廣州地鐵18&22號線市域D型車輛10型車鉤導(dǎo)引桿優(yōu)化設(shè)計探討

黃良坤，趙彥峰

（廣州中咨城軌工程咨詢有限公司，廣州 571300）

0 引言

廣州地鐵18&22號線為時速160 km全地下隧道高速地鐵線路，采用市域D型車輛，車輛全自動車鉤采用10型車鉤，鉤頭配裝有導(dǎo)引桿，導(dǎo)引桿反裝在鉤頭位置，車頭開閉機構(gòu)關(guān)閉時車鉤隱藏在開閉機構(gòu)內(nèi)，當車鉤連掛時，操作人員需在司機室使用電控按鈕開關(guān)打開開閉機構(gòu)[1]，離開司機室前往軌行區(qū)手動安裝導(dǎo)引桿至工作位置，若在隧道狹窄空間環(huán)境開展救援連掛作業(yè)，司機進入軌行區(qū)手動安裝導(dǎo)引桿不僅存在一定安全風險，也影響車輛救援連掛作業(yè)效率。10型車鉤普遍應(yīng)用于高鐵動車組車輛，其車鉤導(dǎo)引桿設(shè)計上主要有正裝和反裝兩種方式，導(dǎo)引桿反裝操作原理同廣州地鐵18&22號線D型車輛車鉤導(dǎo)引桿一致，導(dǎo)引桿正裝則需在頭車開閉機構(gòu)處開孔，使導(dǎo)引桿穿過開閉機構(gòu)前端處于待連掛狀態(tài)常態(tài)。高鐵動車組車輛由于運行在露天線路及環(huán)境，不論車鉤導(dǎo)引桿正裝還是反裝設(shè)計均不存在較大人員操作安全風險，但運行于全地下隧道的廣州地鐵18&22號線車輛由于隧道狹窄空間環(huán)境帶來的操作不便利性及安全風險性則不容忽視[2]。從安全角度及操作便捷性出發(fā)，設(shè)計上需對10型車鉤進行優(yōu)化設(shè)計，在不涉及車頭開閉機構(gòu)及頭罩外觀結(jié)構(gòu)改變的基礎(chǔ)上，又能實現(xiàn)不需手動安裝導(dǎo)引桿即可滿足車鉤自動聯(lián)掛。通過技術(shù)改進來減少人員操作安全隱患風險，同時提升城市軌道交通車輛救援連掛效率[3]。

1 10型車鉤工作原理及應(yīng)用情況

1.1 10型車鉤工作原理

為滿足車鉤強度要求，廣州地鐵18&22號線市域線路動車組列車自動車鉤采用歐洲標準10型車鉤連掛系統(tǒng)。10型車鉤主要由鉤頭、電氣車鉤推送裝置、連接卡環(huán)、氣液緩沖器、緩沖器殼體、鉤尾銷和安裝座等部件組成[4]。為增加連掛范圍，10型車鉤機械連掛系統(tǒng)需配裝導(dǎo)引桿，導(dǎo)引桿可拆卸[5]，10型車鉤連掛范圍如圖1所示。圖中，單剖面線區(qū)域為帶導(dǎo)引桿的10型鉤連掛范圍圖，雙剖面線區(qū)域為不帶導(dǎo)引桿僅靠凸凹錐導(dǎo)向連掛范圍圖。

圖1 10型車鉤連掛范圍示意圖

當車鉤水平擺角較大時，導(dǎo)引桿較凸凹錐先接觸，可以適當增大連掛范圍，如圖2所示。

圖2 車鉤導(dǎo)引桿連掛接觸

當兩側(cè)車鉤低頭時，導(dǎo)引桿與引導(dǎo)鉤肩先接觸，調(diào)整兩側(cè)車鉤中心位置，提高連掛成功率，圖3所示為車鉤導(dǎo)引連掛。

圖3 車鉤導(dǎo)引桿連掛導(dǎo)引

由于10型車鉤自身特性，無導(dǎo)引桿的連掛范圍非常有限，導(dǎo)引桿安裝拆卸工作方便快捷，當需要取下導(dǎo)引桿時，操作人員手握住卡子前端的按壓手柄，壓縮復(fù)原彈簧使卡子凸臺脫離鉤體凹槽，從而將導(dǎo)引桿組成從機械車鉤上取下。需要安裝時，同樣操作人員手握住按壓手柄，壓縮復(fù)原彈簧，使卡子安裝至鉤體凹槽中，如圖4所示。

