欧洲数字化自动车钩测试概述

1 引言

欧洲铁路货运车辆数字化自动车钩（DAC）项目（以下简称“欧洲数字化自动车钩项目”）是一个由德国联邦运输和数字基础设施部（BMVI）资助、由DAC4EU财团承担的项目。其中，DAC4EU财团是由德国铁路股份公司（DB）牵头，DB货运子公司（DB Cargo）、奥地利铁路货运公司（Rail Cargo Austria）、瑞士联邦铁路公司货运子公司（SBB Cargo）以 及GATX、VTG和Ermewa 3家铁路车辆租赁公司参与的联营体。该项目从2021年6 月开始，将持续到2022年12月，由BMVI提供1 300万欧元的资金支持。其重要内容是，对目前市场上可用的4种不同品牌DAC样件进行测试，从中选出一种可在整个欧洲推广使用的产品，推动DAC相关技术方案的部署。

2 测试概述

2.1 DAC 类型

本次测试涉及的DAC类型共有4种，分别由Faiveley、CAF MiiRA（目前CAF MiiRA的车钩业务已由Dellner接管）、Dellner和Voith 4家公司提供。其中，Voith和Dellner的产品为Scharfenberg密接车钩，Faiveley的产品采用Schwab公司生产的自动车钩钩头，而CAF MiiRA的产品采用SA-3型自动车钩钩头，如图 1所示。4种DAC采用各自特殊的弹簧叠片解决方案，与车身连接的方式由产品制造商决定。

图1 测试涉及的4种DAC类型

2.2 测试类型

测试重点是DAC钩头的以下功能：①自动机械连接；②风管自动连接；③电缆和数据线自动连接（即电气连接）；④手动解钩。此外，还要对DAC进行其他方面的测试，包括连接状态下对于具有特定轨道线形线路的可通过性、纵向推力作用下的行驶安全性，以及在极端气候条件下的性能等。测试类型具体包括以下5种：①连接测试；②行驶测试；③推送测试；④气候室测试；⑤静态测试和编组测试。

本文将对前4种测试进行详细说明。静态测试和编组测试主要用于验证DAC的电流和数据传输功能，本文不做讨论。

2.3 测试车辆

测试车辆采用3辆编组的货车，即1辆Zags 119型4轴压缩气体罐车（Z车）、1辆Hbbins 306型2轴侧板可拉开货车（H车）和1辆Eanos-x 059型4轴敞篷货车（E车）。Z车和E车的一侧安装DAC（用于连接H车），另一侧安装带有侧缓冲器的传统螺旋车钩（用于连接机车）。H车位于Z车和E车之间，两侧均装有DAC。

上述3种车辆几何形状各不相同，轴数也不同，即使是轴数相同的Z车和E车，其转向架中心销距离以及转向架中心至缓冲器外侧距离也各异（Z车较E车更长），这导致编组车辆在直线及不同半径曲线上行驶时，各车与车钩所成的角度各不相同。因此，可以通过设定不同的测试场景（包括特定的轨道线形、车辆行驶速度、装载状态），对DAC性能进行全面测试，如表1所示。此时，DAC车钩的横向和竖向偏转是测试重点。

为测量DAC车钩在不同连接场景下的竖向偏转，以及车辆装载状态对连接过程中动量和弹簧装置需吸收能量的影响，需在测试中改变各车的装载状态。其中，E车在所有测试中均为90 t的满载状态；Z车在连接、行驶和气候室3种测试期间空载，在推送测试时为90 t负载；H车的装载状态在连接和行驶测试期间会发生变化，除空载外，还有半载和满载状态。

2.4 基础设施

连接和行驶测试需要在直线及不同半径的曲线（包括道岔处的S形曲线）上进行，具体情况如表1所示。此外，行驶测试还涉及一种特殊的基础设施，即轮渡引坡，这是一种列车经过铁路轮渡时会遇到的极为特殊的轨道线形。

为此，测试项目组选取位于德国格尔利茨（Görlitz）市郊施劳罗特（Schlauroth）的TöV Süd Rail GmbH公司所属线路进行上述测试，因为其具备上述所需的所有轨道线形，测试在常规铁路运营之外的时间展开。气候室测试在DB系统技术子公司（DB Systemtechnik）位于明登的MEikE气候室中进行。

2.5 测量设备

DAC和车辆上都安装用于测试的传感器。DAC上安装应变计，用于测力，以及测量DAC钩头和电气接头的纵向、横向、垂向加速度。DAC钩头的纵向、横向偏转由线驱动编码器测量，其垂向偏转通过激光传感器记录。通过测量触点处的电阻可获知DAC的电气连接状况。车辆速度由安装在轮对轴承中的增量型编码器测量。压力传感器用于测量主风管和制动缸压力。H车上安装用于测量车轮接触力和横向力的测力轮对，以及在推送测试期间测量车轮抬升量的装置。

