高速動車組相互救援機(jī)械連掛運(yùn)用技術(shù)研究

陳振虹，段書華，張?jiān)鰧?/p>

（1 中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 機(jī)車車輛研究所 中國鐵路動車組技術(shù)中心,北京 100081；2 中國鐵路廣州局集團(tuán)有限公司 廣州動車段，廣州 511483；3 中車青島四方車輛研究所有限公司,山東青島 266031）

高速動車組救援是動車組運(yùn)用維修體系中的關(guān)鍵組成部分，是應(yīng)急處置的重點(diǎn)之一。如何提升高速鐵路系統(tǒng)的故障可用性，在確保安全的情況下減小嚴(yán)重故障處置的影響范圍是全路共同關(guān)注的問題。

我國多平臺動車組共用、長交路跨線運(yùn)行等情況與國外不同。傳統(tǒng)的機(jī)車救援因機(jī)車速度和熱備點(diǎn)數(shù)量限制，機(jī)車趕赴救援點(diǎn)時(shí)間較長。此外，制動補(bǔ)給能力不高，救援效率存在明顯瓶頸。同型短編采用類似重聯(lián)式的連掛救援適用面又較為狹窄。

在實(shí)際運(yùn)用中，業(yè)界創(chuàng)造性地提出動車組相互救援的解決方案，拓展了救援的可能性。我國動車組目前已涵蓋15 個(gè)平臺，上百個(gè)批次動車組。多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)體系共存，“互聯(lián)互救”涉及問題比較多。國外無成熟經(jīng)驗(yàn)可借鑒，系統(tǒng)組織推進(jìn)該方案落地具有一定的難度，需要開展大量的前期研究工作。

機(jī)械連掛運(yùn)用技術(shù)研究屬于動車組相互救援技術(shù)研究的組成部分，在原有統(tǒng)型過渡鉤初步運(yùn)用的基礎(chǔ)上進(jìn)行提升，從運(yùn)用角度成體系研究動車組救援機(jī)械連掛技術(shù)。重點(diǎn)討論2 個(gè)主要的問題，我國多車型、車種互相排列組合情況下，工況繁多，一是實(shí)際救援車到達(dá)現(xiàn)場后，鉤型及高差不同是否都能連掛上；二是過渡車鉤具備錯(cuò)格的能力，但錯(cuò)格后強(qiáng)度有變化。在不同車型編組組合、牽引制動工況、坡道等情況下，強(qiáng)度邊界能力如何確定。文中主要關(guān)注現(xiàn)有條件下動車組救援的可行性，其他細(xì)節(jié)性問題如過渡鉤局部防錯(cuò)裝改進(jìn)、以及對曲線連掛能力的影響等限于篇幅，不展開討論。

1 相互救援機(jī)械連掛基礎(chǔ)組件

1.1 統(tǒng)型過渡車鉤的研制與優(yōu)化

我國動車組前端鉤型面有連桿式、柱銷式、關(guān)節(jié)式。標(biāo)稱鉤高有880、1 000、1 025 mm 3 種情況。早期引進(jìn)平臺動車組原配過渡鉤均僅面向機(jī)車救援回送，結(jié)構(gòu)匯總?cè)鐖D1 所示。經(jīng)調(diào)研，屈服強(qiáng)度均未超過450 kN，其中有2 款強(qiáng)度僅300 kN，使用過程中存在較多的限制。如CRH3C 型動車組要求起動加速度不能超過0.1 m/s2，起動坡度不能超過12‰，運(yùn)行中線路不應(yīng)大于20‰。對特殊線路適用性較差，部分情況難以救援，長編組情況更甚。

圖1 早期動車組原始過渡鉤

2014 年前后，我國完成了統(tǒng)型過渡鉤的研制，提出過渡車鉤模塊化概念及插隼式結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)不同車鉤廓形間的靈活組合連掛，降低了單模塊的質(zhì)量，并具有一定的鉤高差調(diào)整能力?，F(xiàn)行動車組相互救援暫行作業(yè)辦法在動車組相互救援中明確啟用了統(tǒng)型過渡車鉤［1-3］。

統(tǒng)型過渡鉤在原機(jī)車救援過渡鉤的基礎(chǔ)上為后續(xù)動車組相互救援模式的推進(jìn)、減少運(yùn)行限制提供可行性。但錯(cuò)格連掛等運(yùn)用體系方面的要求還需進(jìn)一步完善。

