中置轴货车列车关键零部件选型及应用介绍

2021-07-23宋延文尹红霞

专用汽车 2021年7期

宋延文尹红霞

1.中集车辆（集团）股份有限公司广东深圳 518000

2.汉阳专用汽车研究所湖北武汉 430056

随着中置轴货车列车在国内的推广和使用，其装载货物时的操作、运行安全和道路安全等成为生产企业和用户普遍关注的问题。其中，中置轴货车列车中的牵引杆、机械连接器和支腿承载装置等部件，涉及到各个环节的安全问题，但由于中置轴货车列车产品和标准在我国还处于发展初期[1]，这些零部件的标准还在引进和消化吸收阶段，因此中置轴货车列车的研发和使用还有待进一步成熟和完善。

本文通过介绍中置轴货车列车的关键零部件标准、专业知识和相关应用经验，希望能为研究中置轴挂车及汽车列车产品的设计工程师和生产厂家提供借鉴，使他们能够快速了解和掌握中置轴汽车列车关键零部件的核心技术和应用方法，避免走研发弯路以及出现列车产品设计缺陷。

1 关键零部件介绍

中置轴货车列车的主要部件包含牵引杆与挂环总成、牵引车辆的机械连接器、支腿支承装置总成等，中置轴货车列车的机械连接器用于连接牵引汽车和中置轴挂车，是非常重要的连接部件，它对中置轴货车列车的安全运行起到非常重要的作用。

中置轴货车列车连接部件的选择应遵循中置轴挂车、中置轴货车列车和零部件相关设计标准要求。同时，中置轴货车列车连接的关键部件选择还需考虑其尺寸、强度、列车互换性，以及适应的车型等要素[2]。本文将分别进行介绍。

2 中置轴挂车列车关键零部件的选型

2.1 牵引杆选型

2.1.1 牵引杆尺寸

牵引杆是中置轴挂车的重要部件，是连接中置轴挂车与牵引汽车的连接结构件，与牵引汽车后部的牵引杆连机械接器相耦合。牵引杆的长度尺寸、高度安装尺寸均应符合ISO 11407标准要求[3]。牵引杆选型主要涉及尺寸计算和强度计算。

牵引杆长度尺寸与牵引汽车和中置轴挂车之间的间隙、牵引杆伸入前车（牵引汽车）下面的长度尺寸有关系，在确定牵引杆长度时首先要对中置轴货车列车的整体长度尺寸进行布置。根据列车总长度、前后车车厢长度、牵引杆连接器在前车上的位置，计算出前后车在极限转弯时不干涉的间隙尺寸。在牵引杆安装位置高度尺寸计算方面，一方面要考虑连接器安装位置高度尺寸，另一方面还要考虑牵引杆的离地间隙，即中置轴挂车的通过性。

牵引杆铰接点至牵引杆后支架中心线的距离L2+A=L1+ X1+A，其中L1为引杆铰接点中心线至前车后端面的距离，L2为牵引杆铰接点中心线至牵引杆前支架中心线的水平距离，X1为前后车之间的间隙，A为牵引杆后支架中心线至后车前端面的距离（最小为100 mm），如图1所示。

图1 中置轴挂车牵引杆尺寸选型尺寸图

一方面，按照标准ISO 11407的推荐，中置轴货车列车前后车厢间隙至少为750 mm，以保证前后车在极限转弯、上坡或上坡加转弯情况下，前车与后车不发生结构尺寸干涉。另一方面，由于前车的后悬尺寸和结构原因，牵引杆连接器的在前车上安装位置尺寸根据各种车型不同会有较大区别，一般前后车厢的尺寸间隙范围在890～2 025 mm之间。ISO 11407标准推荐牵引杆连接器耦合中心离地间距为(380±25) mm，欧洲牵引杆供应商WAP提供的牵引杆连接器耦合中心离地间距为220～690 mm。

