地鐵救援及推行工況車鉤力試驗(yàn)研究

張棟梁

(南通城市軌道交通有限公司運(yùn)營(yíng)分公司,江蘇 南通 226361)

0 引言

車鉤是地鐵車輛設(shè)備中最為關(guān)鍵的部件之一,除承受機(jī)械連接受力、緩沖縱向沖擊、吸收沖擊能量外,部分車鉤尤其是車輛首尾端全自動(dòng)車鉤還起著氣路及電路連接作用。

當(dāng)運(yùn)營(yíng)列車由于故障而無(wú)法繼續(xù)運(yùn)營(yíng)時(shí),往往通過下一列次車輛清客后前進(jìn)至故障列車處采用車鉤連掛方式進(jìn)行救援并推行至指定地點(diǎn)。由于連掛后,兩列車牽引均由救援車承擔(dān),牽引過程中,救援車負(fù)責(zé)操控,被救援車負(fù)責(zé)瞭望,但若出現(xiàn)緊急情況,往往需要救援車施加緊急制動(dòng),在此工況下,救援車急停,被救援車受慣性仍有一小段行程,從而導(dǎo)致車鉤受力大幅增加,存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)[1]。因此在列車設(shè)計(jì)階段,車鉤設(shè)計(jì)人員根據(jù)車型及載荷等因素校核救援工況緊急制動(dòng)情況下車鉤力是否符合要求,在設(shè)置合理的安全系數(shù)后,車鉤極限受力與安全系數(shù)乘積值必須小于許用應(yīng)力[2]。為了更好地增加強(qiáng)度,國(guó)內(nèi)學(xué)者從制造工藝、裝配工藝、加工裝置、連接邏輯及輔助配件等方面[3-7]進(jìn)行了全方位的研究。

但隨著運(yùn)營(yíng)安全要求越來(lái)越高,國(guó)內(nèi)一些學(xué)者在設(shè)計(jì)校核基礎(chǔ)上進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真研究[8-9],進(jìn)一步探討救援安全風(fēng)險(xiǎn)。但處于理想工況下的設(shè)計(jì)校核值與實(shí)際存在一些偏差,同時(shí)國(guó)內(nèi)部分線路亦出現(xiàn)救援工況下車鉤斷裂的情況,因此部分地鐵公司在新線采購(gòu)需求中新增了車鉤力測(cè)試要求。目前,國(guó)內(nèi)已經(jīng)有一些車鉤救援試驗(yàn)研究案例[10-11],為進(jìn)一步試驗(yàn)研究提供了參考。但目前試驗(yàn)研究推行工況均為低速工況,測(cè)試值與許用應(yīng)力仍有較大余量,本文實(shí)測(cè)了不同制動(dòng)模式、運(yùn)行速度、惰行時(shí)間、列車載荷下救援工況車鉤力,獲得了接近極限的推行工況,為列車救援及推行下的行駛模式提供數(shù)據(jù)參考。

1 試驗(yàn)對(duì)象

研究對(duì)象為某地鐵車輛,車輛為7節(jié)編組(見圖1),最高運(yùn)行速度為80 km/h。編組形式為-TC*MP*M*M*M*MP*TC-,其中:TC為帶司機(jī)室的拖車,MP為帶受電弓的動(dòng)車,M為不帶受電弓的動(dòng)車。-為全自動(dòng)車鉤,*為半永久車鉤。試驗(yàn)對(duì)象需完成全部裝配工作,各系統(tǒng)零部件全部安裝完畢,空簧處于標(biāo)準(zhǔn)充氣狀態(tài),并完成稱重調(diào)平試驗(yàn),具備在線路上走行的條件。

圖1 列車編組圖

2 試驗(yàn)內(nèi)容

2.1 試驗(yàn)車鉤力值標(biāo)定

試驗(yàn)前共需要對(duì)1套全自動(dòng)車鉤和2套半永久車鉤進(jìn)行改造及標(biāo)定。對(duì)于全自動(dòng)車鉤,在被測(cè)車鉤表面布置應(yīng)變片并組成全橋,每一被測(cè)車鉤表面組成2組全橋。標(biāo)定時(shí)將試驗(yàn)車鉤安裝在壓力機(jī)上,然后加載,載荷范圍為-1 500 kN～1 000 kN,進(jìn)行車鉤力的標(biāo)定,標(biāo)定完成后將試驗(yàn)車鉤組裝到全自動(dòng)車鉤上。對(duì)于半永久車鉤,在車鉤壓潰管表面布置應(yīng)變片并組成全橋,每一半永久車鉤上組成2組全橋。標(biāo)定時(shí)將半永久車鉤安裝在壓力機(jī)上,然后加載,載荷范圍為-800 kN～700 kN,進(jìn)行車鉤力的標(biāo)定。本試驗(yàn)用車鉤許用應(yīng)力為抗拉屈服強(qiáng)度850 kN,抗壓屈服強(qiáng)度1 250 kN。

