劉文俊, 劉鳳剛
(1 中車大同電力機車有限公司 技術(shù)中心, 山西大同 037038;2 中車青島四方車輛研究所有限公司 鉤緩事業(yè)部, 山東青島 266031)
國內(nèi)救援機車車鉤近30年來一直以ND型車鉤(現(xiàn)100型)或短頸的雜型車鉤(3號~8號等)為主。這類救援裝備僅能對160 km/h以下的干線機車車輛實施直接、有效的救援,對新增提速客車、高速動車組救援時需要臨時換裝過渡車鉤進行連掛轉(zhuǎn)換。但是過渡車鉤操作作業(yè)勞動強度高、過程繁雜,對車鉤本身自重有限制要求,導(dǎo)致牽引承載能力降低,需要實施限速運行等措施,制約了救援的有效性和救援效率,而且存在因過渡車鉤操作程序失誤或鉤型選擇不當(dāng)導(dǎo)致救援分離的安全隱患。對救援機車車鉤實施升級換代,實現(xiàn)更加安全、快速、高效的連接顯得十分必要的。
而且,隨著近十幾年來提速客車和高速動車組的大范圍運行,國內(nèi)鐵路干線上運行的交通裝備性能等級有了很大提升,裝備上應(yīng)用的關(guān)鍵部件也有了全面技術(shù)進步。在車鉤裝置方面,以輕量化、全自動、高性能為目標(biāo)的新型號產(chǎn)品增加了多種型式,也給救援機車與被救援對象間的快速連掛帶來了新要求,救援機車車鉤需要實施多功能、多品種配置,以便直接、有效地進行連掛救援。
可轉(zhuǎn)換車鉤裝置是一種帶旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的轉(zhuǎn)換式多功能車鉤裝置,主要由救援車鉤(既有車鉤)、鉤體、旋轉(zhuǎn)體、轉(zhuǎn)軸組件和彈性支撐裝置(隨救援機車車型而定)等零部件組成,可轉(zhuǎn)換車鉤裝置總體外形見圖1。
鉤體設(shè)計為與100型車鉤相同的鉤身,可與100型車鉤整鉤互換。但互換時需對機車車體端面沖擊座處實施改造,增加彈性支撐裝置。該方案既適用于新造機車,也可用于既有救援機車改造。
圖1 可轉(zhuǎn)換車鉤裝置總體外形圖
救援車鉤選取以下幾種既有車鉤進行配置:
(1)103型車鉤,與使用100/101/102/103/105A/15/13/16/17型車鉤的干線機、客、貨車直接連掛;
(2)2型車鉤(枈田式),與CRH2型動車組直接連掛;
(3)25T型車鉤,與25T型提速客車直接連掛;
(4)10型車鉤,共有2套,分別與高速客運專線統(tǒng)型動車組和CRH1/CRH3/CRH5型等非統(tǒng)型動車組直接連掛。車鉤主要技術(shù)參數(shù)見表1。
表1 主要技術(shù)參數(shù)
可轉(zhuǎn)換車鉤裝置結(jié)構(gòu)尺寸見圖2。
圖2 可轉(zhuǎn)換車鉤裝置結(jié)構(gòu)尺寸圖
可轉(zhuǎn)換車鉤裝置中,鉤體、旋轉(zhuǎn)體、轉(zhuǎn)軸和既有車鉤為承載關(guān)鍵件,需進行強度校核。因為既有車鉤為成熟結(jié)構(gòu),已經(jīng)強度試驗和實際運用證明滿足既有標(biāo)準(zhǔn),所以只需對鉤體、旋轉(zhuǎn)體、轉(zhuǎn)軸進行承載能力校核,其強度應(yīng)滿足TJ/JW 033-2017《交流傳動機車車鉤緩沖裝置暫行技術(shù)條件》中破壞載荷不低于3 430 kN的指標(biāo)要求。
鉤體、旋轉(zhuǎn)體材料選E級鋼,屈服極限、破壞極限分別為690 MPa、830 MPa;轉(zhuǎn)軸材料選40 Cr,屈服極限、破壞極限分別為620 MPa、750 MPa,轉(zhuǎn)軸材料對應(yīng)的剪切破壞極限為563 MPa。
鉤體、旋轉(zhuǎn)體的計算采用有限元分析方法,使用Solidworks Simulation軟件;轉(zhuǎn)軸承受剪切應(yīng)力,采用材料力學(xué)公式直接計算剪切應(yīng)力。計算得到的結(jié)果以不超過材料破壞極限值為判定依據(jù)。
根據(jù)鉤體的實際受力情況,對其施加3 430 kN的縱向載荷,經(jīng)有限元分析計算得到的應(yīng)力云圖見圖3。
