基于25T型密接式車鉤結構特點的遙控電動提鉤機的研究

摘? 要：針對鐵路25T型密接式車鉤提鉤作業中存在的提鉤困難和安全隱患問題，分析得出25T型密接式車鉤的結構設計特點是導致提鉤人員不易提開車鉤的主要原因，對25T型密接式車鉤施行人力提鉤作業是造成勞動安全隱患問題的重要原因。因此，將25T型密接式車鉤的結構設計特點造成的人工提鉤劣勢轉換為機器提鉤優勢是遙控電動提鉤機設計的技術要點。對25T型密接式車鉤所需提鉤力的大小進行研究計算，對遙控提鉤機受到的拉、壓及剪切應力進行校核，并以此進行遙控電動提鉤機的設計。利用功能守恒定律、力偶矩平衡原理、杠桿原理對提鉤機的設計進行技術論證，最終研制出一款體積小、質量輕、操作簡單、工作安全的提鉤工具。

關鍵詞：密接式車鉤? 安全隱患? 改進創新? 力偶矩平衡? 功能守恒定律

中圖分類號：U270? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2021）02（a）-0061-06

Research on the remote control electric hook lifter based on the structural characteristics of 25T close-coupled coupler

WAN Xinxing

（Yinchuan Station of China Railway Lanzhou Administration Group Corporation， Yinchuan， Ningxia Hui Autonomous Region， 750011 China）

Abstract： In view of the difficulties and potential safety problems existing in the lifting operation of 25t type tight coupler， it is concluded that the structural design characteristics of 25t type tight coupler are the main reasons for the difficulty of lifting the coupler， and the manual lifting operation of 25t type tight coupler is the important reason for the potential labor safety problems. Therefore， the key point of the design of the remote control electric hook lifting machine is to transform the disadvantage of manual hook lifting caused by the structural design characteristics of 25t type tight coupler into the advantage of machine hook lifting. This paper studies and calculates the hook lifting force required for 25T type tight coupler， checks the tension， compression and shear stress of the remote control hook lifting machine， and designs the remote control electric hook lifting machine. Using the law of conservation of function， the balance principle of couple moment and the lever principle， the design of the hook lifting machine is demonstrated. Finally， a hook lifting tool with small volume， light weight， simple operation and safe work is developed.

Key Words： close-coupled coupler; potential safety hazard; improvement and innovation; balance of moment of couple; law of conservation of function

25T型密接式車鉤為所有動車車鉤的前身，而現有高鐵復興號及CRH系列（CRH2除外）動車的車鉤均采用自動提鉤裝置。25T型密接式車鉤不僅可以防止脫鉤、跳鉤等問題，還有利于車體平緩運行，具有減震和提高列車運行技術速度的作用，目前國內速度等級較高的直達客車和綠巨人客車體均為25T型密接式車鉤。但因為動車的自動提鉤裝置其造價成本以及相應配套設備裝設造價很高，所以對直達客車體及“綠巨人”客車體實現該自動提鉤技術在經濟上并不現實[1-3]。但在實際生產中，25T型密接式車鉤手動提鉤作業的安全問題和效率問題，長期以來一直是困擾鐵路調車組作業的重要技術難題。由于25T型密接式車鉤的提鉤作業所需提鉤力較大，故需要兩人同時侵入線路合力提鉤，提鉤成功率較低且存在勞動安全隱患。

針對25T型密接式車鉤提鉤作業，國內不少車站都自主進行提鉤器的研制，但是都不能有效解決提鉤困難的問題，主要原因有兩點：一是無法解決提鉤過程中提鉤器與提鉤手柄滑動導致提鉤失敗的問題;二是無法解決人力提鉤力量不足的問題，因此造成這些簡易的提鉤器實用程度不高，難以推廣普及。因此，采用先進的科技手段來研制一款體積小、質量輕、操作簡單、工作安全的遙控電動提鉤工具極為必要。

1? 造成提鉤困難和安全隱患的原因分析

25T型密接式客車體車鉤的提鉤作業，需要兩人同時在線路兩側發力進行提鉤，提鉤時不僅需要兩側作業人員同時侵入線路，而且有時還需要調車機車頂著車鉤小距離移動，提鉤時機不易把握。在車鉤溝槽內積污比較嚴重時，會出現“死鉤”現象，即通過兩個人使勁拽拉，也難以提開車鉤。