2.2 試驗(yàn)車鉤換裝

救援狀態(tài)下列車編組圖如圖2所示,全編組共計(jì)13個(gè)斷面,根據(jù)理論計(jì)算可知,最大車鉤力將出現(xiàn)在斷面6和8處的半永久車鉤及斷面7處的全自動(dòng)車鉤。本試驗(yàn)將標(biāo)定好的全自動(dòng)車鉤安裝在斷面7處,將標(biāo)定好的半永久車鉤安裝在斷面6和8處。

圖2 救援狀態(tài)下列車編組圖

2.3 傳感器布置

在斷面6、7、8處布置加速度傳感器,每一個(gè)斷面布置2個(gè)傳感器。加速度傳感器具體安裝位置如圖3、圖4所示。

圖3 斷面7處全自動(dòng)車鉤加速度傳感器布置

圖4 斷面6和8處半永久車鉤加速度傳感器布置

在斷面6、7、8處各布置一個(gè)拉線式位移傳感器,測(cè)量車鉤拉伸和壓縮行程變化。位移傳感器的具體安裝位置如圖5、圖6所示。

圖5 斷面7處全自動(dòng)車鉤上位移傳感器安裝示意圖

圖6 斷面6和8處半永久車鉤上位移傳感器安裝示意圖

2.4 試驗(yàn)工況及測(cè)試過程

本試驗(yàn)共選取2種列車載荷狀態(tài),分別為AW0載荷列車救援AW0載荷列車、AW0載荷列車救援AW3載荷列車,測(cè)試速度由啟動(dòng)速度逐步遞增至30 km/h,試驗(yàn)時(shí)分別采取不同控制級(jí)位及制動(dòng)方式,制動(dòng)地點(diǎn)選取平直道及最大坡道2類典型位置。需要說(shuō)明的是,由于時(shí)間及線路條件限制,本文測(cè)試時(shí),各工況條件將根據(jù)測(cè)試值的余量不斷調(diào)整,工況惡劣程度不斷遞增直至接近極限值。

試驗(yàn)時(shí),每進(jìn)行一個(gè)工況測(cè)試,采集車鉤力、位移及加速度數(shù)據(jù),并通過車載TCMS系統(tǒng)讀取相關(guān)參數(shù)。為確保試驗(yàn)安全,若車鉤拉伸力采集值大于800 kN,則立即停止試驗(yàn)。

3 結(jié)果分析

測(cè)試結(jié)束后,對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì),統(tǒng)計(jì)內(nèi)容包括每種列車載荷狀態(tài)下各工況中各斷面6、7、8處車鉤所受拉力最大值、車鉤加速度最大值、車鉤行程最大值。

3.1 AW0載荷列車救援AW0載荷列車

AW0載荷列車救援AW0載荷列車各工況下,車鉤力、車鉤加速度、車鉤行程的最大值及其分布情況如表1所示。

表1 各工況下車鉤各參數(shù)測(cè)試值及分布情況

由表1可以得出以下結(jié)論:

(1)在被救援車為AW0狀態(tài)、救援車為AW0狀態(tài)下,斷面6、7、8處車鉤力最大值均未超過車鉤的許用強(qiáng)度,車鉤的安全性滿足要求。

(2)斷面6、7、8處車鉤力幅值的大小與救援車采用的制動(dòng)方式有關(guān), 緊急制動(dòng)時(shí)車鉤受力最大, 快速制動(dòng)時(shí)次之,常用制動(dòng)時(shí)車鉤力最小。

(3)在制動(dòng)方式相同時(shí),斷面6、7、8處車鉤力幅值的大小還與制動(dòng)前列車速度有關(guān),制動(dòng)前列車速度越高,車鉤受力越大。

