李岳恒

（铁道部运输局，北京100844）

我国铁路引进国际铁路联盟（UIC）的技术以来，在列控、制动控制、列车压缩稳定性等方面出现了一些问题。一般认为是欧洲的制动系统与我国不同，但是没有引起注意的是UIC的车钩系统与我国列车不同。笔者认为，我国既有列车（动车组除外，下同）采用的是自动车钩，UIC采用的是链子车钩，不同车钩的列车有其特有的列车技术，在技术引进中需要加以重视。

1 车辆连接方式对列车技术的影响

在轨道交通运输中，车辆的连接主要分为无间隙连接与间隙连接。无间隙连接是车辆之间的连接基本不存在间隙，各车辆的质量被紧密连接，列车近似为非完全刚性体。间隙连接是车辆之间的连接存在间隙，各车辆的质量未被紧密连接，使列车形成多质点非完全刚性体，车辆间运动留有一定的自由度。由两种方式连接构成的列车特性及形成的列车技术是不同的，表现在车钩连接效率、列车长度、列车质量、牵引力／列车质量比、列车制动、列车冲击、列车压缩稳定性、轨道结构强度、车体强度、车钩强度、车载设备的耐振性能、列车控制特性、列车控制逻辑以及受列车冲击力的司机操纵手柄的作用方向等方面。无间隙连接在城市轨道交通、地铁、动车组和欧洲铁路中普遍采用，间隙连接主要在美国、加拿大、大洋洲、前苏联、南非和我国等大规模铁道运输中采用。

车辆的连接还可分为车钩连接和无车钩连接，本文只讨论车钩连接。

2 两种车钩技术

国际铁路联盟（UIC）是协调欧洲各国铁路联运的国际组织，该联盟用于联运的列车均采用链子车钩（screw coupler亦称链式车钩）见图1、图2。

图1 链子车钩

图2 链子车钩连接

我国列车基本使用与北美铁道协会（AAR）同类型的自动车钩（AAR automatic coupler）见图3、图4。

图3 自动车钩

图4 自动车钩连接

链子车钩是传统的车钩［1］。图1所示车端的两个缓冲器由弹簧、橡胶或液压结构构成，在调车连挂或列车压缩（列车推进，运行中列车前部进入弯道、转入上坡、机车制动力过大等）时起缓冲作用，列车连挂后，缓冲器是使车钩保持在拉伸状态的弹性支撑。列车连接时需要将车钩螺杆铰紧（见图2中部丝杠），使缓冲器压紧力在吨级。由于车钩在张紧状态，不存在车钩间隙，所以链子车钩属于无间隙连接，车钩连接在拉伸方向为刚性约束，拉伸状态下列车的长度保持稳定。链子车钩缓冲器力学模型如图5。

图5 链子车钩缓冲器力学模型

自动车钩（自动密接车钩除外，下同）是北美19世纪后期发展的车钩。“自动”指连挂作业时不需要人员进入两车中间，具有连挂、摘解效率高，对连接作业人员人身安全保护好。通常，自动车钩通过缓冲器与车体连接。自动车钩存在自由间隙且缓冲器具有压缩行程，由我国使用的车钩缓冲器实际结构可知，单个车钩从拉伸至压缩的工作长度为车钩的自由间隙与2倍的缓冲器压缩行程之和。因此，由自动车钩连接的列车长度，随列车运行阻力会发生变化。自动车钩缓冲器力学模型如图6（需要说明的是自动车钩缓冲器系统的实际结构是将车钩承受的拉力或压力均转换为对缓冲器的压缩力）。

图6 自动车钩缓冲器力学模型

从车钩缓冲器系统来看，链子车钩单元的性能曲线如图7，曲线连续。自动车钩单元的性能曲线如图8，因为车钩间隙和缓冲器的影响，性能曲线是典型的非线性间隙类型。

图7 链子车钩单元性能曲线

图8 自动车钩单元性能曲线

从车钩缓冲器力学模型图5、图6不难得出两者的数学模型是不同的。可以推断，由车钩连接构成的列车特性与车钩单元性能相关。

3 车钩连接带来的列车技术差异（见表1，表2）

由运动学可知，列车内部发生冲击（俗称冲动）的原因是车辆之间存在速度差。

无间隙连接使车辆间不存在速度差，列车运行中基本不发生列车冲击。比较而言，无间隙连接的列车运行的平稳性好，广泛应用的车钩是链子车钩、密接车钩等。

间隙连接形成的多质点非完全刚性列车，使车辆间允许存在速度差，因此能够实现列车逐辆起动，从而实现长大列车的开行，使用最多的车钩是自动车钩。世界大规模铁道运输采用间隙连接的原因是其固有运输能力大于无间隙连接的列车。

