B型车辆用车钩互联互通分析研究

刘玉龙 李 康 杨庆龙 李 帅

(1.中车南京浦镇车辆有限公司 江苏 南京 210031；2.中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司 江苏 常州 213011)

0 概述

随着城市规模的发展，多数开通地铁的城市，内部陆续开通或者规划了多条地铁线路。然而不同时期建造的地铁车辆存在一定的差异，即在城市内部可能出现多种形式的地铁车辆，对业主使用和管理维护地铁车辆造成了一定的困扰。基于集中资源、节约成本以及提高救援效率的要求，业主提出在同一城市不同地铁线路之间车辆互联互通需求。本文以B型车为研究对象，研究车辆互联互通的可能，并给出建议。

车辆的互联互通是通过车钩来实现，B型地铁车辆用车钩，主要存在两种类型的车钩：柱销式和连杆式。其中柱销式车钩，在北京、天津的个别线路中使用，其他绝大部分B型地铁车辆采用的是连杆式车钩。

1 互联分析

本文通过对B型车辆用连杆式车钩、柱销式车钩进行结构分析和连挂原理分析，研究连杆式车钩与柱销式车钩之间的互联能力、不同厂家之间的连杆式车钩的互联能力。因为B型地铁车辆，使用柱销式车钩的线路较少，本文不再分析柱销式车钩之间的互联能力，主要分析柱销式车钩与连杆式车钩互联能力，不同厂商连杆式车钩之间的互联能力。

1.1 连杆式车钩与柱销式车钩互联分析

部分城市内部存在两种制式的车钩，本节分析两种制式车钩之间的互联可能性。

图1所示为柱销式车钩的结构，其主要机械连挂是通过两车钩的半圆形钩舌在钩舌腔内相互作用，完成机械连挂。对比连杆式车钩(见图2)，二者之间结构、连挂原理、连挂轮廓差异较大，不存在连挂可能，故不再做进一步分析。

图1 柱销式车钩连挂系统结构图

1.2 不同厂家之间的连杆式车钩互联分析

1.2.1机械结构分析

连杆式车钩机械结构如图2所示。不同车钩厂家生产的车钩，其主要结构组成基本相同，理论上可以进行互联操作。

1.2.2机械连挂原理分析

图3为连杆式车钩的连挂原理。连挂过程如下：连挂期间，车钩的凸锥滑入连挂车钩的凹锥，钩舌撞击连挂车钩的钩板。车钩锁在拉伸弹簧力的作用下旋转，直到钩舌啮合到钩板槽中。锁定后，车钩锁在拉伸弹簧的作用下进入连挂状态。车钩进入连挂状态，车钩锁彼此相啮合[1]。

不同厂家生产的连杆式车钩，均按此原理工作。原理上支持互联要求。

1—钩体；2—钩锁连接销；3—中心轴；4—钩舌板；5—钩舌嘴；6—连接面；7—凹锥；8—限位块；9—钩锁连接杆；10—凸锥；11—拉力弹簧。图2 连杆式车钩

图3 连杆式车钩头连挂示意简图

1.2.3外形轮廓

连杆式车钩的连挂面如图4所示。由于不同厂家技术来源不同，不同厂家车钩头外形轮廓也不尽相同。

从表1中可以看出，在某城市内部的两个车钩厂家所生产的车钩凸锥直径、凹锥直径存在不一致现象，因此两种车钩在未进行进一步处理前无法进行连挂，否则会造成车钩损伤。

图4 连杆式车钩头连挂面简图

表1 不同车钩厂家技术参数对比 /mm

结论：不同厂家之间的连杆式车钩，在互联前需进行技术比对，需要车辆制造商给出确定意见后，才能进行连挂操作，否则容易造成车钩甚至是车辆的损伤。

1.2.4动力学计算分析

国内B型地铁车辆，车体存在多种强度类型，车型1：压缩强度(屈服)为800 kN；车型2：压缩强度(屈服)为900 kN；车型3：压缩强度(屈服)为1 000 kN。本节将通过动力学计算研究不同强度车型互联时，车体强度是否满足要求，车钩的吸能装置部分是否损伤。

以国内某城市的地铁线路为例，车体强度：压缩900 kN，工况为AW2车辆以5 km/h速度撞击AW2车辆。如图5及表2所示，车钩碰撞面处所受的最大车钩力为544 kN。

当车型2与车型1碰撞时， 车型1因车体强度低， 配置的各级吸能装置的触发力相对于车型2也逐级降低。 在车重相同的前提下， 工况AW2-AW2时， 两列车相互碰撞， 车型2所受的最大车钩力将超过544 kN， 容易对车型2造成损伤。 不同的车型之间确定需要互联时， 连挂速度按照最低的连挂速度执行。

图5 AW2-AW2碰撞力-行程曲线

表2 各碰撞面碰撞数据

结论：根据动力学分析，不同强度车型之间如果按照AW2车辆以5 km/h速度撞击AW2车辆这样的工况进行连挂，容易造成车辆损伤。确定需要连挂时，须按最低连挂速度进行连挂。

