一種救援機車用可轉(zhuǎn)換車鉤裝置

劉文俊, 劉鳳剛

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

國內(nèi)救援機車車鉤近30年來一直以ND型車鉤(現(xiàn)100型)或短頸的雜型車鉤(3號～8號等)為主。這類救援裝備僅能對160 km/h以下的干線機車車輛實施直接、有效的救援，對新增提速客車、高速動車組救援時需要臨時換裝過渡車鉤進行連掛轉(zhuǎn)換。但是過渡車鉤操作作業(yè)勞動強度高、過程繁雜，對車鉤本身自重有限制要求，導(dǎo)致牽引承載能力降低，需要實施限速運行等措施，制約了救援的有效性和救援效率，而且存在因過渡車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。對救援機車車鉤實施升級換代，實現(xiàn)更加安全、快速、高效的連接顯得十分必要的。

而且，隨著近十幾年來提速客車和高速動車組的大范圍運行，國內(nèi)鐵路干線上運行的交通裝備性能等級有了很大提升，裝備上應(yīng)用的關(guān)鍵部件也有了全面技術(shù)進步。在車鉤裝置方面，以輕量化、全自動、高性能為目標(biāo)的新型號產(chǎn)品增加了多種型式，也給救援機車與被救援對象間的快速連掛帶來了新要求，救援機車車鉤需要實施多功能、多品種配置，以便直接、有效地進行連掛救援。

1 可轉(zhuǎn)換車鉤裝置

1.1 基本結(jié)構(gòu)

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

鉤體設(shè)計為與100型車鉤相同的鉤身，可與100型車鉤整鉤互換。但互換時需對機車車體端面沖擊座處實施改造，增加彈性支撐裝置。該方案既適用于新造機車，也可用于既有救援機車改造。

圖1 可轉(zhuǎn)換車鉤裝置總體外形圖

1.2 救援車鉤配置及主要技術(shù)參數(shù)

救援車鉤選取以下幾種既有車鉤進行配置：

(1)103型車鉤，與使用100/101/102/103/105A/15/13/16/17型車鉤的干線機、客、貨車直接連掛；

(2)2型車鉤(枈田式)，與CRH2型動車組直接連掛；

(3)25T型車鉤，與25T型提速客車直接連掛；

(4)10型車鉤，共有2套，分別與高速客運專線統(tǒng)型動車組和CRH1/CRH3/CRH5型等非統(tǒng)型動車組直接連掛。車鉤主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 主要技術(shù)參數(shù)

可轉(zhuǎn)換車鉤裝置結(jié)構(gòu)尺寸見圖2。

圖2 可轉(zhuǎn)換車鉤裝置結(jié)構(gòu)尺寸圖

2 主要結(jié)構(gòu)件強度計算

可轉(zhuǎn)換車鉤裝置中，鉤體、旋轉(zhuǎn)體、轉(zhuǎn)軸和既有車鉤為承載關(guān)鍵件，需進行強度校核。因為既有車鉤為成熟結(jié)構(gòu)，已經(jīng)強度試驗和實際運用證明滿足既有標(biāo)準(zhǔn)，所以只需對鉤體、旋轉(zhuǎn)體、轉(zhuǎn)軸進行承載能力校核，其強度應(yīng)滿足TJ/JW 033-2017《交流傳動機車車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)軸材料對應(yīng)的剪切破壞極限為563 MPa。

鉤體、旋轉(zhuǎn)體的計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)公式直接計算剪切應(yīng)力。計算得到的結(jié)果以不超過材料破壞極限值為判定依據(jù)。

2.1 鉤體計算

根據(jù)鉤體的實際受力情況，對其施加3 430 kN的縱向載荷，經(jīng)有限元分析計算得到的應(yīng)力云圖見圖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，最大應(yīng)力795 MPa，小于E級鋼830 MPa的破壞極限，鉤體設(shè)計強度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖3 鉤體有限元計算的應(yīng)力云圖

2.2 旋轉(zhuǎn)體計算

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載荷計算，經(jīng)有限元分析計算得到的應(yīng)力云圖見圖4。

圖4 旋轉(zhuǎn)體有限元計算分析

由圖4可得，旋轉(zhuǎn)體在承受3 430 kN載荷后，與車鉤連接法蘭圓筒處為最大應(yīng)力點，最大應(yīng)力751 MPa，小于E級鋼830 MPa的破壞極限，旋轉(zhuǎn)體設(shè)計強度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.3 轉(zhuǎn)軸計算

轉(zhuǎn)軸設(shè)計直徑選90 mm，有上、下兩處剪切面。為適應(yīng)被救援列車不同的鉤高，旋轉(zhuǎn)體與車鉤連接的法蘭設(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，旋轉(zhuǎn)軸的危險截面為下部剪切面，根據(jù)剪切應(yīng)力計算公式：

可計算得出旋轉(zhuǎn)軸下部危險截面的剪切應(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)計強度滿足要求。

2.4 計算結(jié)果

通過對鉤體、旋轉(zhuǎn)體、轉(zhuǎn)軸等受力分析及有限元分析計算，結(jié)果證明可轉(zhuǎn)換車鉤裝置主要部件設(shè)計強度滿足要求。

3 通過曲線能力校核

選取某型機車安裝可轉(zhuǎn)換車鉤裝置，分別救援25T型客車、貨車(C80E型)、CRH2A/B/C/E/J動車組、CRH380A/AL/J動車組、標(biāo)準(zhǔn)動車組等，進行車鉤轉(zhuǎn)角計算，校核其通過曲線能力。