1.2 相互救援機(jī)械連掛體系與統(tǒng)型過渡鉤

由于統(tǒng)型過渡鉤實(shí)現(xiàn)從無到有的巨大變化，現(xiàn)場容易誤認(rèn)為我國動車組相互救援機(jī)械連掛主體是統(tǒng)型過渡鉤。

從相互救援體系的視角，與直接連掛工況相比使用過渡鉤救援屬于補(bǔ)充性的技術(shù)方案，應(yīng)用時(shí)配套的性能會有所降低。具體體現(xiàn)在作業(yè)過程搬運(yùn)掛鉤等需大量人工操作，可控性變差。強(qiáng)度與前端車鉤直連相比會有所降低。僅可實(shí)現(xiàn)BP 制動管的貫通，目前不具備雙管供風(fēng)的能力。由于過渡鉤本身不帶有導(dǎo)向桿，連掛能力范圍會有所縮減。加掛過渡車鉤后，前端鉤承重連掛端面下垂，可能需要人工輔助抬鉤。在曲線連掛工況過渡車鉤延展了車間距離，自動連掛能力也會有一定的影響，需要人工輔助校正。

動車組相互救援目前是以10 型鉤為主線。隨著前端車鉤的統(tǒng)型，中國標(biāo)準(zhǔn)動車組配屬數(shù)量的提升，直接使用10 型鉤相連會逐漸上升為主要救援工況。此方案保證了運(yùn)用上最優(yōu)的連掛及后續(xù)運(yùn)行性能。統(tǒng)型過渡鉤僅是一個(gè)針對完備性方面的補(bǔ)充方案。

當(dāng)然也要注意統(tǒng)型過渡車鉤的功能并不局限于解決異型面車鉤的連掛問題。同型面車鉤在極端情況下如果鉤高差過大也需要使用，避免空簧爆裂等無法救援。此外還兼有避免特殊情況下2列動車組前端組件干涉的功能。如CRH2A 平臺動車組統(tǒng)型批次，因引進(jìn)平臺早期使用無導(dǎo)向桿的柴田鉤配套導(dǎo)流罩開口度較小，如與CRH5A 型動車組長版導(dǎo)向桿連掛容易干涉。使用過渡鉤后延展了車鉤間距，可間接解決此問題。

綜上所述，形成過渡車鉤組合的完整矩陣體系見表1。

表1 統(tǒng)型過渡車鉤模塊組合示意

2 過渡車鉤錯(cuò)格連掛完備性研究

錯(cuò)格連掛完備性研究的整體思路如圖2所示。

圖2 核算流程

2.1 各車型相關(guān)參數(shù)情況摸底

2.1.1 各車型前端鉤參數(shù)

組織對各型動車組名義鉤高、輪徑等參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)摸底。

自然狀態(tài)下前端車鉤可能存在下垂的情況，加掛過渡鉤后前端車鉤可能存在進(jìn)一步的下垂，不同情況下幅度可能存在差異?？紤]到下垂較大時(shí)人工干預(yù)回調(diào)的幅度也較大，下垂數(shù)值不影響“救援可行性”的判別結(jié)論，只是影響到是否需要人工輔助連掛，故核算中進(jìn)行了簡化處理，掛過渡鉤后，下垂量統(tǒng)一按照25 mm 考慮，人工輔助回調(diào)能力按照20 mm 進(jìn)行。

2.1.2 不同車鉤連掛能力

連掛能力為空間匹配問題，與多個(gè)因素相關(guān)，核算中采用留有適當(dāng)余量簡化為一維數(shù)值處理。模塊1、3 上下連掛高差為±64 mm，模塊2 為±60 mm，模塊4 為±50 mm?？紤]人工測量的準(zhǔn)確度及后續(xù)核算的便捷性，簡統(tǒng)按照±50 mm 計(jì)算。機(jī)車與關(guān)節(jié)式車鉤直連，范圍為±70 mm。

前端車鉤設(shè)有導(dǎo)引桿時(shí)，經(jīng)臺架試驗(yàn)確認(rèn)可行性，擴(kuò)展高差為+100 mm（如為CRH5A 長版導(dǎo)向桿，則擴(kuò)展高差為+150 mm）。

2.2 車型匹配核算

在明確前述各參數(shù)及能力范圍后，開展全譜系核定。采取相對聚類分析的方法。針對同類型前端鉤共用同一標(biāo)尺。

全譜系核定中，逐級核算的目錄如何展開，各級目錄分別選擇什么技術(shù)口徑進(jìn)行切分，影響到體系的簡潔性。經(jīng)過規(guī)劃及多輪迭代優(yōu)化，采用如下目錄展開為較優(yōu)解，如圖3 所示。

