歐洲數字化自動車鉤測試概述

1 引言

歐洲鐵路貨運車輛數字化自動車鉤（DAC）項目（以下簡稱“歐洲數字化自動車鉤項目”）是一個由德國聯邦運輸和數字基礎設施部（BMVI）資助、由DAC4EU財團承擔的項目。其中，DAC4EU財團是由德國鐵路股份公司（DB）牽頭，DB貨運子公司（DB Cargo）、奧地利鐵路貨運公司（Rail Cargo Austria）、瑞士聯邦鐵路公司貨運子公司（SBB Cargo）以 及GATX、VTG和Ermewa 3家鐵路車輛租賃公司參與的聯營體。該項目從2021年6 月開始，將持續到2022年12月，由BMVI提供1 300萬歐元的資金支持。其重要內容是，對目前市場上可用的4種不同品牌DAC樣件進行測試，從中選出一種可在整個歐洲推廣使用的產品，推動DAC相關技術方案的部署。

2 測試概述

2.1 DAC 類型

本次測試涉及的DAC類型共有4種，分別由Faiveley、CAF MiiRA（目前CAF MiiRA的車鉤業務已由Dellner接管）、Dellner和Voith 4家公司提供。其中，Voith和Dellner的產品為Scharfenberg密接車鉤，Faiveley的產品采用Schwab公司生產的自動車鉤鉤頭，而CAF MiiRA的產品采用SA-3型自動車鉤鉤頭，如圖 1所示。4種DAC采用各自特殊的彈簧疊片解決方案，與車身連接的方式由產品制造商決定。

圖1 測試涉及的4種DAC類型

2.2 測試類型

測試重點是DAC鉤頭的以下功能：①自動機械連接；②風管自動連接；③電纜和數據線自動連接（即電氣連接）；④手動解鉤。此外，還要對DAC進行其他方面的測試，包括連接狀態下對于具有特定軌道線形線路的可通過性、縱向推力作用下的行駛安全性，以及在極端氣候條件下的性能等。測試類型具體包括以下5種：①連接測試；②行駛測試；③推送測試；④氣候室測試；⑤靜態測試和編組測試。

本文將對前4種測試進行詳細說明。靜態測試和編組測試主要用于驗證DAC的電流和數據傳輸功能，本文不做討論。

2.3 測試車輛

測試車輛采用3輛編組的貨車，即1輛Zags 119型4軸壓縮氣體罐車（Z車）、1輛Hbbins 306型2軸側板可拉開貨車（H車）和1輛Eanos-x 059型4軸敞篷貨車（E車）。Z車和E車的一側安裝DAC（用于連接H車），另一側安裝帶有側緩沖器的傳統螺旋車鉤（用于連接機車）。H車位于Z車和E車之間，兩側均裝有DAC。

上述3種車輛幾何形狀各不相同，軸數也不同，即使是軸數相同的Z車和E車，其轉向架中心銷距離以及轉向架中心至緩沖器外側距離也各異（Z車較E車更長），這導致編組車輛在直線及不同半徑曲線上行駛時，各車與車鉤所成的角度各不相同。因此，可以通過設定不同的測試場景（包括特定的軌道線形、車輛行駛速度、裝載狀態），對DAC性能進行全面測試，如表1所示。此時，DAC車鉤的橫向和豎向偏轉是測試重點。

為測量DAC車鉤在不同連接場景下的豎向偏轉，以及車輛裝載狀態對連接過程中動量和彈簧裝置需吸收能量的影響，需在測試中改變各車的裝載狀態。其中，E車在所有測試中均為90 t的滿載狀態；Z車在連接、行駛和氣候室3種測試期間空載，在推送測試時為90 t負載；H車的裝載狀態在連接和行駛測試期間會發生變化，除空載外，還有半載和滿載狀態。

2.4 基礎設施

連接和行駛測試需要在直線及不同半徑的曲線（包括道岔處的S形曲線）上進行，具體情況如表1所示。此外，行駛測試還涉及一種特殊的基礎設施，即輪渡引坡，這是一種列車經過鐵路輪渡時會遇到的極為特殊的軌道線形。

為此，測試項目組選取位于德國格爾利茨（G?rlitz）市郊施勞羅特（Schlauroth）的T?V Süd Rail GmbH公司所屬線路進行上述測試，因為其具備上述所需的所有軌道線形，測試在常規鐵路運營之外的時間展開。氣候室測試在DB系統技術子公司（DB Systemtechnik）位于明登的MEikE氣候室中進行。

2.5 測量設備

DAC和車輛上都安裝用于測試的傳感器。DAC上安裝應變計，用于測力，以及測量DAC鉤頭和電氣接頭的縱向、橫向、垂向加速度。DAC鉤頭的縱向、橫向偏轉由線驅動編碼器測量，其垂向偏轉通過激光傳感器記錄。通過測量觸點處的電阻可獲知DAC的電氣連接狀況。車輛速度由安裝在輪對軸承中的增量型編碼器測量。壓力傳感器用于測量主風管和制動缸壓力。H車上安裝用于測量車輪接觸力和橫向力的測力輪對，以及在推送測試期間測量車輪抬升量的裝置。