1.1 密接式客車體車鉤的結構特點分析

25T型密接式車鉤在設計中為了避免車鉤的跳鉤現象，將兩車鉤的鉤體前端設計為凸錐形，鉤體后端設計為剛好能夠放入另一車鉤前端凸錐的凹孔，這樣當兩車鉤連掛在一起時，一側車鉤的凸錐剛好能放入另一側的凹孔，并且兩凸錐與凹孔相互平行且在同一平面[3]。鉤鎖則設計在凸錐與凹孔的連接處，通過長約20cm的提鉤手柄的轉動打開或鎖閉車鉤。為了保證車鉤一直處于鎖閉的安全狀態，提鉤手柄中間部分則連接有一復位氣壓缸，即提鉤手柄的提鉤轉動過程必須拉動氣壓缸做功。而以上結構的設計則產生了三個提鉤的不利因素：一是提鉤過程需要克服氣壓缸做功;二是鉤槽積污嚴重，提鉤手柄與車鉤摩擦力較大;三是提鉤人員所處的提鉤空間狹小。這三個因素直接導致的結果即是提鉤過程所需的提鉤力通常大于提鉤人員在所處狹小空間內能夠提供的提鉤力，而第一和第三因素是保證車體運行速度的硬件技術要求，第二因素則是無法避免客觀事實。因此，提鉤人員提供的提鉤力不足是25T型密接式車鉤提鉤困難的根本原因。25T型密接式車鉤結構如圖1所示。

1.2 提鉤作業安全隱患分析

提鉤人員侵入鋼軌內側是25T型密接式車鉤提鉤作業的安全隱患所在;提鉤人員侵入線路內側并使盡全力扳動提鉤手柄則是提鉤作業中的更大的安全隱患所在;而在部分情況下車鉤難以提開時，為壓縮車鉤減少所需提鉤力時不可避免的要出現提鉤人員侵入線路內側并使盡全力扳動提鉤手柄同時邊走邊提鉤的情況，這則是最大的安全隱患所在。因此，提鉤人員在提鉤過程中與25T型密接式車鉤的直接接觸是提鉤作業安全隱患存在的根本原因。

2? 基于25T型密接式車鉤結構特點的設計思路

遙控電動提鉤機的設計主要針對25T型密接式車鉤的結構特點而進行，即遙控電動提鉤機的設計要充分利用25T型密接式車鉤的結構特點，通過科學的技術手段，同時緊密結合現場生產實際，以解決人力提鉤力量不足和人工提鉤存在安全隱患問題。

2.1 遙控電動提鉤機的設計思路

結合1.1與1.2的分析結果，即可明確兩個設計方向：一是必須解放人力，采用機器代替人力來提供提鉤過程所需的提鉤力;二是在提鉤過程中，必須使用遙控技術避免人與機器（包括提鉤手柄）的直接接觸。此外，提鉤機的設計還需考慮設計發明的提鉤機能否提開車鉤;其體積與重量能否被提鉤人員所接受;提鉤機設計采用的技術手段，是否成熟穩定;提鉤機的設計成本，在經濟上是否符合生產實際需求等。

2.2 遙控電動提鉤機的設計思路原理

⑴利用力偶矩平衡原理將提鉤劣勢轉換為提鉤優勢。

25T型密接式車鉤的提鉤手柄必須扳至與車鉤近乎垂直的位置時才能提開車鉤。而國內一些車站嘗試設計的長桿提鉤器，解決了不用侵入線路提鉤的問題，但無法解決提鉤手柄與提鉤器剛性滑動導致提鉤失敗的問題。因此，提鉤手柄與提鉤器之間的剛性滑動成為提鉤技術的重大技術難點。同時，采用機器提鉤就必須要尋找機器提鉤的借力點（反作用力發力點）通過提鉤桿將提鉤手柄頂開，而從整個車鉤受力結構考慮，氣壓缸保護殼凸起的環形交接處剛好具備提鉤借力點的條件。此時，考慮到提鉤手柄與提鉤桿一端之間的剛性滑動的方向劣勢（向外滑動），創造性的設計力偶矩平衡原理控制提鉤手柄與提鉤器之間的剛性滑動的方向（向內滑動），如圖2所示。