表1 UIC链子车钩与AAR自动车钩对照

表2 UIC链子车钩列车与AAR自动车钩列车对照

3.1 车钩间隙提高了运输能力，也带来列车内部冲击问题

自动车钩的间隙使得车辆连挂、摘解方便，更重要的是车钩间隙给列车逐辆起动创造了条件，使长大列车开行成为可能。车钩间隙带来的负面影响是列车内部的冲击。我国单个车钩的间隙为19～25mm，100辆车连接后车钩自由间隙（不包括缓冲器行程）的总和近3.8～5m。车钩间隙的存在意味着车辆间允许存在速度差，特殊情况下，列车工况的变化异常，造成车辆间速度差的急剧变化，使长大列车内部的纵向加速度达5g，我国运行中有记录的车钩压缩力达到330t，破坏强度340t的车钩被拉断的事例并不罕见，这都是车辆间速度差急剧变化与车钩间隙累积效应所致。由于链子车钩是无间隙连接，车钩间隙累积效应对于链子车钩列车是不存在的。因此对于车体纵向强度的规定AAR和UIC有着很大的不同，AAR规定车体纵向强度为450t，UIC规定车体纵向强度为250t。因为车钩间隙，使列车内部存在拉伸冲击与压缩冲击的可能，即使采用高强度的设计，自动车钩及缓冲器的损坏时有发生。车钩间隙累积效应引发的列车内部压缩冲击会造成列车压缩失稳，轻者使乘坐舒适度降低、货物装载失效、列车中车辆轮对、转向架的瞬时垂向减载、横向力突变，严重时将车辆挤出线路或造成钢轨倾覆事故；车钩间隙累积效应引发的列车内部拉伸冲击会造成断钩事故。因此，间隙连接构成的列车重要特征是运行中的列车存在内部冲击的可能。

3.2 不同车钩对列车受控特性的影响

由于链子车钩和自动车钩构成列车的刚度（力—长度变化率）不同，对变工况的响应时间及其受控特性也不相同。从控制学的角度看，不同刚度的系统变工况达到稳定状态所需的过渡时间是不同的，特别是图8中车钩间隙处的连接刚度趋于0，且不连续，欲稳定工作自动车钩列车必须要有较长的过渡时间。以40辆车在平直道运行为例，列车从牵引转换至惰行工况达到稳定的时间，链子车钩列车在2s以内，而自动车钩列车需要15s以上的时间；从惰行转换至牵引工况达到稳定，链子车钩列车2s左右完成，自动车钩列车需要10s以上。众所周知，控制列车运行平稳，必须是前次变工况稳定后，再进行新的变工况操作，否则极易引起列车冲击，即两次变工况之间的时间间隔，必须大于列车系统的过渡时间。本例中列车由牵引转惰行工况再由惰行转牵引工况之间的间隔时间，必须大于牵引转惰行工况的过渡时间，对于链子车钩列车是2s，自动车钩列车是15s。除列车制动机性能外，自动车钩列车的过渡时间，主要消耗在全列车车钩间隙的自行调整过程，短于过渡时间进行惰行转牵引操作，就会因车钩间隙累积效应发生列车的内部拉伸冲击。同理，牵引转惰行工况再由惰行转制动工况，如果间隔时间过短，车钩间隙来不及调整，从拉伸状态立即转入压缩状态，列车内部将发生压缩冲击，严重时会造成列车中、后部的轻载车辆脱线。当然，列车冲击的幅值与变工况间隔时间、变工况速率、线路阻力变化、列车制动缓解状态、列车装载、列车长度等因素相关。链子车钩属无间隙连接，正常的变工况操纵间隔在2s以上，不需要专门留出车钩间隙自行调整时间。因此，链子车钩列车的受控特性为连续型，自动车钩列车的受控特性为间断型。另外，与无间隙车钩列车不同，有间隙车钩列车控制技术中，需要将机车作为动力／制动力节点进行通过平顺性考虑。因此，自动车钩列车与链子车钩列车的列车受控特性是不同的。