圖4 車鉤導(dǎo)引桿存放與工作狀態(tài)

1.2 10型車鉤應(yīng)用情況

廣州地鐵18&22號線車輛10型車鉤供應(yīng)商為青島四方研究所，截止目前，國內(nèi)使用10型車鉤的軌道車輛主要為高速動車組[12]，青島四方研究所提供的所有動車組產(chǎn)品均為10型鉤配帶了車鉤導(dǎo)引桿，且均為可拆卸導(dǎo)引桿。部分車型動車組因車頭開閉機構(gòu)空間限制，導(dǎo)引桿或反裝或存放至司機室處，待需要連掛作業(yè)時，將導(dǎo)引桿取出安裝至工作位。

應(yīng)用車鉤導(dǎo)引桿的項目統(tǒng)計如表1所示。由表可知，目前10型車鉤廣泛應(yīng)用于國內(nèi)高速鐵路、城際鐵路車輛。

表1 車鉤導(dǎo)引桿應(yīng)用項目統(tǒng)計

作為在國內(nèi)大量成熟運用的密接式車鉤，10型車鉤壓縮強度（屈服強度）、拉伸強度[6]均優(yōu)于普通城軌地鐵車輛使用的330型機械車鉤。

2 廣州地鐵18&22號線車鉤導(dǎo)引桿設(shè)置必要性

針對廣州地鐵18、22號線線路條件進行分析，正線最小曲線半徑為R=600 m，S型曲線所夾直線長度最短為51 m。而兩車連掛時，轉(zhuǎn)向架中心最遠距離約為42 m。因此，在廣州地鐵18、22號線線路上不存在S型曲線夾直線工況，僅分析在圓切直線及定圓上連掛的工況，如表2所示。

表2 連掛工況分析

通過曲線連掛計算，車鉤無導(dǎo)引桿能實現(xiàn)自動連掛的圓切直線入口最小曲線半徑為R=1300 m，廣州地鐵18號線和22號線共有多處不能實現(xiàn)無導(dǎo)引桿自動連掛區(qū)間。同時考慮實際連掛時的偏移量，要求在曲線連掛時必須將導(dǎo)引桿安裝至正常工作狀態(tài)，因此，基于廣州地鐵18&22號線線路條件，為滿足車輛在所有軌行區(qū)均能實現(xiàn)自動連掛條件，廣州地鐵18、22號線車輛10型車鉤必須設(shè)置車鉤導(dǎo)引桿。

3 車鉤導(dǎo)引桿優(yōu)化設(shè)計思路及方案

3.1 開閉機構(gòu)外形不變，車鉤縮短

廣州地鐵18、22號線屬于市域線路，列車為時速160 km的高速動車組，為減少列車高速運行時阻力，在頭車設(shè)計了開閉機構(gòu)，開閉機構(gòu)關(guān)閉時頭車全自動車鉤隱藏在開閉機構(gòu)內(nèi)[7]。在不改變開閉機構(gòu)結(jié)構(gòu)外形的前提下，考慮將車鉤長度縮短，使導(dǎo)引桿保持正向安裝常態(tài)且不與開閉機構(gòu)干涉。

開閉機構(gòu)在設(shè)計時已考慮車鉤的緩沖器行程，需確保兩個因素：（1）單鉤狀態(tài)下，車鉤不與開閉機構(gòu)任何零部件干涉；（2）車鉤在重聯(lián)狀態(tài)下，緩沖器壓縮至極限行程后，開閉機構(gòu)導(dǎo)流罩下部不能互相干涉，需留有一定的安全空間[11]。

經(jīng)測算，若將車鉤減短100 mm，車輛重聯(lián)時兩開閉機構(gòu)之間的間隙只有40 mm，而兩側(cè)車鉤的緩沖器行程為100 mm×2。在列車聯(lián)掛后水平擺角達到14°時將出現(xiàn)干涉情況，如圖5所示。