⑵利用遙控技術避免人機直接接觸。

提鉤人員即使采用電動提鉤工具提鉤，但若其在提鉤過程中依然侵入線路就勢必存在安全生產的隱患。因此采用遙控技術控制提鉤機完成提鉤作業，才能達到杜絕提鉤作業中的人機接觸傷害的設計目的。而遙控對碼技術則是目前市場上已經非常成熟的技術，對于提鉤機的設計而言，只需控制遙控提鉤機中遙控接收模塊的體積。

⑶利用功能守恒定律和杠桿原理放大提鉤力。

為將遙控電動提鉤機的重量控制在合理范圍內，提供電動機轉動的鋰電池組和電機本身必須足夠輕小，而要使它們提供大于兩個成人輸出的提鉤力，就必須通過功能守恒定律和杠桿原理來實現。即鋰電池組帶動電機通過累積做功提供提鉤過程所需的功，而電機輸出較小的轉動力通過杠桿原理利用齒輪組將其放大幾百倍，再通過絲桿轉動輸出為提鉤桿前進或后退的提鉤力。

⑷利用輔助模塊設計實現提鉤功能并縮小體積

輔助模塊首先是完成與25T型密接式車鉤氣壓缸凸起處匹配，同時能與提鉤手柄匹配的零件結構。此外輔助模塊設計中在連接電動機、齒輪組、遙控接收模塊、鋰電池組的過程中，必須考慮優化遙控提鉤機的體積和外型。

3? 遙控電動提鉤機的技術論證

依據遙控電動提鉤機的設計思路，首先需計算25T型密接式車鉤所需提鉤力的大小，并以此作為基礎做出鋰電池組、電動機、齒輪組、輔助模塊的相關設計和計算。

3.1 遙控電動提鉤機所需提鉤力的計算分析

25T型密接式車鉤的復位氣壓缸使得車鉤在正常情況下處于關閉狀態，而在提鉤時扳動提鉤手柄就需帶動復位氣壓缸運動，此時需克服外界一個大氣壓強的力做功，根據氣缸面積可計算該力的大小。

（1）

通過實際測量，R取0.02m，P取1.01×〖10〗5N/m2，理論計算結果為508N，而在實際中，氣缸往往存在密封問題，可能因為漏氣而使氣壓差偏低，而使實際所需的力變小。同時兩車鉤解鉤時需要克服兩個氣缸的回復力做功。因此，在理論上需要1016N的提鉤力。

但是在實際生產中，車鉤之間的間隙還存在許多雜質阻礙鉤舌及提鉤手柄的轉動，即提鉤過程中產生的摩擦阻力，該阻力的計算公式如下，

（2）

μ的取值在0-1之間變動，FN為兩車鉤之間的相互擠壓力，由兩車鉤的緩沖器所處的狀態確定（即制動時兩車鉤緩沖器工作狀態）。通過實驗估測，通常狀態下，FN在0-500N之間變動。通過上述分析，理論上提鉤所需的力的大小計算公式如下。

（3）

η為氣缸折算率，此處取50%，則提鉤機所需的力為500-1500N之間。

3.2 力偶矩平衡原理

力偶矩平衡原理是針對25T型密接式車鉤的提鉤桿和提鉤手柄之間在提鉤過程中特殊的運動關系而設計的。如圖2所示，鉤提桿推動提鉤手柄時，提鉤手柄在運動過程中與復位氣缸的夾角會從0度轉到85度，而提鉤桿對提鉤手柄作用力的方向也必須轉動85度，否則就會導致提鉤桿與提鉤手柄滑動脫落進而提鉤失敗。

在力偶矩的形成后會同時產生方向相反的摩擦力偶矩來對其進行平衡，這就使得提鉤桿與提鉤手柄的滑動方向與提鉤手柄的轉動方向一致，最終保證提鉤的成功。力偶矩計算公式如下[4]：

（4）

此處，F取最大力1500N，d取0.04m，計算得力矩為60N·m。

3.3 功能守恒定律

25T密接式車鉤遙控電動機在動力模塊上，應用了功能守恒定律，即將電機做的功通過齒輪嚙合傳遞給提鉤桿，通過提鉤桿的運動完成提鉤作業。理論計算公式如下：

（5）

W為微型電機所做的總功，J;U為電機工作電壓，V;I為電機工作電流，A;t為提鉤時間，s。W0為齒輪摩擦及電機發熱等做功，F為推動桿的推力，S為推動桿的推動距離。完成自動提鉤作業時間t一般為25 s，即此過程所做總功為900J。而完成提鉤作業距離S一般為0.2m。提鉤所需的力以1000N計，可得W0為700 J，則電機輸出效率為22.2%