3.3 无间隙车钩列车的专有技术

由上述介绍可以看出，链子车钩列车由于系统过渡时间短，速度发生偏差时可以随时调整（修正）牵引力或制动力，适宜采用自动控制技术中的闭环控制技术，实现恒速（定速巡航）控制、自动列车控制等。链子车钩列车采用阶段缓解制动技术，涉及空电联合制动、牵引、制动连锁的控制逻辑，以及链子车钩列车在运行中基本不存在列车冲击，缺乏防冲击设计等，这些专有技术在自动车钩列车上直接使用值得商榷，下面加以讨论。

4 讨论

4.1 系统过渡时间与闭环速度控制技术

由前所述，链子车钩列车由于系统过渡时间短，速度发生偏差时可以随时调整（修正）牵引力或制动力，适宜采用自动控制技术中的闭环控制技术。而自动车钩列车的系统过渡时间长，速度发生偏差时立即修正，会引发列车内部冲击，带来冲击后果，因此不能直接采用恒速（定速）等闭环速度控制技术，需要引进系统稳定环节。从理论上讲，加入系统稳定环节后，时延的影响使自动车钩列车速度的控制精度无法达到无间隙车钩列车的控制指标。UIC专有的机车速度自动控制技术不具有自动车钩列车稳定所需的过渡时间，直接在我国使用会使列车冲动加大，对旅客舒适和货物装载不利，还将加大车辆钩缓装置的维修量。

4.2 恒速（定速巡航）控制能力问题

UIC列车技术中有恒速（定速）控制。该技术的实施与牵引力／阻力比值相关，要求恒（定）速时的牵引力储备大于线路阻力，恒速下坡时电制动力储备大于列车坡道下滑力。在欧洲采用恒速控制的列车单机牵引总重一般在700t以内，而我国列车为5 000t以上，牵引力／阻力比值不满足欧洲的条件，在我国6‰的坡道区段单凭机车牵引力或电制动力无法实现贴近线路、信号允许速度的恒速运行。即使在空车上勉强使用，由于不具有自动车钩列车稳定所需的过渡时间，会带来车钩间隙造成的列车冲击，缩短车辆钩缓检修周期。

4.3 空电联合制动技术

UIC列车的空电联合制动技术是列车制动时，车辆采用空气制动，机车采用电制动。由于UIC列车采用阶段缓解制动技术可以方便地用自动制动阀（大闸）去调整列车制动力，因此，UIC的空电联合制动在列车制动中，机车制动与车辆制动连锁，不允许机车单独缓解。但是在直接缓解制动技术的列车上，没有阶段缓解制动的功能，若采用自动制动阀去缓解列车部分制动力（少量充风），感觉上列车制动力减弱了，实质是列车中个别车辆制动机被完全缓解失去了制动力，并不是阶段缓解型制动机的保有制动力的阶段缓解，其结果是列车中被缓解的车辆制动机充不上风，丢失了再次制动的制动力。所以在直接缓解制动技术上用自动制动阀去缓解列车部分制动力的做法，属于违章操作（俗称"偷风"），是被禁止的。因此，在我们的列车上不能用自动制动阀去缓解列车部分制动力。另外，在有间隙车钩的列车上减弱机车制动力有助于减轻列车压缩冲击，因此需要用单独制动阀（小闸）调整机车制动力。所以UIC的空电联合制动功能在国产电力机车上没有开通使用。

4.4 列车长度对空气制动技术的影响

列车短易于采用阶段缓解制动技术。列车的长度决定了列车制动管的长度，由于UIC列车编组客车6～12辆、货车在40辆以内，列车较短，当列车制动管内压力变化时，压力梯度较陡，适于采用列车空气制动的阶段缓解技术。空气制动的阶段缓解技术是缓解值与充风量相关，即制动后充多少风就缓解多少制动力，缓解充风期间始终保持相应的制动力，列车完全缓解需要列车副风缸充至定压以上，因此UIC列车缓解过程中的再次制动不需要特别考虑充风状态（缓解量与充风量相同）［2］。列车完全缓解时间较长，故阶段缓解必须采用自动制动阀过充技术。