上述測量設備均由蓄電池供電，車輛與車輛、車輛與控制中心間的數據傳輸通過WLAN實現。

3 測試內容及結果

3.1 連接測試

3.1.1 內容

連接測試的目的是研究兩輛車之間的連接過程。為此，利用機車將E車和Z車中的1輛（另一輛不參與）加速向停在軌道上且未施加制動的H車方向推送，在被推送車輛達到一定速度后使其脫離機車，并以設定的目標速度向H車滑去，直至二者車鉤撞擊并連接到位。被推送的車輛在撞擊前的目標速度為2、4、6、8、10、12 km/h不等，其裝載條件會發生變化。靜止H車的裝載條件也不同。具體測試情況如表1所示。

表1 連接和行駛測試中的各種測試場景

連接后的車組會被拉回起始位置并解鉤。此時，測量設備會對解鉤所需的手動力進行測量。每種測試場景下重復進行5次測試。

3.1.2 結果

圖2展示了連接過程中被推送車輛速度（最高10 km/h）隨時間變化的情況，其中列出了目標速度為10 km/h的全部5次測試情況，以及目標速度分別為2、4、6、8 km/h的1次測試情況。連接過程從0 s開始。由圖可知，車輛實際速度與設定目標速度之間的偏差為±0.2 km/h。從目標速度為10 km/h的5次重復測試結果可以看出，車輛在每次連接時的行駛速度幾乎相同。

圖2 被推送車輛在連接過程中的速度變化曲線

圖3展示了連接過程中DAC的受力情況。此時考慮的時間范圍較短，連接過程也從0 s開始。此時，DAC會承受壓力，被壓縮，約0.1 s后壓力達到最大，隨后是周期性的強阻尼振動過程，其特性取決于彈簧裝置的設計。由圖3可知，目標速度為10 km/h的5次重復測試結果具有良好的可重復性。

圖3 連接過程中不同目標速度下DAC受力變化曲線

3.2 行駛測試

3.2.1 內容

行駛測試的目的是檢查連接后的DAC能否在各種軌道線形下都能夠維持正常功能，即電氣連接正常，風管密封，機械連接良好。為此，將上述3輛編組的列車拉過或推過軌道線形各異的線路區段，每個行駛方向上測試5次，共測試10次。與連接測試相比，行駛測試增加了極小半徑曲線和輪渡引坡2個測試場景。此外，測試項目組還需測試電氣連接和測量壓縮空氣壓力，以驗證DAC是否運行良好。

3.2.2 結果

圖4展示了編組車輛行駛通過S形曲線時H車兩側DAC鉤頭橫向偏轉的情況。將推動測試中DAC鉤頭在E車側出現最大偏轉，以及拉動測試中在Z車側出現最大偏轉的時間點定義為0 s。為驗證測試結果的可重復性，圖中列出了推動和拉動2種方式下的各2次測試結果。由圖4可知，同種測試場景下，測試結果高度重合，具有可重復性。

圖4 編組車輛行駛通過S形曲線時H車兩側DAC鉤頭橫向偏轉量變化曲線

3.3 推送測試

3.3.1 內容

推送測試用于研究DAC在恒定縱向推力作用下的安全性，即通過DAC連接的編組列車在恒定縱向推力作用下能否通過具有特定軌道線形的線路區段，并保證不出現不允許的車輛異常碰撞、脫軌等現象。連接臂與車體之間DAC接頭的設計對此有較大影響。此外，通過推送測試，還能夠比較得出，哪種DAC設計在縱向推力相同的情況下產生的橫向力更小，導致的車輪和軌道磨損更少。

此測試以空載H貨車為測試對象，該車位于有裝載的E車與Z車之間。車組在恒定縱向推力（在一次測試中恒定）的作用下經過半徑為150 m的S形曲線，推力在測試中逐次增大。

3.3.2 結果

圖5展示了在縱向推力不同的2次推送測試（分別為測試5和測試6）中，H車前端（即E車側）DAC鉤頭的橫向偏轉情況以及該車前輪的導向力情況。選擇H車前輪對位于夾直線區域的時刻作為0 s。測試5中的縱向推力為200 kN，測試6中的縱向推力為475 kN。由圖5可知，當編組車輛通過S形曲線時，0 s之前是右輪在外軌上滾動，右輪導向力強于左輪；0 s之后則為左輪在外軌上滾動，左輪導向力強于右輪；DAC鉤頭的橫向偏轉（即產生的橫向力）隨著縱向推力的加大而增加。

圖5 編組車輛行駛通過S形曲線時H車兩側DAC鉤頭橫向偏轉量及前輪導向力變化曲線

3.4 氣候室測試

氣候室測試是在極端氣候條件下（如-25 ℃冰凍或45 ℃高溫）對DAC的連接和解鉤過程進行研究，用于測試DAC在不同氣候條件下的性能，即車鉤是否能夠正常連接和解鉤，以及在連接狀態下是否具有穩定的電氣和機械性能。測試在直線軌道上進行，3輛編組的車組在測試中保持低速行駛。2個連接點中的一個處于連接狀態，另一個處于未連接狀態，即首先將H車與E車連接，Z車不連接，然后將H車與E車解鉤，再將Z車推向H車直至二者連接到位。圖6展示了-10 ℃冰凍條件下的氣候室測試場景。

圖6 -10 ℃ 冰凍條件下的氣候室測試場景

4 結語

通過對每個DAC設計進行各種類型的多次測試，以及對測試過程中的各種數據進行采集和分析，可以詳細了解DAC的性能。測試完成后，測試項目組會對4 種DAC設計進行詳細比較，以選出一款合適的車鉤在整個歐洲推廣應用。