牵引杆的长度FL（从牵引杆耦合中心至前安装支架的距离）尺寸与牵引杆的V值有直接关系，如图2所示。

图 2 中置轴挂车牵引杆尺寸

2.1.2 牵引杆强度计算

中置轴挂车的牵引杆强度校核评价参数为Dc值和V值（如图3），并在欧洲标准94/20/EC Annex I, 2.1.18 &2.1.19中进行了规定[4]。

图3 中置轴挂车动载荷计算图

Dc值是用来衡量牵引货车与中置轴挂车之间产生的水平方向力的理论参考值，Dc值计算公式为：

式中，g为重力加速度，g=9.81 m/s2；T为装有牵引杆连接器的牵引货车的最大总质量，t；C为达到最大设计总质量的中置轴挂车车轴（轴组）传递到地面的的质量，t。

V值是根据牵引货车和中置轴挂车之间产生的水平方向的理论参考值，kN。V值计算公式如下：

式中，X为中置轴挂车载荷区域的长度，m；L为牵引杆的理论长度，为牵引杆耦合中心至中置轴挂车后轴组中心线的水平距离，m；C为达到最大设计总质量的中置轴挂车车轴（轴组）传到地面的质量，kg。S值是牵引钩静载，最大值为中置轴挂车总质量的10%或1 000 kg，取两者低者。根据计算出的Dc值、V值、S值，选择对应的连接器类型、牵引杆挂环，在确定连接器与牵引杆挂环耦合点离地高度情况下，设计连接器和牵引杆连接支架。牵引杆挂环由专业厂家生产并进行质量认证，牵引杆生产厂家一般会采购标准的牵引杆挂环，与牵引杆焊接后成为总成进行销售。

2.2 机械连接器选型

2.2.1 机械连接器类别介绍

中置轴挂车的牵引杆连接器有很多种，按照欧洲标准ECE R55 Uniform provisions concerning the approval of mechanical coupling components of combinations of vehicles[5]关于组合列车的机械连接装置的认证规定，拖车和被拖挂车之间的机械连接装置分为A、B、C、D、E、F、G、H、J、K、L、S、T共计13个类别，每一类又细分出更多小类别，中置轴挂车可以采用的连接器规格有限。

其中，厢式中置轴挂车采用欧洲标准ECE R55 D类（Class D）机械连接器，该机械连接器与牵引挂环连接时，锁销自动从连接器上方落下，插入牵引挂环孔中，并自动锁紧（或手动锁紧）。D类中的D50-A、D50-B、D50-C和D50-D分别表示标准直径50 mm的插销，牵引杆挂环与牵引杆之间为焊接连接、螺纹连接、螺栓连接形式。D50-X表示非标准50 mm直径的牵引杆挂环（如图4）。

车辆运输中置轴挂车的机械连接器采用欧洲标准ECE R55 中的T类（Class T），即非标准的连机器与牵引杆挂环之间非自动挂接和脱挂，需要使用工具将连接器与牵引杆挂环之间解除挂接（如图 5）。

图4 喇叭口连接器

图5 球型连接器

由于在运营过程中，厢式中置轴挂车与货车组成的中置轴货车列车甩挂的机会较多，厢式中置轴挂车与货运汽车的挂接会经常脱挂。从欧洲的挂车机械连接标准和多年的使用经验看，中置轴挂车选用欧洲标准E/ECE/R505中D类（Class D）机械连接器。该类连接器为喇叭口型结构，适合与直径50 mm牵引杆的挂环进行自动连接。

中置轴车辆运输车的机械连接器选用欧洲标准E/ECE/R505中T类（Class T），非标准牵引杆挂环与连接器主销非自动连接和拖挂，需要采用专用工具将牵引杆挂环与主车上的连接器主销脱挂。欧洲中置轴车辆运输车的挂车连接器主销直径一般为80 mm或90 mm，标准中没有规定连接器主销的直径。

2.2.2 连接器选型原则

中置轴挂车的牵引杆连接器总体上分为：车辆运输中置轴挂车机械连接器和厢式中置轴挂车机械连接器。两类机械连接器选择的原则一致，都是根据牵引杆的牵引能力Dc值、牵引钩的静载值S、牵引钩动载值V确定相应的连接器型号。

