機(jī)車(chē)車(chē)輛自動(dòng)防溜裝置的研究與設(shè)計(jì)

孟志剛，郭曉亮,張永釗，王 鵬，任朋朋

(1.大秦鐵路股份有限公司 科學(xué)技術(shù)研究所，山西 太原 030013；2.鄭州智輛電子科技有限公司，河南 鄭州 450000)

隨著鐵路交通運(yùn)輸?shù)目焖侔l(fā)展，鐵路機(jī)車(chē)車(chē)輛越來(lái)越多，實(shí)用調(diào)度越來(lái)越頻繁。機(jī)車(chē)車(chē)輛進(jìn)入機(jī)務(wù)段、貨場(chǎng)、專(zhuān)用線等需要停車(chē)維修保養(yǎng)時(shí)，由于這些場(chǎng)所有的不具備設(shè)置安全線條件，必須由人工在車(chē)輪下安裝鐵鞋來(lái)防止機(jī)車(chē)車(chē)輛溜車(chē)[1]，這種情況存在因線路坡度、人員忘記安裝鐵鞋、意外等原因?qū)е聶C(jī)車(chē)車(chē)輛溜車(chē)的隱患，嚴(yán)重時(shí)甚至溜行到車(chē)站造成車(chē)輛碰撞、人員傷亡等事故，因此機(jī)車(chē)車(chē)輛溜逸成為鐵路運(yùn)輸生產(chǎn)中潛藏的安全風(fēng)險(xiǎn)。本文在參考國(guó)內(nèi)外其他防溜裝置[2-3]的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一套機(jī)車(chē)車(chē)輛自動(dòng)防溜裝置，可解決機(jī)務(wù)段、貨場(chǎng)、專(zhuān)用線等停留機(jī)車(chē)車(chē)輛自行溜車(chē)的問(wèn)題。

1 設(shè)計(jì)原理及設(shè)計(jì)思路

機(jī)車(chē)車(chē)輛自動(dòng)防溜裝置的設(shè)計(jì)原理是：當(dāng)機(jī)車(chē)車(chē)輛發(fā)生溜車(chē)的情況時(shí)，能將鐵鞋機(jī)構(gòu)自動(dòng)卡進(jìn)車(chē)輪中間，使機(jī)車(chē)車(chē)輛和鋼軌間由滾動(dòng)摩擦變?yōu)榛瑒?dòng)摩擦，增大它們之間的摩擦力，從而實(shí)現(xiàn)停車(chē)的目的。其設(shè)計(jì)思路如下：

(1) 機(jī)務(wù)段、貨場(chǎng)、專(zhuān)用線自動(dòng)防溜裝置是一種桅桿運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)鐵鞋運(yùn)動(dòng)的裝置，機(jī)構(gòu)動(dòng)力源為機(jī)車(chē)車(chē)輛撞擊桅桿帶來(lái)的沖擊力。整套機(jī)構(gòu)采用機(jī)械連接，不依靠電子檢測(cè)，并保證機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性。

(2) 由于每種車(chē)型外形結(jié)構(gòu)尺寸不一致，且排障器距離轉(zhuǎn)向架之間的距離以及轉(zhuǎn)向架輪軸數(shù)都存在差異，在站場(chǎng)安裝時(shí)，需要根據(jù)站場(chǎng)內(nèi)機(jī)車(chē)車(chē)輛外形尺寸來(lái)調(diào)整桅桿到鐵鞋之間的距離。本篇以HXD3型和SS4型機(jī)車(chē)為參考進(jìn)行討論。HXD3型和SS4型電力機(jī)車(chē)外形尺寸如表1所示。

(3) 在軌道兩側(cè)各安裝1套鐵鞋機(jī)構(gòu)，為兼顧于HXD3型、SS4型以及SS4(改)型機(jī)車(chē),桅桿在鐵鞋前方2 800 mm處，保證機(jī)車(chē)車(chē)鉤或排障器撞擊桅桿時(shí)鐵鞋能同步動(dòng)作，并能準(zhǔn)確卡到第二個(gè)車(chē)輪前，同時(shí)避開(kāi)首個(gè)輪對(duì)前面的噴砂管、擋板橡膠等部件。

(4) 有調(diào)車(chē)作業(yè)時(shí)，把桅桿向內(nèi)放倒，機(jī)車(chē)車(chē)輛能正常出入庫(kù)，此時(shí)自動(dòng)防溜裝置鐵鞋部分不動(dòng)作；在無(wú)調(diào)車(chē)作業(yè)時(shí)，桅桿為豎立狀態(tài)，機(jī)車(chē)車(chē)輛發(fā)生溜車(chē)情況時(shí)會(huì)撞擊桅桿，桅桿由內(nèi)向外傾倒，鐵鞋裝置同步完成上軌動(dòng)作，阻止溜車(chē)。