3.4 杠桿原理

杠桿原理應用在電動機、齒輪以及螺桿之間，它們以所有齒輪轉動的中心為杠桿的支點，以所有齒輪的半徑為杠桿的力臂，齒輪的外緣為杠桿的著力點，故通過齒輪嚙合將杠桿的著力點相互連接，從而實現在較小的空間內將極小的力放大為極大的力并予以輸出的目的，從而推動絲桿轉動前進，完成提鉤作業。其原理公式推導如下：

（6）

如上所示，S1，S2'，···S'n1皆為長力臂，而S2，S3，S4，···Sn2皆為短力臂，因此，當F1輸出一個極小的力的時候，Fn1將輸出一個極大的力。

3.5 電子遙控技術

電子遙控技術主要解決提鉤作業的安全隱患問題，即通過無線信號傳輸控制提鉤機動作。而目前國內電子遙控技術的應用已經非常成熟[5-8]，此處遙控模塊采用單向傳輸對碼技術，在接收器處設有兩個繼電器，分別控制電機正反轉的電路開關。電子遙控智能技術電路板線路接線方法如圖3所示。

3.6 力學校核

輔助模塊主要包括大頂鉤、小拉鉤、連接架、電源箱、抗彎輪箍卡子、圓形帶孔卡子、圓形折角卡子、遙控接收電路箱等[9]。大頂鉤與小拉鉤用于卡住25T型車鉤，以便提鉤作業，連接架用于將電源箱、抗彎輪箍卡子、圓形帶孔卡子、圓形折角卡子、遙控接收電路箱等組合在一起。輔助模塊的設計充分利用25T密接式車鉤的特點，將人工提鉤的劣勢條件轉換為機器提鉤的優勢。

輔助模塊選用鋁合金材料，以減輕提鉤機自重，輔助模塊部分設計圖形及數據如圖4-圖9所示。選用鋁合金2A11，其抗拉壓許用應力為370MPa，抗剪許用應力為110MPa。

拉壓應力校核，選用最為薄弱的截面，即面積A為0.72×10-4m2，F取最大1500N，計算如下[4]：

（7）

計算結果為20.8 MPa，遠遠小于其許用拉壓力370MPa，即該輔助模塊抗拉壓強度足夠安全。

剪應力校核，選用最為薄弱的截面，即面積S為0.72×104m2，F取最大1500N，計算如下：

（8）

計算結果為20.8 MPa，遠遠小于其許用剪應力110MPa，即該輔助模塊抗拉壓強度足夠安全。

4? 結語

25T密接式車鉤遙控電動提鉤機的設計，以解決勞動生產中最關鍵、最核心的勞動人身安全隱患問題為導向，去發明創造結構精巧，實用方便的產品，目前該產品已在現場投入使用并獲得了國家實用新型專利，如圖10所示。25T密接式車鉤遙控電動提鉤機的研究主要取得以下成果。

⑴杜絕了提鉤過程中的人身勞動安全隱患。

⑵提高了提鉤的作業效率。傳統的的提鉤作業過程中，存在提鉤失敗率高耗時耗力的情況，而25T型密接式車鉤遙控電動提鉤機提鉤成功率可達100%。

⑶節省勞動力。傳統的提鉤作業，需要至少兩人才能完成，而25T密接式車鉤遙控電動提鉤機提鉤只需一人。

⑷25T型密接式車鉤遙控電動提鉤機的設計充分利用杠桿原理，通過齒輪嚙合，達到四兩撥千斤的巧妙效果;通過力偶矩平衡的原理，將25T密接式車鉤的提鉤劣勢轉變為提鉤的優勢;通過輔助模塊的設計，使得25T密接式車鉤遙控電動提鉤機，能夠在提鉤前后牢固卡在車鉤上。

⑹目前生產的非動車新客車體均為25T密接式車鉤的客車體，隨著旅客列車的不斷提速，特快旅客列車、直達旅客列車和綠巨人等新客車體將會越來越多。但傳統的提鉤作業方式會影響客車的調車作業效率。因此，25T密接式車鉤遙控電動提鉤機對未來全國鐵路旅客列車提速發展具有重要意義。

參考文獻

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