为了节省制动缓解时间，长大列车需要采用直接缓解制动技术。当列车长度超过50辆后，列车制动管内压力变化时，由于沿程阻力的影响，其30辆以后的列车制动管压力梯度较为平缓，使阶段缓解型空气制动机缓解速度减慢、缓解时间延长。根据直接缓解型制动机的特性，只要列车制动管压力较副风缸压力高20～30kPa，不论列车制动管压力是否达到定压，车辆制动机将完全缓解，同样列车长度下，全列车缓解时间直接缓解型制动机比阶段缓解型制动机短，这是长大列车使用直接缓解技术的原因。而直接缓解技术必须要等全列车的副风缸都充到定压才能恢复原有的制动力，这就需要再充风时间。考虑到列车冲击与过量供给容易产生自然制动，直接缓解制动不采用自动制动阀过充技术（虽然过充技术可以缩短列车充风时间，但在长大列车制动缓解过程中，列车制动管压力梯度前部较陡，两段制动过程中，列车后部车辆副风缸未充到定压再次实施列车制动，列车前后制动力差别较大，加上长大列车均采用自动车钩，车钩间隙累积效应将形成大的列车压缩冲击；其次，过充技术使用中容易引发前部车辆的自然制动，这是因为长大列车制动缓解过程中，后部车辆副风缸未充满时，自动制动阀从过充位移至运转位，某些时刻由于前、后部车辆副风缸间形成的空气降压速率，会引发列车前部车辆制动机的剧减作用，产生自然制动）。

4.5 列车系统响应时间

由自动车钩列车系统过渡时间加上直接缓解型制动机制动缓解再充风时间，构成了自动车钩列车系统的响应时间，这是列车控制技术中的重要参数。欧洲的300km／h某列控技术在我国列车试验中无法达到期望的列车跟踪通过水平的原因是自动车钩列车系统的响应时间远长于无间隙车钩列车系统时间，影响到了自动闭塞分区的长度及区间通过能力的实现。这是因为车钩技术影响到列车技术的结果。

4.6 列车冲击影响

自动车钩列车与链子车钩列车对车体强度和车载设备的要求，主要区别在承受列车冲击方面，日常运用中链子车钩车辆承受的最大冲击是调车连挂压缩冲击，而自动车钩车辆不但要承受调车连挂压缩冲击，还要承受运行中车钩间隙累积效应造成的拉伸、压缩冲击。因此，自动车钩列车车体及其车载设备耐纵向冲击的要求高于链子车钩列车，例如在UIC列车上普遍采用无螺纹管接头，而AAR列车长期沿用螺纹管接头，就是因为自动车钩列车发生冲击频繁、幅值大，防冲击要求比UIC列车高，在自动车钩列车上使用UIC列车的无螺纹管接头容易发生接头失效。车载电气接插件、继电器接点等耐振要求AAR列车高于欧洲标准。

自动车钩列车的压缩冲击还能引发列车压缩失稳，将车辆挤出线路或使钢轨倾覆。因此，对轨道结构强度的要求有别于欧洲铁路。

4.7 司机操纵手柄作用方向

值得指出的是车钩间隙问题导致了UIC与AAR对司机操纵手柄（机车司机控制器、制动机手柄）作用方向的定义截然相反，链子车钩不存在车钩连接间隙，列车内部没有车辆速度差、运行中基本上没有冲击，按照人们朴素的愿望，UIC规定司机操纵手柄的作用方向：向前推（远离司机方向）为增加牵引力、减小制动力，向后拉（接近司机方向）为减小牵引力、增加制动力；而自动车钩列车存在车钩间隙累积效应，足以使运行中的机车司机室内的物体翻倒，根据列车调速制动缓解过程中车辆缓解集中、迅速（较阶段缓解制动机）产生的冲击力方向（车辆由后向前冲击机车，惯性力方向向后），此时缓解指令的操纵手柄向后与惯性力方向一致，有利于操纵指令的保持，因此，AAR规定司机操纵手柄向后拉为增加牵引力、缓解制动力，向前推为减小牵引力、增加制动力。后来的事故也证实：在列车冲突时由于惯性力方向向前，手柄必然倒向前方，此时增加牵引力、减小制动力是十分危险的：当列车冲突没有造成脱线或在坡道上仍有溜逸的可能时，UIC的规定可能导致二次事故的发生。UIC在弥补惯性力影响时，采取减小手柄转动惯量的方法，将手柄做小、手柄杆做短，甚至改为扳键，因扳键也受惯性力影响，有的增加了卡挚。按照AAR司机操纵手柄方向的定义，操纵手柄不必缩小为扳键，也不需要增加卡挚。我国列车采用的是自动车钩，存在车钩间隙累积效应造成的列车冲击，因此，若采用UIC规定的操纵手柄（机车司机控制器、制动机手柄）作用方向定义是不妥的。看来对司机操纵手柄作用方向的定义，UIC是基于无间隙连接列车的传统和人们朴素的愿望，缺乏对列车运行惯性力的研究。