由圖3可得,鉤體在承受3 430 kN載荷后,鉤身位置及前部轉(zhuǎn)軸孔處為最大應(yīng)力點,最大應(yīng)力795 MPa,小于E級鋼830 MPa的破壞極限,鉤體設(shè)計強度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。
圖3 鉤體有限元計算的應(yīng)力云圖
根據(jù)旋轉(zhuǎn)體的結(jié)構(gòu)和受力情況,選取偏心最大的法蘭加載3 430 kN載荷計算,經(jīng)有限元分析計算得到的應(yīng)力云圖見圖4。
圖4 旋轉(zhuǎn)體有限元計算分析
由圖4可得,旋轉(zhuǎn)體在承受3 430 kN載荷后,與車鉤連接法蘭圓筒處為最大應(yīng)力點,最大應(yīng)力751 MPa,小于E級鋼830 MPa的破壞極限,旋轉(zhuǎn)體設(shè)計強度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。
轉(zhuǎn)軸設(shè)計直徑選90 mm,有上、下兩處剪切面。為適應(yīng)被救援列車不同的鉤高,旋轉(zhuǎn)體與車鉤連接的法蘭設(shè)置成偏心結(jié)構(gòu),垂向最大偏心量為145 mm,對轉(zhuǎn)軸加載3 430 kN的剪切力情況如圖5所示。
圖5 轉(zhuǎn)軸受力情況圖
由圖5可見,旋轉(zhuǎn)軸的危險截面為下部剪切面,根據(jù)剪切應(yīng)力計算公式:
可計算得出旋轉(zhuǎn)軸下部危險截面的剪切應(yīng)力στ=354 MPa,遠(yuǎn)小于材料破壞剪切應(yīng)力563 MPa,轉(zhuǎn)軸的設(shè)計強度滿足要求。
通過對鉤體、旋轉(zhuǎn)體、轉(zhuǎn)軸等受力分析及有限元分析計算,結(jié)果證明可轉(zhuǎn)換車鉤裝置主要部件設(shè)計強度滿足要求。
選取某型機車安裝可轉(zhuǎn)換車鉤裝置,分別救援25T型客車、貨車(C80E型)、CRH2A/B/C/E/J動車組、CRH380A/AL/J動車組、標(biāo)準(zhǔn)動車組等,進行車鉤轉(zhuǎn)角計算,校核其通過曲線能力。
要求通過最小曲線半徑按單車調(diào)行通過100 m曲線進行計算校核,并將校核結(jié)果與既有救援機車相比較。
救援列車型號及轉(zhuǎn)角計算參數(shù)見表2。
表2 救援列車型號及轉(zhuǎn)角計算參數(shù)
*隨救援車鉤鉤型不同有一定變化,該值列于同行左側(cè)“+”號之前。
分析和計算表明,列車通過曲線時,處于曲線上車輛的車鉤旋轉(zhuǎn)中心處于最低點時(假定直線軌道為水平時,此時曲線上車輛的車鉤旋轉(zhuǎn)中心與曲線的圓心連線將垂直于水平線),車鉤將產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)角,且該轉(zhuǎn)角通常為兩車均在曲線上的一倍左右。因此,只需校核列車通過直線-曲線切點處的轉(zhuǎn)角即可,如圖6所示。其中:d1、d2分別為兩車的定距;f1、f2分別為兩車連掛端車鉤旋轉(zhuǎn)中心至轉(zhuǎn)向架中心的距離;p1、p2為相連掛兩車鉤連掛面至旋轉(zhuǎn)中心的長度;p為相連掛兩車鉤旋轉(zhuǎn)中心間的距離;R為曲線半徑;γ為車鉤轉(zhuǎn)角。
圖6 車輛通過曲線-直線切點處示意圖
根據(jù)圖6所示的幾何關(guān)系,令
則可推導(dǎo)出車鉤轉(zhuǎn)角計算公式:
(1)
(2)
γ=180-α-β
(3)
根據(jù)式(1)~式(3),可計算出救援機車牽引各型客車和動車組時的車鉤轉(zhuǎn)角,見表3。
(1)既有機車救援與換裝可轉(zhuǎn)換車鉤裝置后救援比較比較表3中第1行和第2行的車鉤轉(zhuǎn)角計算結(jié)果,使用既有機車救援25T型客車時,機車側(cè)車鉤轉(zhuǎn)角為15.2°,車輛側(cè)轉(zhuǎn)角為17.1°;換裝可轉(zhuǎn)換車鉤裝置后救援25T型客車,機車側(cè)車鉤轉(zhuǎn)角為11.4°,車輛側(cè)轉(zhuǎn)角為12.5°。可見,換裝可轉(zhuǎn)換車鉤裝置后救援25T型客車,車鉤轉(zhuǎn)角均有3°~5°的縮小。這說明換裝可轉(zhuǎn)換車鉤裝置后,車鉤轉(zhuǎn)角有了一定幅度的降低。表3中序號2~9,列出了換裝可轉(zhuǎn)換車鉤裝置后,救援其他貨車、動車組車鉤轉(zhuǎn)角計算結(jié)果。
