車輛緊急救援過程中車鉤拉力的影響因素研究分析及建議

張會(huì)，何華，孫廣迪

（上海中車福伊特傳動(dòng)技術(shù)有限公司，上海 201100）

0 引言

車鉤作為車輛的關(guān)鍵部件之一，起著連接各車輛、傳遞作用力及電氣信號(hào)、緩沖吸收縱向沖擊和連通氣路的作用。當(dāng)一列車因?yàn)榘l(fā)生故障無法繼續(xù)運(yùn)行時(shí)，需要通過機(jī)車或者另一列車進(jìn)行緊急救援，機(jī)車或救援列車需要先通過過渡鉤或車鉤與故障列車相連掛，然后將其推行或拉行至維修地點(diǎn)進(jìn)行維修。若在救援過程中遇到緊急情況，需要對(duì)車輛施加緊急制動(dòng)，此時(shí)故障列車會(huì)繼續(xù)行進(jìn)，最終導(dǎo)致車鉤力過大，因此必須要對(duì)該情況下的車鉤受力進(jìn)行校核，若連接出現(xiàn)問題，則會(huì)出現(xiàn)車輛的安全事故，這是必須要避免的[1]。因此在車輛的運(yùn)行過程中車鉤受到的拉力必須要小于車鉤的許用拉力[2]。

推行救援過程中，車鉤受到的最大拉力一般出現(xiàn)在車輛施加牽引后緊接著施加緊急制動(dòng)的過程中，首先牽引階段，列車各車輛的車鉤緩沖器受到牽引力作用產(chǎn)生壓縮，車鉤儲(chǔ)存了由加速度產(chǎn)生的勢(shì)能，其后列車迅速進(jìn)入制動(dòng)階段，車鉤緩沖器上的勢(shì)能被釋放，在相鄰兩車輛之間產(chǎn)生相對(duì)速度，與緊急制動(dòng)力共同作用下，會(huì)使車鉤產(chǎn)生的力會(huì)出現(xiàn)極大值。變化過程示意圖如圖1所示[3]。

圖1 施加牽引后緊急制動(dòng)過程示意圖

1 車鉤拉力影響因素分析及建議

文章以系列化統(tǒng)型的標(biāo)準(zhǔn)6輛編組A型車為例，編組形式：- TC * MP * M * M * MP * TC-列車兩端配置全自動(dòng)車鉤：EFG3橡膠緩沖器+壓潰管+330型機(jī)械鉤頭+電鉤+主風(fēng)管+對(duì)中裝置+垂向支撐等，中間配置半永久車鉤：一側(cè)為EFG3橡膠緩沖器+壓潰管，另一側(cè)為EFG3橡膠緩沖器+剛性桿，一對(duì)半永久車鉤通過卡環(huán)進(jìn)行連接。

車輛參數(shù)如下：車體剛度：1.0e8Nm；車輛質(zhì)量明細(xì)如下：空車（AW0）狀態(tài)下：TC車39.5t，MP車40.5t，M車40.5t；超員（AW3）狀態(tài)下：TC車64.1t，MP車66.42t，M車66.42t。一列空車（AW0）狀態(tài)下的牽引力與緊急制動(dòng)力如表1。

表1 牽引力與緊急制動(dòng)力

根據(jù)以上參數(shù)，在公司開發(fā)的仿真軟件中建立仿真模型，通過模擬一列空車（AW0）在35‰的下坡道上推行或拉行一列超員故障車（AW3）運(yùn)行至一定速度時(shí)實(shí)施緊急制動(dòng)過程來分析影響車鉤拉力的影響因素。

由于車鉤所受最大拉力通常出現(xiàn)在碰撞界面，故下文均以碰撞界面的力值進(jìn)行比較分析。

1.1 牽引制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間曲線

分別以圖2中三種牽引制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間曲線模擬一列空車（AW0）在35‰的下坡道上推行一列超員故障車（AW3）運(yùn)行至30km/h時(shí)實(shí)施緊急制動(dòng)過程。

圖2 不同的牽引制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間曲線

通過仿真計(jì)算，響應(yīng)時(shí)間曲線1產(chǎn)生的最大拉力為492.3KN，響應(yīng)時(shí)間曲線2產(chǎn)生的最大拉力為458.4KN，響應(yīng)時(shí)間曲線3產(chǎn)生的最大拉力為554.6KN。由此可見，不同的時(shí)間曲線產(chǎn)生的最大拉力不同，因此，為得到最接近實(shí)際的模擬仿真結(jié)果，建議主機(jī)廠盡可能提供詳盡的時(shí)間響應(yīng)曲線，包括牽引響應(yīng)時(shí)間曲線。另建議牽引及制動(dòng)廠家在設(shè)計(jì)響應(yīng)時(shí)間曲線初期考慮增加車輛緊急救援的模擬仿真分析，以得到多種綜合因素下的最優(yōu)響應(yīng)時(shí)間曲線[4]。

注：為更好說明其他因素對(duì)車鉤拉力的影響，以下仿真分析均采用牽引制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間曲線1，t10為0.2s，tBu為1.3s，此兩種時(shí)間參數(shù)均由主機(jī)廠提供。

