kN,抗壓屈服強(qiáng)度1 250 kN。

2.2 試驗車鉤換裝

救援狀態(tài)下列車編組圖如圖2所示,全編組共計13個斷面,根據(jù)理論計算可知,最大車鉤力將出現(xiàn)在斷面6和8處的半永久車鉤及斷面7處的全自動車鉤。本試驗將標(biāo)定好的全自動車鉤安裝在斷面7處,將標(biāo)定好的半永久車鉤安裝在斷面6和8處。

圖2 救援狀態(tài)下列車編組圖

2.3 傳感器布置

在斷面6、7、8處布置加速度傳感器,每一個斷面布置2個傳感器。加速度傳感器具體安裝位置如圖3、圖4所示。

圖3 斷面7處全自動車鉤加速度傳感器布置

圖4 斷面6和8處半永久車鉤加速度傳感器布置

在斷面6、7、8處各布置一個拉線式位移傳感器,測量車鉤拉伸和壓縮行程變化。位移傳感器的具體安裝位置如圖5、圖6所示。

圖5 斷面7處全自動車鉤上位移傳感器安裝示意圖

圖6 斷面6和8處半永久車鉤上位移傳感器安裝示意圖

2.4 試驗工況及測試過程

本試驗共選取2種列車載荷狀態(tài),分別為AW0載荷列車救援AW0載荷列車、AW0載荷列車救援AW3載荷列車,測試速度由啟動速度逐步遞增至30 km/h,試驗時分別采取不同控制級位及制動方式,制動地點選取平直道及最大坡道2類典型位置。需要說明的是,由于時間及線路條件限制,本文測試時,各工況條件將根據(jù)測試值的余量不斷調(diào)整,工況惡劣程度不斷遞增直至接近極限值。

試驗時,每進(jìn)行一個工況測試,采集車鉤力、位移及加速度數(shù)據(jù),并通過車載TCMS系統(tǒng)讀取相關(guān)參數(shù)。為確保試驗安全,若車鉤拉伸力采集值大于800 kN,則立即停止試驗。

3 結(jié)果分析

測試結(jié)束后,對測試結(jié)果進(jìn)行分類統(tǒng)計,統(tǒng)計內(nèi)容包括每種列車載荷狀態(tài)下各工況中各斷面6、7、8處車鉤所受拉力最大值、車鉤加速度最大值、車鉤行程最大值。

3.1 AW0載荷列車救援AW0載荷列車

AW0載荷列車救援AW0載荷列車各工況下,車鉤力、車鉤加速度、車鉤行程的最大值及其分布情況如表1所示。

表1 各工況下車鉤各參數(shù)測試值及分布情況

由表1可以得出以下結(jié)論:

(1)在被救援車為AW0狀態(tài)、救援車為AW0狀態(tài)下,斷面6、7、8處車鉤力最大值均未超過車鉤的許用強(qiáng)度,車鉤的安全性滿足要求。

(2)斷面6、7、8處車鉤力幅值的大小與救援車采用的制動方式有關(guān), 緊急制動時車鉤受力最大, 快速制動時次之,常用制動時車鉤力最小。

(3)在制動方式相同時,斷面6、7、8處車鉤力幅值的大小還與制動前列車速度有關(guān),制動前列車速度越高,車鉤受力越大。

(4)在制動方式和制動前列車速度相同時,斷面6、7、8處車鉤力幅值的大小還與制動前惰行距離有關(guān),惰行距離越長,車鉤受力越小。

(5)斷面6、7、8處車鉤力幅值的大小還與線路條件有關(guān),在其他條件相同時,與在平直線路上實施制動時相比,在下坡坡道上實施制動時車鉤受拉力更大。

3.2 AW0載荷列車救援AW3載荷列車

AW0載荷列車救援AW0載荷列車各工況下,車鉤力、車鉤加速度、車鉤行程的最大值及其分布情況如表2所示。

表2 各工況下車鉤各參數(shù)測試值及分布情況

由表2可以得出以下結(jié)論:

(1)在被救援車為AW3狀態(tài)、救援車為AW0狀態(tài)下,斷面6、7、8處車鉤力最大值均未超過車鉤的許用強(qiáng)度,車鉤的安全性滿足要求。

(2)斷面6、7、8處車鉤力幅值的大小與救援車采用的制動方式有關(guān),緊急制動時車鉤受力最大,快速制動時次之,常用制動時車鉤力最小。

(3)在制動方式相同時,斷面6、7、8處車鉤力幅值的大小還與制動前列車速度有關(guān),制動前列車速度越高,車鉤受力越大。

(4)在制動方式和制動前列車速度相同時,斷面6、7、8處車鉤力幅值的大小還與制動前惰行距離有關(guān),惰行距離越長,車鉤受力越小。

(5)斷面6、7、8處車鉤力幅值的大小還與線路條件有關(guān),在其他條件相同時,與在平直線路上實施制動時相比,在下坡坡道上實施制動時車鉤受拉力更大。

同時,結(jié)合表1及表2分析可知,斷面6、7、8處的車鉤受力還與被救援車的載荷狀態(tài)有關(guān),被救援車載荷越大,車鉤受力越大。

4 結(jié)論及應(yīng)用

4.1 結(jié)論

對某地鐵車輛救援及推行工況下車鉤力進(jìn)行了測試,共設(shè)定了2種列車載荷狀態(tài)(被救援車AW0狀態(tài)、救援車AW0狀態(tài)與被救援車AW3狀態(tài)、救援車AW0狀態(tài)),每種載荷狀態(tài)下制定了不同的制動工況。

在救援車與被救援車連掛狀態(tài)下,各種制動工況中,被試車鉤(1套全自動車鉤、2套半永久車鉤)所受車鉤力均未超過車鉤的許用強(qiáng)度,車鉤安全性滿足要求。由測試結(jié)果可知,救援工況下列車車鉤受力大小與救援車制動方式、制動前列車速度、制動前惰行距離、線路條件、列車載荷、司機(jī)操縱方式等多種因素有關(guān)。

4.2 應(yīng)用

由本文的試驗數(shù)據(jù)可知,在救援及推行工況下,低速行駛時(不大于5 km/h),即使遇到突發(fā)情況緊急制動,車鉤所受突變力仍遠(yuǎn)小于材料許用極限,為提高救援效率,盡快出清線路,同時保障安全,在被救援車保持瞭望的前提下,救援車可提升速度至30 km/h,突發(fā)情況可采用短時惰行后制動,以此降低車鉤沖擊力。同時,在實際試驗時,多次緊急制動,車身沖擊感較為強(qiáng)烈,因此不宜多次或長時間制動,避免車鉤局部損傷。本文在多輪試驗后,根據(jù)試驗結(jié)果在最后一輪試驗結(jié)束后采用30 km/h速度救援回庫,過程中僅制動3次,回庫后檢查車輛及車鉤狀態(tài)良好,后續(xù)車輛正常投入運營,證明了該方法的可行性。