圖3 車型全譜系核算展開方案

高差調(diào)節(jié)方式有錯(cuò)格、反向連掛、人工協(xié)助等多種，同時(shí)還可以組合使用。即使在某一確定的高度差的情況下，可實(shí)現(xiàn)連掛的方式也有多種可能性。故存在方式優(yōu)選的問題。以基準(zhǔn)鉤高互聯(lián)（主動連掛側(cè)無導(dǎo)引桿）核算為例，對各種方式適用的高差范圍進(jìn)行確定，橫向比對，形成優(yōu)選結(jié)論示例見表2。優(yōu)選方案盡量避免人工干預(yù)，同時(shí)以盡量不錯(cuò)格作為原則。不同高差下的最優(yōu)方案切換處留有適當(dāng)?shù)臏y量誤差容忍空間。其他工況類似處理。

表2 連掛方式優(yōu)選結(jié)果示例

2.3 全譜系高差連掛核算

明確了具體高差情況下的最優(yōu)連掛方式，即可代入進(jìn)行后續(xù)連掛工況核算。各類情況下核算信息較多，此處僅以基準(zhǔn)鉤高互連中主動連掛側(cè)有導(dǎo)向桿的情況示例，如圖4 所示。核算中同時(shí)標(biāo)記了可不使用過渡鉤直接連掛的區(qū)域。通過核算找出連掛盲區(qū)，研究處置方案。

圖4 典型核算情況示例

此外，核算過程中也綜合考慮制動系統(tǒng)主動救援能力，如CRH2A/2C/380A 平臺動車組，僅考慮統(tǒng)型批次作為主動救援車救援其他平臺動車組，非統(tǒng)型批次不考慮。

2.4 核算結(jié)論

不同模塊錯(cuò)格上方向調(diào)整和下方向調(diào)整范圍累加為2 格，一般為上下各1 格（880 mm 和1 000 mm模塊配合，僅可往小高差方向單向調(diào)2 格）。此錯(cuò)格條件，可以滿足動車組相互救援的覆蓋性。僅需針對如下特殊情況進(jìn)行處理。

（1）高鉤主動連掛低鉤極端情況：CRH5A 型動車組連掛CRH1A/CRH380D 平臺、機(jī)車時(shí)。

（2）低鉤主動連掛高鉤極端情況：CRH5G、CRH1A/380D 連掛其他10 型車鉤平臺以及CRH1B/1E（1~2）連掛機(jī)車時(shí)。

對2 類情況進(jìn)行匯總，CRH5A 型動車組車鉤高為1 035 mm（1 025+10 mm），需將最大鉤高側(cè)降低25 mm。而CRH1A/CRH380D 平臺標(biāo)稱車鉤為880 mm 的相關(guān)車型（批次）、CRH5G 型動車組在空簧壓死時(shí)高差達(dá)到90 mm，這2 種情況在空簧無風(fēng)時(shí)車鉤高度最低，需將出庫最小鉤高提升15 mm。

此外，同步核定了CRH1B/1E（1~2）批次動車組考慮機(jī)車救援時(shí)，需按照最大上偏差調(diào)整，出庫鉤高大于848 mm（不屬于過渡鉤連掛工況）。

3 錯(cuò)格情況下強(qiáng)度限值研究

調(diào)格覆蓋性確認(rèn)后，同步組織過渡鉤研制單位進(jìn)行了強(qiáng)度限值精準(zhǔn)化研究［4］。

3.1 工況梳理及試驗(yàn)情況

因模塊之間正常組合工況前期已經(jīng)進(jìn)行了拉壓強(qiáng)度試驗(yàn)，重點(diǎn)研究補(bǔ)充兩側(cè)鉤高差增大的工況。具體梳理見表3。

表3 模塊高差相對增大情況匯總表

在地面綜合實(shí)驗(yàn)臺驗(yàn)證統(tǒng)型過渡車鉤縱向拉伸500 kN、壓縮550 kN 及縱向拉伸800 kN（破壞試驗(yàn)）下過渡車鉤的情況。具體方法如下：

（1）強(qiáng)度試驗(yàn)。拉伸工況，過渡車鉤安裝完畢，確認(rèn)所有試驗(yàn)設(shè)備完好后，緩慢加載至300 kN，保持30 s 后卸載，分解車鉤。觀察統(tǒng)型過渡車鉤的各個(gè)零部件是否發(fā)生變形或損壞，如無異常情況，重新組裝，按照要求的試驗(yàn)載荷加載至500 kN 后卸載，觀察過渡車鉤情況；壓縮工況類似，觀察過渡車鉤情況。