1.2 牽引力

分別模擬一列空車（AW0）在35‰下坡道上以100%、90%、80%、70%、60%牽引力推行一列超員故障車（AW3）運(yùn)行至一定速度30km/h時(shí)實(shí)施100%緊急制動(dòng)力的過程，得到最大拉力值分別為492.3KN、469KN、429.5KN、386.7KN、352.3KN。

由此可知，隨著牽引力的降低，最大拉力隨之減小。因此在救援過程中可考慮通過降低牽引力以降低車鉤的最大拉力，增加安全性。但同時(shí)要考慮車輛的爬坡能力，在保證車輛能爬坡的前提下，適當(dāng)降低牽引力。

1.3 緊急制動(dòng)力

分別模擬一列空車（AW0）在35‰下坡道上以100%牽引力推行一列超員故障車（AW3）運(yùn)行至一定速度30km/h時(shí)實(shí)施100%、90%、80%、70%、60%緊急制動(dòng)力的過程，得到的最大拉力值分別為492.3KN、451.3KN、405.9KN、382.4KN、341.6KN。

由此可知，隨著緊急制動(dòng)力的降低，最大拉力隨之減小。因此在救援過程中可考慮通過降低緊急制動(dòng)力以降低車鉤的最大拉力，增加安全性。

1.4 兩車同時(shí)施加緊急制動(dòng)

模擬一列空車（AW0）在35‰下坡道上以100%牽引力推行一列超員故障車（AW3）運(yùn)行至一定速度30km/h時(shí)救援車和故障車同時(shí)實(shí)施100%緊急制動(dòng)力的過程。

通過仿真得到車鉤的最大拉力為259.9KN，遠(yuǎn)小于僅救援車緊急制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的拉力492.3KN。因此如果故障車可通過救援車施加緊急制動(dòng)，遇到緊急情況需緊急制動(dòng)時(shí)，建議救援車和故障車同時(shí)施加，以降低車鉤的最大拉力，增加安全性。

1.5 改變救援方式

模擬一列空車（AW0）在35‰下坡道上以100%牽引力拉行一列超員故障車（AW3）運(yùn)行至一定速度30km/h時(shí)實(shí)施100%緊急制動(dòng)力的過程。

通過仿真得到最大拉力為323KN，小于推行救援時(shí)產(chǎn)生的拉力492.3KN。因此在增加救援安全性的前提下，可考慮將推行救援改為拉行救援。

1.6 改變緩沖器類型

若車鉤配置變更為：全自動(dòng)車鉤為150mm雙向氣液緩沖器+球關(guān)節(jié)橡膠軸承，半永久車鉤一側(cè)為200mm雙向氣液緩沖器+球關(guān)節(jié)橡膠軸承，另一側(cè)為壓潰管+球關(guān)節(jié)橡膠軸承。

模擬一列空車（AW0）在35‰下坡道上以100%牽引力推行一列超員故障車（AW3）運(yùn)行至一定速度30km/h時(shí)實(shí)施100%緊急制動(dòng)力的過程。

通過仿真得到最大拉力為231.2KN，遠(yuǎn)小于EFG3橡膠緩沖器方案的力值492.3KN，因此在方案設(shè)計(jì)初期，采用EFG3方案緊急救援模擬仿真時(shí)，若車鉤最大拉力接近或超過車鉤許用拉力時(shí)，車鉤吸能方案可考慮更改為雙向氣液緩沖器方案，但配置的改變也意味著投入成本的改變，需綜合進(jìn)行考量。

1.7 推行速度

很多項(xiàng)目在方案準(zhǔn)備階段，業(yè)主或客戶要求以不同的速度推行救援模擬仿真，以確定最佳推行速度。然而救援速度是否真會(huì)影響車鉤拉力，文章對(duì)此進(jìn)行仿真分析[5]。

分別模擬一列空車（AW0）在35‰下坡道上以100%牽引力推行一列超員故障車（AW3）運(yùn)行至一定速度10km/h、15km/h、20km/h、25km/h、30km/h、35km/h、40km/h、45km/h時(shí)實(shí)施100%緊急制動(dòng)力的過程。得到的車鉤最大力值如表2。

表2 推行速度與最大拉力

通過對(duì)表中車鉤最大拉力值的分析可知，推行速度從10km/h到45km/h車鉤所受最大拉力的最大變化幅度為6.8KN，因此推行速度的變化基本上對(duì)車鉤所受的最大拉力無影響，故建議業(yè)主或客戶無需要求不同推行速度下的救援仿真計(jì)算。

2 結(jié)語

通過對(duì)不同條件下的救援工況進(jìn)行模擬仿真得知：

（1）車鉤所受拉力與牽引制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間曲線有關(guān)系，提供相對(duì)詳盡的曲線，可得到更接近實(shí)際的仿真數(shù)據(jù)；（2）車鉤所受拉力與牽引力和制動(dòng)力有關(guān)系，牽引力和制動(dòng)力越小，產(chǎn)生的車鉤拉力則越??；（3）對(duì)救援車及故障車同時(shí)施加制動(dòng)力，可減小車輛的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而減小車鉤拉力；（4）拉行救援較推行救援會(huì)產(chǎn)生較小的車鉤拉力；（5）車鉤吸能方案的改變可影響車鉤拉力的大?。唬?）推行速度對(duì)車鉤所受拉力無明顯影響。