(4)在制動(dòng)方式和制動(dòng)前列車速度相同時(shí),斷面6、7、8處車鉤力幅值的大小還與制動(dòng)前惰行距離有關(guān),惰行距離越長(zhǎng),車鉤受力越小。

(5)斷面6、7、8處車鉤力幅值的大小還與線路條件有關(guān),在其他條件相同時(shí),與在平直線路上實(shí)施制動(dòng)時(shí)相比,在下坡坡道上實(shí)施制動(dòng)時(shí)車鉤受拉力更大。

3.2 AW0載荷列車救援AW3載荷列車

AW0載荷列車救援AW0載荷列車各工況下,車鉤力、車鉤加速度、車鉤行程的最大值及其分布情況如表2所示。

表2 各工況下車鉤各參數(shù)測(cè)試值及分布情況

由表2可以得出以下結(jié)論:

(1)在被救援車為AW3狀態(tài)、救援車為AW0狀態(tài)下,斷面6、7、8處車鉤力最大值均未超過車鉤的許用強(qiáng)度,車鉤的安全性滿足要求。

(2)斷面6、7、8處車鉤力幅值的大小與救援車采用的制動(dòng)方式有關(guān),緊急制動(dòng)時(shí)車鉤受力最大,快速制動(dòng)時(shí)次之,常用制動(dòng)時(shí)車鉤力最小。

(3)在制動(dòng)方式相同時(shí),斷面6、7、8處車鉤力幅值的大小還與制動(dòng)前列車速度有關(guān),制動(dòng)前列車速度越高,車鉤受力越大。

(4)在制動(dòng)方式和制動(dòng)前列車速度相同時(shí),斷面6、7、8處車鉤力幅值的大小還與制動(dòng)前惰行距離有關(guān),惰行距離越長(zhǎng),車鉤受力越小。

(5)斷面6、7、8處車鉤力幅值的大小還與線路條件有關(guān),在其他條件相同時(shí),與在平直線路上實(shí)施制動(dòng)時(shí)相比,在下坡坡道上實(shí)施制動(dòng)時(shí)車鉤受拉力更大。

同時(shí),結(jié)合表1及表2分析可知,斷面6、7、8處的車鉤受力還與被救援車的載荷狀態(tài)有關(guān),被救援車載荷越大,車鉤受力越大。

4 結(jié)論及應(yīng)用

4.1 結(jié)論

對(duì)某地鐵車輛救援及推行工況下車鉤力進(jìn)行了測(cè)試,共設(shè)定了2種列車載荷狀態(tài)(被救援車AW0狀態(tài)、救援車AW0狀態(tài)與被救援車AW3狀態(tài)、救援車AW0狀態(tài)),每種載荷狀態(tài)下制定了不同的制動(dòng)工況。

在救援車與被救援車連掛狀態(tài)下,各種制動(dòng)工況中,被試車鉤(1套全自動(dòng)車鉤、2套半永久車鉤)所受車鉤力均未超過車鉤的許用強(qiáng)度,車鉤安全性滿足要求。由測(cè)試結(jié)果可知,救援工況下列車車鉤受力大小與救援車制動(dòng)方式、制動(dòng)前列車速度、制動(dòng)前惰行距離、線路條件、列車載荷、司機(jī)操縱方式等多種因素有關(guān)。

4.2 應(yīng)用

由本文的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知,在救援及推行工況下,低速行駛時(shí)(不大于5 km/h),即使遇到突發(fā)情況緊急制動(dòng),車鉤所受突變力仍遠(yuǎn)小于材料許用極限,為提高救援效率,盡快出清線路,同時(shí)保障安全,在被救援車保持瞭望的前提下,救援車可提升速度至30 km/h,突發(fā)情況可采用短時(shí)惰行后制動(dòng),以此降低車鉤沖擊力。同時(shí),在實(shí)際試驗(yàn)時(shí),多次緊急制動(dòng),車身沖擊感較為強(qiáng)烈,因此不宜多次或長(zhǎng)時(shí)間制動(dòng),避免車鉤局部損傷。本文在多輪試驗(yàn)后,根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果在最后一輪試驗(yàn)結(jié)束后采用30 km/h速度救援回庫(kù),過程中僅制動(dòng)3次,回庫(kù)后檢查車輛及車鉤狀態(tài)良好,后續(xù)車輛正常投入運(yùn)營(yíng),證明了該方法的可行性。