同强度车型之间，不同车钩厂家吸能配置方案也有不同，如果需要连挂，也必须按照最低连挂速度执行。

1.2.5坡道救援计算分析

在车辆满足上述互联要求后，还需校核其坡道救援能力，确认在坡道救援下，车钩满足技术要求。

通过对坡道上一列救援列车推行一列故障列车运行至一定速度时实施紧急制动的过程进行仿真模拟，计算所有车钩产生的作用力，验证互联后车钩设计是否满足救援使用需求。

对于AW0救援空车在35‰坡道上以100%的牵引力推行AW3故障超员列车上坡，车速到达30 km/h时实施紧急制动工况。通过adams软件对坡道救援进行计算，得到各车钩断面力和行程的关系，如表3所示(两列6编组的列车共12辆车，11个断面)。

表3 列车各断面最大车钩力和缓冲器最大行程

国内B型地铁车辆，各厂家的车钩强度、缓冲性能参数满足坡道救援要求。

1.2.6电钩互联及车钩控制系统分析

国内车钩市场，存在两种主流的控制方式：气控方式和电控方式。二者之间控制逻辑不同，不存在互通可能，在车辆互联时，需要将各自的控制系统关闭，避免车钩控制方面的混乱。

气动控制方式如图6所示，连挂时当车钩面板接触后，默认车钩完成连挂，从而完成整个连挂动作；解钩时，需要在车钩上配置解钩风管，通过解钩风管完成解钩动作。无车钩状态监测。

图6 气控系统方案图

电控方式，如图7所示，连挂时，通过传感器感应车钩连挂状态，当车钩连挂正常后，完成连挂动作，解钩时，不需要在车钩上设置解钩风管，通过逻辑电路完成解钩。有车钩状态检测。

图7 电控系统方案图

对于电气车钩，通常城市内部的不同线路之间，电钩的接线要求也不同，所以不同线路间，即便是同一厂家提供的车钩，电钩互联往往不能实现。

结论：电钩不能实现互联，互联时需关闭车钩控制系统。一般情况救援时，完成机械车钩连挂，即可将故障列车拖走，完成救援。

1.2.7结论

不同车钩厂家的连杆式车钩，存在连挂风险，连挂前需要对双方的技术参数进行详细分析、对比，试验验证。

2 互联功能实现

2.1 既有线路车辆连杆式车钩连挂

(1)解决方案

不同车钩厂家的连杆式车钩，要实现互联，连挂前需要对车钩技术参数进行详细分析，如果出现表1所示的情况，则无法互联，可通过在架大修时对车钩轮廓进行微调优化，如表4所示，如对较大的凸锥直径ø206 mm镟形到ø204 mm，镟形后车钩凸锥壁厚变薄，需要对其进行强度分析，验证强度是否依然满足要求。

(2)强度校核

根据车钩凸锥壁厚为8 mm，根据有限元计算，该处在车钩受拉时，所受应力较低，镟形后，如图8所示，凸锥处最大应力为100 MPa，小于钩体材料的屈服极限500 MPa，钩体强度依然满足要求。

表4 互联技术参数变更 /mm

图8 连杆式车钩头有限元计算

(3)连挂校核

镟形后，同厂家车钩之间连挂或与其他厂家车钩连挂时，凸锥与凹锥之间的理论间隙由1 mm增加至3 mm，连挂后，凸锥、凹锥导向功能稍微减弱，车钩连挂后，车钩上下方向会有3 mm的窜动量。可能会对主风管连接或者解钩风管造成影响。通过分析，如图9所示，车钩上下窜动3 mm时，主风管密封圈、解钩风管密封圈仍然处于接触状态，气路连接功能正常。

结论：通过将车钩镟形，可以实现车钩间的互联功能。

2.2 新建线路车辆连杆式车钩互联功能实现

根据以上分析，实现互联须在车钩轮廓中，对关键连挂结构尺寸等方面进行统一，即对车钩进行统形。需要主机公司在项目开始前，对不同厂家的车钩参数进行统一。我国正在开展标准地铁的研发工作，借此机会，向标准地铁项目组提出了钩头的设计统一、尺寸公差统一、电气接口统一的要求，在理论上保证不同车钩生产厂家之间330车钩性能统一，该建议已被标准地铁项目组采纳。

图9 镟形后连杆式车钩连挂后气路连接

根据标准地铁项目规划，在完成设计之后，各车钩生产厂家根据统型设计制造产品，将进行不同厂家车钩互联互通试验，以保证不同生产厂家产品能够满足统型化、互相连挂等要求，以此实现不同厂家车钩的互联互通。在标准地铁推广后，即可有效解决国内业主的互联需求。

在标准地铁车辆未批量生产前，可建议车钩厂商，按照标准地铁要求，统一部分接口。

3 结论

城市内部不同地铁线路间的互联，既有线路上因为车钩的制式不同，车钩生产厂家不同，连挂前需要校核、计算，同一制式的车钩最终可通过镟形的方式实现机械车钩的连挂以及气路的连接，但是不能实现电气车钩的互联。未建线路中，可以通过标准地铁中关于车钩的统形工作，实现机械、气路、电气的完全互联互通。