根据上述牵引杆强度计算公式和中置轴挂车的已知参数（拖挂车和中置轴挂车的质量、中置轴挂车的长度尺寸等），计算出Dc值、S值和V值，选择出车辆运输车中置轴挂车或者厢式中置轴挂车的机械连接器。

2.2.3 喇叭口型连接器（D类-Class D）

按照国家标准GB 1589-2016规定，拖挂车最大总质量25 t，两轴中置轴挂车总质量18 t，计算出Dc值为104.65 kN，V值为70.1 kN，S值为1 000 kg，所以可以选择某品牌生产的中置轴挂车连接器RO500A66000（如图6)。RO500A66000的技术参数为：Dc=140 kN，V=90 kN，S=1 100 kg。

图6 厢式中置轴挂车喇叭口式连接器

如果厢式中置轴挂车以后液压尾板为后门，卸货时中置轴挂车的后尾板放平与拖挂车连成通道，叉车可以从中置轴挂车进入拖挂车卸货，此时中置轴挂车的连接器和挂环承受更大的垂直力。因此，静载荷S要达到2 500 kg。虽然选用同一型号的连接器RO500A66000，但连接器的S值应选择更大的，适合承受叉车的静载荷力和动载荷。

意大利V.ORLANDI公司的厢式中置轴车机械连接器E525符合欧洲和中国挂车及配件相关标准，在欧洲广泛应用。E525连接器的技术参数：Dc=135 kN，V=75 kN，S= 1000 kg，另外一个选项是Dc=135 kN，V=50 kN，S=2 500 kg，如图7所示。

2.2.4 球型连接器(T类-Class T)

中置轴车辆运输车的机械连接器型号选择方法与厢式中置轴挂车机械连接器相同，只是中置轴车辆运输车的机械连接器选用R55标准中的T类，即球型连接器。球型连接器与牵引杆挂上半球碗型挂环连接紧密，球面之间通过润滑脂进行润滑。所以，中置轴车辆运输车都选用球型连接器。

图7 厢式中置轴挂车喇叭口式连接器

球型连接器中的连接球的直径尺寸为非标，在标准R55 Class T中没有规定。按照强度计算和试验结果，中置轴车辆运输车选用直径为80 mm或90 mm的连接器。如J O S T 公司的R O K U 8 0（如图8），或意大利V.ORLANDI公司的GS900（如图9）。这两款产品都是符合中国标准的机械连接器，并且在国内市场应用较多。

ROKU80（型号RO908H61000）的技术参数：Dc=140 kN，V=90 kN，S=1 000 kg，另外一个选项是Dc=1 450 kN，V=75 kN，S=2 500 kg。ROKU80的最大允许连接角度在同类型产品中领先，三个方向的最大角度达到了垂直方向±20º，水平方向±90º，轴线转动方向±25º。纵向角度的高许容值在一定程度提高了车辆的抗侧翻性能。如图8所示。

图8 JOST ROKU80中置轴车辆运输车连接器

GS900的技术参数为：Dc=145 kN，V=90 kN，S=2 500 kg，或者为：Dc=145 kN，V=110 kN，S=1 000kg。如图9所示。

图9 GS900中置轴车辆运输车连接器

2.3 中置轴挂车支承装置

由于中置轴挂车的车轴位于挂车的中间位置，因此在中置轴挂车与牵引汽车连接状态下，使用叉车装置货物时，中置轴挂车前端的支承装置需要处于支撑状态。即使中置轴挂车处于脱挂状态，中置轴挂车的前端也需要支撑，以免中置轴挂车向前倾斜。中置轴挂车后端也需要设置支承装置，保障中置轴挂车处于水平安全位置。

一方面，中置轴挂车的重心与轴组中心线基本重合。因此当中置轴挂车处于拖挂状态下，中置轴挂车厢体内的货物布置不均匀时，中置轴挂车将向前倾或者后倾。另一方面，中置轴挂车的牵引杆最大只能承受10 kN的垂直载荷。因此中置轴挂车在装货时，为了保证中置轴挂车的平稳性，需要在其前端设置支承装置，以免中置轴挂车在装载过程中产生倾覆。如图10所示。