（2）破壞試驗(yàn)。確認(rèn)所有試驗(yàn)設(shè)備完好后緩慢加載至800 kN，保持30 s 后卸載，分解車鉤。觀察統(tǒng)型過渡車鉤情況。

強(qiáng)度試驗(yàn)和破壞試驗(yàn)的結(jié)果見表4。

表4 錯(cuò)格工況下的強(qiáng)度與破壞試驗(yàn)結(jié)果

各類工況下，工況A 和工況D 試驗(yàn)結(jié)果較差，具體如下：

強(qiáng)度試驗(yàn)中，連接銷試驗(yàn)后能正常拔出但發(fā)生輕微彎曲，工況A 強(qiáng)度試驗(yàn)情況如圖5、圖6 所示，工況D 類似。

圖5 工況A 過渡鉤試驗(yàn)安裝情況、載荷反饋

圖6 工況A 拉伸載荷500 kN 后連接銷輕微彎曲

破壞試驗(yàn)中，除連接銷發(fā)生較為嚴(yán)重的變形，模塊間拆分較為困難外，鉤體出現(xiàn)局部破壞。具體如圖 7、圖8 所示。

圖7 工況A 模塊1 凸錐斷裂，模塊2 插齒斷裂

圖8 工況D 模塊4 斷裂

3.2 試驗(yàn)分析及結(jié)論

對上述現(xiàn)象進(jìn)行分析。試驗(yàn)結(jié)果反映的耐受能力，可分為2 個(gè)級別。試驗(yàn)情況解析見表5。

表5 按照試驗(yàn)情況解析表

以上所有工況中，如以慣用的相對過渡鉤現(xiàn)有標(biāo)記線錯(cuò)格數(shù)的視角錯(cuò)格數(shù)量均為1 格，耐受能力卻明顯有別，規(guī)律不直觀。此處分析切換一個(gè)新視角。

統(tǒng)型過渡鉤設(shè)計(jì)階段為橋接不同標(biāo)稱高前端車鉤的連掛，在模塊1、4 設(shè)置有高差補(bǔ)償結(jié)構(gòu)。從受力的角度，采用相對車鉤模塊整體承載能力平衡線做為基準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算會更為直觀。此時(shí)，工況A、D 錯(cuò)格數(shù)為2，其他情況錯(cuò)格數(shù)為1。因錯(cuò)格數(shù)越大重疊區(qū)及受力的平衡度越差，承載能力相應(yīng)低。以此角度規(guī)范運(yùn)用錯(cuò)格要求最為簡潔，同時(shí)可派生出一種新的現(xiàn)場錯(cuò)格管控可視化方案。

模塊1、4 互相連掛時(shí)，兩者同時(shí)存在高差補(bǔ)償結(jié)構(gòu)。左右平衡故允許上下錯(cuò)一格。當(dāng)模塊1 或模塊4 同其他模塊連掛時(shí)單側(cè)存在高差，則僅允許往高差小的方向調(diào)整2 格。

綜上所述，在確定運(yùn)用調(diào)整范圍為相對車鉤模塊整體承載能力平衡線上下各1 的情況下，結(jié)合強(qiáng)度試驗(yàn)，可明確過渡鉤的仿真計(jì)算限值。

在相互救援整體研究中，綜合考慮CRH5A 平臺動車組中間車鉤強(qiáng)度拉伸和壓縮屈服力值僅700 kN 和800 kN（采用吊頂螺栓實(shí)現(xiàn)縱向連接），統(tǒng)型過渡鉤的仿真計(jì)算限值與該值進(jìn)行統(tǒng)一。實(shí)現(xiàn)簡統(tǒng)化并留有適當(dāng)安全余量。

相對于原配過渡車鉤，此能力限值已有較大幅度提升，作為動車組相互救援縱向動力學(xué)計(jì)算的寶貴輸入。在后續(xù)總體方案研究中，基本滿足體系搭建的要求。

4 結(jié) 論

動車組相互救援目前以10 型鉤為主線，統(tǒng)型過渡鉤作為基礎(chǔ)性補(bǔ)充。

統(tǒng)型過渡鉤實(shí)現(xiàn)型面及高差的橋接，錯(cuò)格能力可完成動車組相互救援的基本覆蓋，僅需對少數(shù)車鉤高度較為特殊的車型前端鉤高進(jìn)行微調(diào)。

綜合統(tǒng)型過渡車鉤強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，動車組相互救援縱向動力學(xué)仿真中，采用拉伸700 kN、壓縮800 kN 作為緊急救援使用的強(qiáng)度限值。