要求通過最小曲線半徑按單車調(diào)行通過100 m曲線進行計算校核，并將校核結(jié)果與既有救援機車相比較。

3.1 核定機車車輛參數(shù)

救援列車型號及轉(zhuǎn)角計算參數(shù)見表2。

表2 救援列車型號及轉(zhuǎn)角計算參數(shù)

*隨救援車鉤鉤型不同有一定變化，該值列于同行左側(cè)“+”號之前。

3.2 計算方法

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

圖6 車輛通過曲線-直線切點處示意圖

根據(jù)圖6所示的幾何關(guān)系，令

則可推導(dǎo)出車鉤轉(zhuǎn)角計算公式：

(1)

(2)

γ=180-α-β

(3)

3.3 計算結(jié)果

根據(jù)式(1)～式(3)，可計算出救援機車牽引各型客車和動車組時的車鉤轉(zhuǎn)角，見表3。

3.4 結(jié)果分析

(1)既有機車救援與換裝可轉(zhuǎn)換車鉤裝置后救援比較比較表3中第1行和第2行的車鉤轉(zhuǎn)角計算結(jié)果，使用既有機車救援25T型客車時，機車側(cè)車鉤轉(zhuǎn)角為15.2°，車輛側(cè)轉(zhuǎn)角為17.1°；換裝可轉(zhuǎn)換車鉤裝置后救援25T型客車，機車側(cè)車鉤轉(zhuǎn)角為11.4°，車輛側(cè)轉(zhuǎn)角為12.5°。可見，換裝可轉(zhuǎn)換車鉤裝置后救援25T型客車，車鉤轉(zhuǎn)角均有3°～5°的縮小。這說明換裝可轉(zhuǎn)換車鉤裝置后，車鉤轉(zhuǎn)角有了一定幅度的降低。表3中序號2～9，列出了換裝可轉(zhuǎn)換車鉤裝置后，救援其他貨車、動車組車鉤轉(zhuǎn)角計算結(jié)果。

表3 救援機車牽引各型車輛、動車組通過100 m曲線時車鉤轉(zhuǎn)角

(2)救援各車型時車鉤轉(zhuǎn)角冗余度分析

換裝可轉(zhuǎn)換車鉤裝置后，對救援既有典型客車、貨車和絕大多數(shù)動車組時的車鉤轉(zhuǎn)角進行的計算結(jié)果表明，機車側(cè)車鉤轉(zhuǎn)角為12.2°，車輛側(cè)轉(zhuǎn)角，貨車為5.3°，25T型客車為12.5°，動車組中CRH380A/AL/J型為最大15.3°，其他動車組為11°～13°。可見換裝成可轉(zhuǎn)換車鉤裝置后，貨車距最大9°的車鉤轉(zhuǎn)角有較大冗余，客車距最大17°轉(zhuǎn)角有一定冗余，動車組距最大17°轉(zhuǎn)角普遍有較大冗余。因此，換裝可轉(zhuǎn)換車鉤裝置后，機車救援車輛通過曲線能力普遍提高。

4 車鉤與車體干涉分析

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

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

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

針對相鄰車鉤與風(fēng)擋立板的干涉點，可將圖7簡化為圖8所示的模型，即可計算出干涉發(fā)生時車鉤的極限轉(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)計尺寸，一個車鉤擔(dān)當(dāng)救援時，相鄰車鉤的干涉點所形成的三角形尺寸、旋轉(zhuǎn)半徑及車端風(fēng)擋立板的位置都是確定的，如表4所示。

考慮到25T與25K型客車風(fēng)擋立板位置相同，將表4計算結(jié)果與表3中25T型客車車鉤轉(zhuǎn)角比較可知，車鉤向左側(cè)轉(zhuǎn)動時，與車體干涉時的轉(zhuǎn)角比需要的轉(zhuǎn)角大了3.5°；車鉤向右側(cè)轉(zhuǎn)動時，與車體干涉時的轉(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鉤不會與車體發(fā)生干涉。

牽引機車、貨車、動車組等的防干涉空間遠(yuǎn)大于25K型客車，在配置車鉤外形尺寸相差較小的情況下，可以確認(rèn)救援車鉤與車體干涉時的轉(zhuǎn)角均遠(yuǎn)大于需要的轉(zhuǎn)角。因此，認(rèn)為可轉(zhuǎn)換車鉤裝備機車后，不會與被牽引對象發(fā)生干涉。

圖8 100型車鉤為擔(dān)當(dāng)救援車鉤時車鉤最大轉(zhuǎn)角計算模型

表4 各車鉤與車體發(fā)生干涉時的車鉤極限轉(zhuǎn)角

5 結(jié) 論

該救援機車用可轉(zhuǎn)換車鉤裝置，是通過配置既有車鉤的方式、借鑒已有成熟運用經(jīng)驗、兼容國內(nèi)鐵路機車車輛的全部車鉤設(shè)計而成，通過過曲線校核、與車體干涉分析、強度計算分析表明切實可行；運用中將擔(dān)當(dāng)車鉤對準(zhǔn)被救援對象后直接連掛，然后插入防轉(zhuǎn)軸銷將車鉤定位即可，省去安裝過渡車鉤和調(diào)整鉤高的操作，也不需要實施額外限速；既能救援干線用機車、動車組、客車、貨車，還能調(diào)度城軌、地鐵車輛，是一種新型、多功能、靈活的救援機車用車鉤裝置。