表3 救援機車牽引各型車輛、動車組通過100 m曲線時車鉤轉(zhuǎn)角
(2)救援各車型時車鉤轉(zhuǎn)角冗余度分析
換裝可轉(zhuǎn)換車鉤裝置后,對救援既有典型客車、貨車和絕大多數(shù)動車組時的車鉤轉(zhuǎn)角進行的計算結(jié)果表明,機車側(cè)車鉤轉(zhuǎn)角為12.2°,車輛側(cè)轉(zhuǎn)角,貨車為5.3°,25T型客車為12.5°,動車組中CRH380A/AL/J型為最大15.3°,其他動車組為11°~13°。可見換裝成可轉(zhuǎn)換車鉤裝置后,貨車距最大9°的車鉤轉(zhuǎn)角有較大冗余,客車距最大17°轉(zhuǎn)角有一定冗余,動車組距最大17°轉(zhuǎn)角普遍有較大冗余。因此,換裝可轉(zhuǎn)換車鉤裝置后,機車救援車輛通過曲線能力普遍提高。
分析原則是在確定各車鉤長度時,應(yīng)保證一種車鉤擔(dān)當(dāng)救援時,相鄰車鉤應(yīng)與被救援對象的車端保持一定活動空間及轉(zhuǎn)角范圍,以確保與被救援對象不發(fā)生干涉。
以救援普通最易發(fā)生干涉的25K型客車為例進行校驗。圖7為100型車鉤為擔(dān)當(dāng)救援車鉤時救援25K型客車示意圖。擔(dān)當(dāng)車鉤產(chǎn)生轉(zhuǎn)角后,相鄰車鉤存在與客車風(fēng)擋立板干涉的可能性(圖8中A點不能觸碰風(fēng)擋立板,即安全間隙應(yīng)>0)。
圖7 100型車鉤為擔(dān)當(dāng)救援車鉤時相鄰車鉤與車體干涉位置示意
針對相鄰車鉤與風(fēng)擋立板的干涉點,可將圖7簡化為圖8所示的模型,即可計算出干涉發(fā)生時車鉤的極限轉(zhuǎn)角α值。
根據(jù)圖8所示的模型的幾何關(guān)系,推導(dǎo)出下列公式:
(4)
(5)
α=β-γ
(6)
根據(jù)設(shè)計尺寸,一個車鉤擔(dān)當(dāng)救援時,相鄰車鉤的干涉點所形成的三角形尺寸、旋轉(zhuǎn)半徑及車端風(fēng)擋立板的位置都是確定的,如表4所示。
考慮到25T與25K型客車風(fēng)擋立板位置相同,將表4計算結(jié)果與表3中25T型客車車鉤轉(zhuǎn)角比較可知,車鉤向左側(cè)轉(zhuǎn)動時,與車體干涉時的轉(zhuǎn)角比需要的轉(zhuǎn)角大了3.5°;車鉤向右側(cè)轉(zhuǎn)動時,與車體干涉時的轉(zhuǎn)角比需要的轉(zhuǎn)角大了11.3°。因此,確認(rèn)該工況下相鄰配置車鉤不會與車體發(fā)生干涉。
牽引機車、貨車、動車組等的防干涉空間遠(yuǎn)大于25K型客車,在配置車鉤外形尺寸相差較小的情況下,可以確認(rèn)救援車鉤與車體干涉時的轉(zhuǎn)角均遠(yuǎn)大于需要的轉(zhuǎn)角。因此,認(rèn)為可轉(zhuǎn)換車鉤裝備機車后,不會與被牽引對象發(fā)生干涉。
圖8 100型車鉤為擔(dān)當(dāng)救援車鉤時車鉤最大轉(zhuǎn)角計算模型
表4 各車鉤與車體發(fā)生干涉時的車鉤極限轉(zhuǎn)角
該救援機車用可轉(zhuǎn)換車鉤裝置,是通過配置既有車鉤的方式、借鑒已有成熟運用經(jīng)驗、兼容國內(nèi)鐵路機車車輛的全部車鉤設(shè)計而成,通過過曲線校核、與車體干涉分析、強度計算分析表明切實可行;運用中將擔(dān)當(dāng)車鉤對準(zhǔn)被救援對象后直接連掛,然后插入防轉(zhuǎn)軸銷將車鉤定位即可,省去安裝過渡車鉤和調(diào)整鉤高的操作,也不需要實施額外限速;既能救援干線用機車、動車組、客車、貨車,還能調(diào)度城軌、地鐵車輛,是一種新型、多功能、靈活的救援機車用車鉤裝置。