機車車輛自動防溜裝置的研究與設計

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 科學技術研究所，山西 太原 030013；2.鄭州智輛電子科技有限公司，河南 鄭州 450000)

隨著鐵路交通運輸?shù)目焖侔l(fā)展，鐵路機車車輛越來越多，實用調(diào)度越來越頻繁。機車車輛進入機務段、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置安全線條件，必須由人工在車輪下安裝鐵鞋來防止機車車輛溜車[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車車輛溜車的隱患，嚴重時甚至溜行到車站造成車輛碰撞、人員傷亡等事故，因此機車車輛溜逸成為鐵路運輸生產(chǎn)中潛藏的安全風險。本文在參考國內(nèi)外其他防溜裝置[2-3]的基礎上，設計了一套機車車輛自動防溜裝置，可解決機務段、貨場、專用線等停留機車車輛自行溜車的問題。

1 設計原理及設計思路

機車車輛自動防溜裝置的設計原理是：當機車車輛發(fā)生溜車的情況時，能將鐵鞋機構自動卡進車輪中間，使機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。其設計思路如下：

(1) 機務段、貨場、專用線自動防溜裝置是一種桅桿運動帶動鐵鞋運動的裝置，機構動力源為機車車輛撞擊桅桿帶來的沖擊力。整套機構采用機械連接，不依靠電子檢測，并保證機構的穩(wěn)定性和安全性。

(2) 由于每種車型外形結(jié)構尺寸不一致，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型機車為參考進行討論。HXD3型和SS4型電力機車外形尺寸如表1所示。

(3) 在軌道兩側(cè)各安裝1套鐵鞋機構，為兼顧于HXD3型、SS4型以及SS4(改)型機車,桅桿在鐵鞋前方2 800 mm處，保證機車車鉤或排障器撞擊桅桿時鐵鞋能同步動作，并能準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) 機車車輛溜車速度越快，對該裝置的影響越大，經(jīng)計算，機車車輛由于慣性力，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，傳動機構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型電力機車外形尺寸

2 結(jié)構組成及其功能

自動防溜裝置由桅桿機構、傳動機構、轉(zhuǎn)轍器機構和鐵鞋機構組成(圖1)，桅桿機構為該裝置的動力源，傳動機構和轉(zhuǎn)轍器機構起到動力轉(zhuǎn)換和傳導作用，鐵鞋機構是本裝置的終端執(zhí)行機構。圖1中，紅綠牌設置在股道邊起指示輔助作用，方便司機遠距離查看。

圖1 自動防溜裝置結(jié)構圖

2.1 桅桿機構

桅桿機構在無調(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，此時傳動機構不做運動;一旦機車車輛發(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，帶動傳動機構、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 傳動機構

兩側(cè)傳動機構與桅桿機構通過機械連接，當桅桿機構向外旋轉(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)轍器機構

轉(zhuǎn)轍器機構內(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)換比關系達到鐵鞋上脫行程量，圖5為旋轉(zhuǎn)力調(diào)整示意圖，圖5中，鐵鞋機構運動，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 鐵鞋機構

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

圖6 鐵鞋機構動作示意圖

3 計算

以SS4型機車為例，利用牛頓力學定律計算公式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行速度下機車在車輪與鐵鞋摩擦力作用下的制動距離。

(1) 工況1。SS4型機車有8對輪軸，質(zhì)量取184 t。5 km/h運行速度下，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1臺機車質(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1臺機車質(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運行速度下的制動距離分別為140 m和315 m。

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

表2 SS4型機車在5 km/h、10 km/h、15 km/h運行速度下的制動距離

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

4 結(jié)束語

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

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

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

(2) 該裝置采用單向聯(lián)動運動，另一側(cè)只做桅桿運動，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車撞擊力，桅桿機構運動速度和機車撞擊速度同步，最大程度上避免造成運動不到位或運動過快。

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