圖5 車鉤縮短后干涉情況

因此，開閉機構(gòu)的固定罩尺寸在空間上本身已余量較小，不能進一步縮短車鉤長度。

3.2 車鉤導(dǎo)引桿減短

考慮將車鉤導(dǎo)引桿導(dǎo)引段長度減短，以此實現(xiàn)車鉤導(dǎo)引桿常態(tài)下正向安裝時與開閉機構(gòu)不干涉，如圖6所示。

圖6 導(dǎo)引桿減短示例

因廣州地鐵18&22號線車輛開閉機構(gòu)外形輪廓空間限制，且開閉機構(gòu)結(jié)構(gòu)為左右旋轉(zhuǎn)式[8]，車鉤導(dǎo)引桿正裝時將與開閉機構(gòu)干涉。通過現(xiàn)場實測校核，干涉尺寸理論約112 mm，若將導(dǎo)引桿導(dǎo)引段減短至不與開閉機構(gòu)干涉，導(dǎo)引桿導(dǎo)向功能部分將全部減掉，此時10型車鉤的連掛范圍與無導(dǎo)引連掛范圍基本無區(qū)別，不能滿足小曲線切直線入口處自動連掛的要求。因此減短車鉤導(dǎo)引桿導(dǎo)引段長度方案也不可行。

3.3 減短導(dǎo)引桿直線段

考慮將車鉤導(dǎo)引桿直線段減短，以此實現(xiàn)車鉤導(dǎo)引桿常態(tài)下正向安裝時與開閉機構(gòu)不干涉，如圖7所示。

圖7 導(dǎo)引桿直線段減短示例

因考慮車鉤連掛過程中，在凸錐和對側(cè)連掛面接觸之前，導(dǎo)引桿必須起到導(dǎo)引作用，在減短10型車鉤導(dǎo)引桿的直線段后導(dǎo)引桿將失去導(dǎo)引連掛功能，所以，導(dǎo)引桿直線段的長度不能調(diào)整。

3.4 導(dǎo)引桿上置

考慮把車鉤旋轉(zhuǎn)180°，即導(dǎo)引桿上置方案，如圖8所示，經(jīng)校核導(dǎo)引桿上置后依然和開閉機構(gòu)干涉，干涉理論尺寸65 mm，開閉機構(gòu)艙門關(guān)閉狀態(tài)，導(dǎo)引桿和開閉機構(gòu)艙門預(yù)留20 mm空間，需要將導(dǎo)引桿減短85 mm，經(jīng)計算兩車鉤連掛面中心距離約為254 mm（偏移量按50 mm計算），超過導(dǎo)引桿改短后的連掛范圍。此方案依然不可行。

圖8 導(dǎo)引桿上置示例

3.5 導(dǎo)引桿左右置

考慮把導(dǎo)引桿左右置方案，經(jīng)現(xiàn)場實測校核，受限于開閉機構(gòu)空間結(jié)構(gòu)，導(dǎo)引桿左置或右置后依然和開閉機構(gòu)干涉，如圖9所示，干涉尺寸理論約65 mm，此方案依然不可行。

圖9 導(dǎo)引桿左右置示例

3.6 使用伸縮鉤

伸縮鉤結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，如圖10所示，且伸縮裝置自動伸縮時需要氣路和電路同時存在，若氣路和電路任何一條線路出現(xiàn)問題，則必須要司機下車手動操作使車鉤伸出[9]。10型車鉤變形吸能為后壓潰系統(tǒng)[10]，伸縮機構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不能滿足壓潰管后退行程要求。限于伸縮裝置結(jié)構(gòu)原因，伸縮機構(gòu)縮回后長度仍然長于廣州地鐵18&22號線現(xiàn)有方案的車鉤長度。

圖10 伸縮鉤示例

鑒于以上3種原因，使用伸縮鉤方案同樣不可行。

3.7 導(dǎo)引桿伸縮方案

考慮將導(dǎo)引桿設(shè)計成可伸縮結(jié)構(gòu)。

10型車鉤主體結(jié)構(gòu)保持不變。車鉤導(dǎo)引桿設(shè)計成可伸縮方案，在導(dǎo)引桿直線段尾部加裝彈簧機構(gòu)設(shè)計，開閉機構(gòu)閉合狀態(tài)下，導(dǎo)引桿直線段尾部加裝彈簧機構(gòu)處于預(yù)壓縮狀態(tài)，當開閉機構(gòu)艙門打開時，導(dǎo)引桿在彈簧力作用下伸出，并由卡銷或單向彈性卡板卡停（卡停機構(gòu)可設(shè)計為氣動結(jié)構(gòu)），此時導(dǎo)引桿即處于待導(dǎo)引連掛狀態(tài)。伸縮機構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖11所示。