4.8 其他

在列车试验中，出现轮重减载率、纵向加速度等指标瞬时超标，原因是我们的列车是有车钩间隙的列车，运行中存在列车冲击的可能，这是我国列车技术的特点，应分析试验中指标瞬时超标的原因是否与列车冲击有关，制订我国列车动力学标准，客观评价安全指标，研究解决此类问题的相关技术。

提速客车采用新通过台（雨棚）以来，列车冲击问题凸显，乘坐人员有所反映。原因是新通过台源自无间隙车钩列车设计，与传统通过台相比缺少消除车钩间隙、张紧车钩的支力结构，使车钩间隙累积效应造成列车冲击，降低了乘坐舒适度。

北美铁道协会（AAR）为减小因车钩间隙造成列车冲击，采用的技术值得借鉴：（1）合理减小、改变车钩间隙，采用减少列车车钩数量的技术等。（2）短编组列车（旅客列车）因起动阻力小，车钩伸张状态下列车能够整列起动，因此采用车钩伸张设施将车钩自由间隙消除，保证旅客列车运行平稳。（3）避免车钩形成间隙累积效应，长大重载列车运行中使车钩间隙不剧烈变化，在列车调速、正常停车中，采用power braking（列车常用制动中保持机车牵引力——牵引制动）操纵，类似我国《操规》对旅客列车平稳操作的要求，此项技术能够实现自动车钩长大列车平稳运行，减少断钩分离事故，虽然能耗略有增加，但是对于节省车钩缓冲器检修费用、减少货物特别是贵重货物运输损失是值得探讨的，当然对于机车乘务员是需要培训的。链子车钩列车没有车钩间隙造成的列车冲击问题，不存在牵引制动操纵的需求，在控制逻辑中有专门的牵引、制动连锁的设计。显然，在自动车钩列车上规定牵引、制动连锁的控制逻辑是无法进行power braking操纵的。

5 结束语

车钩技术构成了相应的列车技术，具有不同的特点。无间隙连接的链子车钩能够使列车更趋近于刚性体，使列车运行平稳，但列车起动质量小，适合开行短编组列车，链子车钩列车适于采用阶段缓解型制动机，列车受控特性为连续型，系统响应时间短，列车容易实施自动控制技术。自动车钩的间隙连接使列车形成多质点非完全刚性体，自动车钩的间隙能够实现长大重载列车的起动开行，列车的加长导致采用直接缓解型制动机，自动车钩列车受控特性为非线性间隙型，系统响应时间长，自动车钩列车的控制需将机车作为动力节点考虑，列车运行存在内部冲击的可能，列车控制要考虑车钩状态（间隙）、列车编组、列车制动机状态（车辆制动机副风缸制动缓解后的充风状态）、列车压缩稳定等因素，因为系统响应时间长，无法达到无间隙车钩列车的控制精度，列车控制技术较无间隙车钩列车复杂。

国际铁路联盟（UIC）在电力机车技术上先进，在客运列车的舒适度方面值得我们学习和借鉴，其列车技术基于无间隙车钩，适于城市轨道交通、地铁、动车组、短编组高速列车，与我国列车有较大的区别。我国的列车从车钩、制动机，到列车的编组构成、列车编解作业方式、列车冲击环境、工作环境温度等，与北美铁道协会（AAR）的情况更为接近。总结以往的教训，多是在我们的列车上采用了无间隙车钩的专有技术造成的。我们应该学习国外先进技术，在采集制订相关行业标准，在列车控制、机车控制逻辑、制动控制方式、列车压缩稳定、车体强度、轨道结构强度、耐冲击技术、管路接头的选择、机车操纵手柄作用方向、机车工作环境温度等方面，根据列车的特性进行判别，看其是否符合我国列车的类型和使用环境。在开行长大列车方面，我们的装备、控制硬件、操纵方法等借鉴别人的经验可以少走弯路。

［1］维基百科 http：∥en.wikipedia.org／wiki／Railway／＿coupling.

［2］李岳恒.浅谈空气自动制动的系统问题［J］.铁道机车车辆，2004，（5）：36-37.

［3］李岳恒.浅谈UIC系统在我国铁路应用的一些问题［J］.铁道机车车辆，2005，（6）：21-22.