(5) 機(jī)車(chē)車(chē)輛溜車(chē)速度越快，對(duì)該裝置的影響越大，經(jīng)計(jì)算，機(jī)車(chē)車(chē)輛由于慣性力，溜逸速度超過(guò)15 km/h后容易發(fā)生跳車(chē)或者崩鐵鞋等情況[4]。自動(dòng)防溜裝置運(yùn)動(dòng)速度同桅桿向外傾倒的速度同步，且具有較高的同步性，避免造成動(dòng)作時(shí)差，影響鐵鞋放置位置。

(6) 各部件方便拆卸和維修，同時(shí)，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)連接處全部采用箱體密封，避免雜物誤入，同時(shí)方便潤(rùn)滑。

表1 HXD3型和SS4型電力機(jī)車(chē)外形尺寸

2 結(jié)構(gòu)組成及其功能

自動(dòng)防溜裝置由桅桿機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)轍器機(jī)構(gòu)和鐵鞋機(jī)構(gòu)組成(圖1)，桅桿機(jī)構(gòu)為該裝置的動(dòng)力源，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)轍器機(jī)構(gòu)起到動(dòng)力轉(zhuǎn)換和傳導(dǎo)作用，鐵鞋機(jī)構(gòu)是本裝置的終端執(zhí)行機(jī)構(gòu)。圖1中，紅綠牌設(shè)置在股道邊起指示輔助作用，方便司機(jī)遠(yuǎn)距離查看。

圖1 自動(dòng)防溜裝置結(jié)構(gòu)圖

2.1 桅桿機(jī)構(gòu)

桅桿機(jī)構(gòu)在無(wú)調(diào)車(chē)作業(yè)時(shí)為直立狀態(tài)，桅桿基座內(nèi)外兩側(cè)都設(shè)有桅桿防傾倒擋板，以防止誤操作，如圖2所示。有調(diào)車(chē)作業(yè)時(shí)，取下內(nèi)側(cè)防傾倒擋板，將桅桿向內(nèi)(站場(chǎng)內(nèi))放倒，此時(shí)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)不做運(yùn)動(dòng);一旦機(jī)車(chē)車(chē)輛發(fā)生溜車(chē)并撞擊桅桿時(shí)，桅桿向外(站場(chǎng)外)傾倒，破壞外側(cè)防傾倒擋板，帶動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、鐵鞋裝置同步動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)防溜功能，如圖3所示。

圖2 防止桅桿傾倒的示意圖

圖3 桅桿動(dòng)作示意圖

2.2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

兩側(cè)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與桅桿機(jī)構(gòu)通過(guò)機(jī)械連接，當(dāng)桅桿機(jī)構(gòu)向外旋轉(zhuǎn)時(shí)，通過(guò)箱體內(nèi)一對(duì)錐齒輪改變傳動(dòng)力的方向，如圖4所示。

圖4 錐齒輪旋轉(zhuǎn)示意圖

2.3 轉(zhuǎn)轍器機(jī)構(gòu)

轉(zhuǎn)轍器機(jī)構(gòu)內(nèi)的齒輪和齒條配合，把桅桿旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)力轉(zhuǎn)換成齒條的直線傳動(dòng)力，通過(guò)齒輪轉(zhuǎn)換比關(guān)系達(dá)到鐵鞋上脫行程量，圖5為旋轉(zhuǎn)力調(diào)整示意圖，圖5中，鐵鞋機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，聯(lián)軸器防止傳動(dòng)卡死，轉(zhuǎn)轍器改變齒輪傳動(dòng)方向和傳動(dòng)比。

圖5 旋轉(zhuǎn)力調(diào)整示意圖

2.4 鐵鞋機(jī)構(gòu)

在齒輪條推動(dòng)下，鐵鞋機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)軸沿基座內(nèi)的滑槽滑動(dòng)，帶動(dòng)鐵鞋翻轉(zhuǎn)上脫。圖6為鐵鞋機(jī)構(gòu)動(dòng)作示意圖。

圖6 鐵鞋機(jī)構(gòu)動(dòng)作示意圖

3 計(jì)算

以SS4型機(jī)車(chē)為例，利用牛頓力學(xué)定律計(jì)算公式vt2-v02= 2as(vt、v0、a和s分別為末速度、初速度、加速度和制動(dòng)距離)，分以下4種工況計(jì)算在不同運(yùn)行速度下機(jī)車(chē)在車(chē)輪與鐵鞋摩擦力作用下的制動(dòng)距離。

(1) 工況1。SS4型機(jī)車(chē)有8對(duì)輪軸，質(zhì)量取184 t。5 km/h運(yùn)行速度下，vt= 0，v0= 5 km/h，車(chē)輪與鐵鞋之間的摩擦因數(shù)按0.17取值，1對(duì)輪軸分擔(dān)1臺(tái)機(jī)車(chē)質(zhì)量的0.125倍，簡(jiǎn)化計(jì)算得到：a=-0.213 m/s2，代入牛頓力學(xué)定律計(jì)算公式(以下簡(jiǎn)稱“公式”)得出：s=4.6 m。同樣方法計(jì)算得出10 km/h、15 km/h運(yùn)行速度下的制動(dòng)距離分別為18.4 m和41.4 m。