上述测量设备均由蓄电池供电，车辆与车辆、车辆与控制中心间的数据传输通过WLAN实现。

3 测试内容及结果

3.1 连接测试

3.1.1 内容

连接测试的目的是研究两辆车之间的连接过程。为此，利用机车将E车和Z车中的1辆（另一辆不参与）加速向停在轨道上且未施加制动的H车方向推送，在被推送车辆达到一定速度后使其脱离机车，并以设定的目标速度向H车滑去，直至二者车钩撞击并连接到位。被推送的车辆在撞击前的目标速度为2、4、6、8、10、12 km/h不等，其装载条件会发生变化。静止H车的装载条件也不同。具体测试情况如表1所示。

表1 连接和行驶测试中的各种测试场景

连接后的车组会被拉回起始位置并解钩。此时，测量设备会对解钩所需的手动力进行测量。每种测试场景下重复进行5次测试。

3.1.2 结果

图2展示了连接过程中被推送车辆速度（最高10 km/h）随时间变化的情况，其中列出了目标速度为10 km/h的全部5次测试情况，以及目标速度分别为2、4、6、8 km/h的1次测试情况。连接过程从0 s开始。由图可知，车辆实际速度与设定目标速度之间的偏差为±0.2 km/h。从目标速度为10 km/h的5次重复测试结果可以看出，车辆在每次连接时的行驶速度几乎相同。

图2 被推送车辆在连接过程中的速度变化曲线

图3展示了连接过程中DAC的受力情况。此时考虑的时间范围较短，连接过程也从0 s开始。此时，DAC会承受压力，被压缩，约0.1 s后压力达到最大，随后是周期性的强阻尼振动过程，其特性取决于弹簧装置的设计。由图3可知，目标速度为10 km/h的5次重复测试结果具有良好的可重复性。

图3 连接过程中不同目标速度下DAC受力变化曲线

3.2 行驶测试

3.2.1 内容

行驶测试的目的是检查连接后的DAC能否在各种轨道线形下都能够维持正常功能，即电气连接正常，风管密封，机械连接良好。为此，将上述3辆编组的列车拉过或推过轨道线形各异的线路区段，每个行驶方向上测试5次，共测试10次。与连接测试相比，行驶测试增加了极小半径曲线和轮渡引坡2个测试场景。此外，测试项目组还需测试电气连接和测量压缩空气压力，以验证DAC是否运行良好。

3.2.2 结果

图4展示了编组车辆行驶通过S形曲线时H车两侧DAC钩头横向偏转的情况。将推动测试中DAC钩头在E车侧出现最大偏转，以及拉动测试中在Z车侧出现最大偏转的时间点定义为0 s。为验证测试结果的可重复性，图中列出了推动和拉动2种方式下的各2次测试结果。由图4可知，同种测试场景下，测试结果高度重合，具有可重复性。

图4 编组车辆行驶通过S形曲线时H车两侧DAC钩头横向偏转量变化曲线

3.3 推送测试

3.3.1 内容

推送测试用于研究DAC在恒定纵向推力作用下的安全性，即通过DAC连接的编组列车在恒定纵向推力作用下能否通过具有特定轨道线形的线路区段，并保证不出现不允许的车辆异常碰撞、脱轨等现象。连接臂与车体之间DAC接头的设计对此有较大影响。此外，通过推送测试，还能够比较得出，哪种DAC设计在纵向推力相同的情况下产生的横向力更小，导致的车轮和轨道磨损更少。

此测试以空载H货车为测试对象，该车位于有装载的E车与Z车之间。车组在恒定纵向推力（在一次测试中恒定）的作用下经过半径为150 m的S形曲线，推力在测试中逐次增大。

3.3.2 结果

图5展示了在纵向推力不同的2次推送测试（分别为测试5和测试6）中，H车前端（即E车侧）DAC钩头的横向偏转情况以及该车前轮的导向力情况。选择H车前轮对位于夹直线区域的时刻作为0 s。测试5中的纵向推力为200 kN，测试6中的纵向推力为475 kN。由图5可知，当编组车辆通过S形曲线时，0 s之前是右轮在外轨上滚动，右轮导向力强于左轮；0 s之后则为左轮在外轨上滚动，左轮导向力强于右轮；DAC钩头的横向偏转（即产生的横向力）随着纵向推力的加大而增加。

图5 编组车辆行驶通过S形曲线时H车两侧DAC钩头横向偏转量及前轮导向力变化曲线

3.4 气候室测试

气候室测试是在极端气候条件下（如-25 ℃冰冻或45 ℃高温）对DAC的连接和解钩过程进行研究，用于测试DAC在不同气候条件下的性能，即车钩是否能够正常连接和解钩，以及在连接状态下是否具有稳定的电气和机械性能。测试在直线轨道上进行，3辆编组的车组在测试中保持低速行驶。2个连接点中的一个处于连接状态，另一个处于未连接状态，即首先将H车与E车连接，Z车不连接，然后将H车与E车解钩，再将Z车推向H车直至二者连接到位。图6展示了-10 ℃冰冻条件下的气候室测试场景。

图6 -10 ℃ 冰冻条件下的气候室测试场景

4 结语

通过对每个DAC设计进行各种类型的多次测试，以及对测试过程中的各种数据进行采集和分析，可以详细了解DAC的性能。测试完成后，测试项目组会对4 种DAC设计进行详细比较，以选出一款合适的车钩在整个欧洲推广应用。