圖11 導(dǎo)引桿伸縮機構(gòu)設(shè)計示例

導(dǎo)引桿直線段尾部加裝彈簧機構(gòu)需要一定空間，現(xiàn)場實測核實目前10型車鉤導(dǎo)引桿反置空間可滿足伸縮機構(gòu)設(shè)計空間。尾端區(qū)域為供風管路，如有設(shè)計結(jié)構(gòu)干涉，可將風管管路往后騰挪一定距離。

導(dǎo)引桿直線段尾部設(shè)計一個定位銷孔位或側(cè)面卡板結(jié)構(gòu)，使彈簧機構(gòu)處于壓縮狀態(tài)。

導(dǎo)引桿定位銷與開閉機構(gòu)之間進行聯(lián)動，當開閉機構(gòu)艙門打開時，隨著開閉機構(gòu)艙門的動作，鋼絲繩在開閉機構(gòu)機械拉力作用下將導(dǎo)引桿定位銷拉出，此時導(dǎo)引桿在彈簧力的作用下伸出處于待導(dǎo)引連掛狀態(tài)。

當列車救援連掛結(jié)束回到停車場，開閉機構(gòu)艙門閉合前，需手動將導(dǎo)引桿恢復(fù)至彈簧壓縮狀態(tài)。

利用CAD三維建圖，導(dǎo)引桿在縮回后與開閉機構(gòu)艙門仍有間隙，經(jīng)計算間距約為24 mm，如圖12所示，導(dǎo)引桿與開閉機構(gòu)艙門不存在干涉。

圖12 導(dǎo)引桿縮回后與開閉機構(gòu)仍保持間距

以上分析可知，車鉤導(dǎo)引桿伸縮方案設(shè)計可實現(xiàn)自動連掛功能，連掛前不需人員手動操作安裝導(dǎo)引桿。

4 結(jié)束語

本文針對廣州地鐵18、22號線D型車輛10型車鉤使用過程中存在的需要手動操作安裝車鉤導(dǎo)引桿、車鉤連掛效率低、操作人員存在安全風險等設(shè)計缺陷，從10型車鉤設(shè)計結(jié)構(gòu)原理、車鉤導(dǎo)引桿配置必要性進行分析，結(jié)合10型車鉤實際安裝應(yīng)用情況進行實測和研究，提出縮短車鉤、減短車鉤導(dǎo)引桿（直線段或?qū)б危?、?dǎo)引桿上置、導(dǎo)引桿左右置、使用伸縮鉤、導(dǎo)引桿伸縮設(shè)計等優(yōu)化思路和方案。通過論證分析及使用CAD三維建圖工具輔助分析得出結(jié)論，縮短車鉤、減短車鉤導(dǎo)引桿（直線段或?qū)б危?、?dǎo)引桿上置、導(dǎo)引桿左右置、使用伸縮鉤等方案均無法實現(xiàn)在無人工手動安裝導(dǎo)引桿前提下車鉤導(dǎo)引桿自動導(dǎo)引連掛功能，只有導(dǎo)引桿伸縮設(shè)計方案，可在不改變廣州地鐵18&22號線D型車輛頭罩及開閉機構(gòu)結(jié)構(gòu)和外觀美觀性基礎(chǔ)上實現(xiàn)車鉤自動導(dǎo)引連掛功能，當需要開展車鉤連掛時，司機在司機室遠程操控打開開閉機構(gòu)，開閉機構(gòu)打開時，導(dǎo)引桿在彈簧力作用下自動伸出，在完成車輛解鉤或車輛檢修后需要關(guān)閉開閉機構(gòu)時，手動將導(dǎo)引桿恢復(fù)至彈簧壓縮狀態(tài)即可。