图10 中置轴挂车前支承装置

2.3.1 支承装置的位置设定

中置轴挂车支承装置无论对空载还是满载的中置轴挂车的静态稳定性都起到很大作用，以保证中置轴挂车不向前或向后倾斜。中置轴挂车支承装置的位置尺寸在中置轴挂车的相关标准中没有规定，只能根据中置轴挂车载荷分配计算来设置前支承装置的位置尺寸，如图5和图6所示。

中置轴挂车车架后部也需要设置支承装置。一般设置在中置轴挂车后轮外缘至最后端中间偏后一点的位置，保证中置轴挂车满载脱挂状态下，中置轴挂车不向后倾覆，以及叉车在向中置轴挂车或列车上装载货物时，中置轴挂车的牵引杆受力不超过10 kN，还可以防止叉车装卸中置轴挂车内货物时中置轴挂车向后倾斜，如图11所示。

图11 中置轴挂车后支承装置

2.3.2 支承装置的参数确定

中置轴挂车的前后支承装置的主要参数为支承装置的安装高度M、离地高度H和安装宽度E。其中，安装高度M、离地高度H与中置轴挂车车架大梁上平面离地面的距离有关，H与中置轴挂车的通过性有关，离地高度H的尺寸最小需要250 mm，安装宽度E为中置轴挂车纵梁外侧安装板之间的距离。支承装置结构和尺寸如图12所示，参数如表1所示。

3 中置轴挂车关键零部件出现的问题及解决方案

中置轴挂车的机械连接器、牵引杆和支承装置在使用过程中操作不当也会出现一些意外问题，尤其是在中置轴货车列车运行中，司机驾驶中置轴货车列车在货运场站或上下高速急转弯状态下，如果操作不当极有可能酿成重大交通事故。笔者对目前国内中置轴车辆运输车列车在实际使用时发现的问题进行了分析，并提出了解决问题的方法。

表1 支承装置参数表

3.1 牵引杆和连接器损坏的原因

按照中置轴货车列车正常转弯操作，无论是球形连接器还是喇叭型连接器，前车转弯±90º是允许的，如果转弯超过90º，个别品牌的牵引杆将会与机械连接器的结构相接触。再继续加大转弯角度，使后车的牵引杆与机械连接器的后座板产生干涉而使牵引杆变形，严重情况下可以使牵引杆断裂。如果牵引杆与机械连接器之前没有钢丝绳连接作为保险，前后车可能会脱离而酿成重大事故。

在欧洲中置轴挂车列车发展历史比较久，司机驾驶中置轴货车列车转弯时会比较小心，不会突然转超过90º的弯，因此不会发生中置轴挂车牵引杆损坏的事故。而中置轴货车列车在中国刚刚兴起，货车司机没有驾驶中置轴货车列车的经验，上岗前没有经过专业的培训，对中置轴货车列车及其配件的性能不了解，还用老习惯驾驶中置轴货车列车。因此，就会发生转弯超过90º而损坏牵引杆的情况。

3.2 解决损坏牵引杆或中置轴挂车的方案

首先，要对驾驶中置轴货车列车的司机进行培训，讲解机械连接器和中置轴挂车牵引杆的结构、性能和使用要求，以及如何正确驾驶中置轴货车列车，以及在进行低速转急弯如何进行操作。

其次，在机械连接器上安装角度转动行程开关和感应器，在前车转弯接近90º使发出报警，司机在驾驶室内可以听到报警，及时改变转弯角度，避免转超过90º发生意外。还可以采用在机械连接器上设置机械限位的方式，防止前车转弯超过90 º，但即使设置了机械限位，如果司机继续加大转弯角度，也有可能损坏牵引杆或者机械连接器。因此，最有效的方法还是对司机进行培训，让司机了解中置轴货车列车的驾驶规范和操作规程。