(2) 工況2。1臺(tái)機(jī)車(chē)后帶10輛C70型車(chē)輛(按空車(chē)、自重23.8 t計(jì)算)，質(zhì)量取422 t。5 km/h運(yùn)行速度下，vt= 0，v0= 5 km/h，車(chē)輪與鐵鞋之間的摩擦因數(shù)按0.17取值，1對(duì)輪軸分擔(dān)1臺(tái)機(jī)車(chē)質(zhì)量的0.125倍，簡(jiǎn)化計(jì)算得到：a=-0.09 m/s2，代入公式得出：s=10.9 m。同樣方法計(jì)算得出10 km/h、15 km/h運(yùn)行速度下的制動(dòng)距離分別為43.6 m和98.1 m。

(3) 工況3。1臺(tái)機(jī)車(chē)后帶30輛C70型車(chē)輛(按空車(chē)、自重23.8 t計(jì)算)，質(zhì)量取898 t。5 km/h運(yùn)行速度下，vt= 0，v0= 5 km/h，車(chē)輪與鐵鞋之間的摩擦因數(shù)按0.17取值，簡(jiǎn)化計(jì)算得到：a=- 0.04 m/s2，代入公式得出：s=24.5 m。同樣方法計(jì)算得出10 km/h、15 km/h運(yùn)行速度下的制動(dòng)距離分別為98 m和220.5 m。

(4) 工況4。1臺(tái)機(jī)車(chē)后帶50輛C70型車(chē)輛(按空車(chē)、自重23.8 t計(jì)算)，質(zhì)量取1 374 t。5 km/h運(yùn)行速度下，vt= 0，v0= 5 km/h，車(chē)輪與鐵鞋之間的摩擦因數(shù)按0.17取值，簡(jiǎn)化計(jì)算得到：a=-0.028 m/s2，代入公式得出：s=35 m；同樣方法計(jì)算得出10 km/h、15 km/h運(yùn)行速度下的制動(dòng)距離分別為140 m和315 m。

SS4型機(jī)車(chē)在5 km/h、10 km/h、15 km/h運(yùn)行速度下的制動(dòng)距離如表2所示。從表2可以看出，當(dāng)運(yùn)行速度≤10 km/h的情況下，1臺(tái)機(jī)車(chē)+50輛車(chē)輛的制動(dòng)距離均在150 m內(nèi)，結(jié)果較好；當(dāng)運(yùn)行速度為15 km/h的情況下，1臺(tái)機(jī)車(chē)+10列車(chē)輛的制動(dòng)距離在100 m內(nèi)，結(jié)果較好；當(dāng)編組車(chē)輛≥30輛時(shí)，制動(dòng)距離≥200 m。

表2 SS4型機(jī)車(chē)在5 km/h、10 km/h、15 km/h運(yùn)行速度下的制動(dòng)距離

因此，在運(yùn)行速度≤10 km/h的情況下，對(duì)于1臺(tái)機(jī)車(chē)+多輛編組(≤50輛)，該裝置應(yīng)用效果較好；在運(yùn)行速度>10 km/h的情況下，對(duì)于1臺(tái)機(jī)車(chē)+10輛編組，該裝置應(yīng)用效果較好。對(duì)于其他更多編組的車(chē)輛，制動(dòng)距離較大，該裝置應(yīng)用效果不太好。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文在深入調(diào)研機(jī)務(wù)段、貨場(chǎng)、專(zhuān)用線等停留機(jī)車(chē)或車(chē)輛自行溜車(chē)的問(wèn)題基礎(chǔ)上，研制了自動(dòng)防溜裝置，并對(duì)該裝置的原理、總體設(shè)計(jì)方案進(jìn)行論述，重點(diǎn)介紹了每一部分的組成結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行了力學(xué)計(jì)算。

機(jī)車(chē)車(chē)輛自動(dòng)防溜裝置減少了鐵路運(yùn)輸生產(chǎn)中車(chē)輛溜逸的風(fēng)險(xiǎn)，并具有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1) 采用全機(jī)械式結(jié)構(gòu)，配合件采用齒輪配合，對(duì)氣候適應(yīng)力更強(qiáng)，避免了惡劣天氣對(duì)設(shè)備自身的影響；同時(shí)最大程度上避免了電子信號(hào)干擾和臨時(shí)斷電對(duì)設(shè)備運(yùn)行的影響。

(2) 該裝置采用單向聯(lián)動(dòng)運(yùn)動(dòng)，另一側(cè)只做桅桿運(yùn)動(dòng)，避免誤操作或操作不及時(shí)影響線路安全。

(3) 該裝置的動(dòng)力源為機(jī)車(chē)撞擊力，桅桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)速度和機(jī)車(chē)撞擊速度同步，最大程度上避免造成運(yùn)動(dòng)不到位或運(yùn)動(dòng)過(guò)快。

(4) 該裝置和鋼軌連接處全部采用絕緣隔開(kāi)，滿足絕緣要求，防止機(jī)構(gòu)連接軌道發(fā)生紅光帶。