黄良坤，赵彦峰

（广州中咨城轨工程咨询有限公司，广州 571300）

0 引言

广州地铁18&22号线为时速160 km全地下隧道高速地铁线路，采用市域D型车辆，车辆全自动车钩采用10型车钩，钩头配装有导引杆，导引杆反装在钩头位置，车头开闭机构关闭时车钩隐藏在开闭机构内，当车钩连挂时，操作人员需在司机室使用电控按钮开关打开开闭机构[1]，离开司机室前往轨行区手动安装导引杆至工作位置，若在隧道狭窄空间环境开展救援连挂作业，司机进入轨行区手动安装导引杆不仅存在一定安全风险，也影响车辆救援连挂作业效率。10型车钩普遍应用于高铁动车组车辆，其车钩导引杆设计上主要有正装和反装两种方式，导引杆反装操作原理同广州地铁18&22号线D型车辆车钩导引杆一致，导引杆正装则需在头车开闭机构处开孔，使导引杆穿过开闭机构前端处于待连挂状态常态。高铁动车组车辆由于运行在露天线路及环境，不论车钩导引杆正装还是反装设计均不存在较大人员操作安全风险，但运行于全地下隧道的广州地铁18&22号线车辆由于隧道狭窄空间环境带来的操作不便利性及安全风险性则不容忽视[2]。从安全角度及操作便捷性出发，设计上需对10型车钩进行优化设计，在不涉及车头开闭机构及头罩外观结构改变的基础上，又能实现不需手动安装导引杆即可满足车钩自动联挂。通过技术改进来减少人员操作安全隐患风险，同时提升城市轨道交通车辆救援连挂效率[3]。

1 10型车钩工作原理及应用情况

1.1 10型车钩工作原理

为满足车钩强度要求，广州地铁18&22号线市域线路动车组列车自动车钩采用欧洲标准10型车钩连挂系统。10型车钩主要由钩头、电气车钩推送装置、连接卡环、气液缓冲器、缓冲器壳体、钩尾销和安装座等部件组成[4]。为增加连挂范围，10型车钩机械连挂系统需配装导引杆，导引杆可拆卸[5]，10型车钩连挂范围如图1所示。图中，单剖面线区域为带导引杆的10型钩连挂范围图，双剖面线区域为不带导引杆仅靠凸凹锥导向连挂范围图。

图1 10型车钩连挂范围示意图

当车钩水平摆角较大时，导引杆较凸凹锥先接触，可以适当增大连挂范围，如图2所示。

图2 车钩导引杆连挂接触

当两侧车钩低头时，导引杆与引导钩肩先接触，调整两侧车钩中心位置，提高连挂成功率，图3所示为车钩导引连挂。

图3 车钩导引杆连挂导引

由于10型车钩自身特性，无导引杆的连挂范围非常有限，导引杆安装拆卸工作方便快捷，当需要取下导引杆时，操作人员手握住卡子前端的按压手柄，压缩复原弹簧使卡子凸台脱离钩体凹槽，从而将导引杆组成从机械车钩上取下。需要安装时，同样操作人员手握住按压手柄，压缩复原弹簧，使卡子安装至钩体凹槽中，如图4所示。

图4 车钩导引杆存放与工作状态

1.2 10型车钩应用情况

广州地铁18&22号线车辆10型车钩供应商为青岛四方研究所，截止目前，国内使用10型车钩的轨道车辆主要为高速动车组[12]，青岛四方研究所提供的所有动车组产品均为10型钩配带了车钩导引杆，且均为可拆卸导引杆。部分车型动车组因车头开闭机构空间限制，导引杆或反装或存放至司机室处，待需要连挂作业时，将导引杆取出安装至工作位。

应用车钩导引杆的项目统计如表1所示。由表可知，目前10型车钩广泛应用于国内高速铁路、城际铁路车辆。

表1 车钩导引杆应用项目统计

作为在国内大量成熟运用的密接式车钩，10型车钩压缩强度（屈服强度）、拉伸强度[6]均优于普通城轨地铁车辆使用的330型机械车钩。

2 广州地铁18&22号线车钩导引杆设置必要性

针对广州地铁18、22号线线路条件进行分析，正线最小曲线半径为R=600 m，S型曲线所夹直线长度最短为51 m。而两车连挂时，转向架中心最远距离约为42 m。因此，在广州地铁18、22号线线路上不存在S型曲线夹直线工况，仅分析在圆切直线及定圆上连挂的工况，如表2所示。

表2 连挂工况分析

通过曲线连挂计算，车钩无导引杆能实现自动连挂的圆切直线入口最小曲线半径为R=1300 m，广州地铁18号线和22号线共有多处不能实现无导引杆自动连挂区间。同时考虑实际连挂时的偏移量，要求在曲线连挂时必须将导引杆安装至正常工作状态，因此，基于广州地铁18&22号线线路条件，为满足车辆在所有轨行区均能实现自动连挂条件，广州地铁18、22号线车辆10型车钩必须设置车钩导引杆。

3 车钩导引杆优化设计思路及方案

3.1 开闭机构外形不变，车钩缩短

广州地铁18、22号线属于市域线路，列车为时速160 km的高速动车组，为减少列车高速运行时阻力，在头车设计了开闭机构，开闭机构关闭时头车全自动车钩隐藏在开闭机构内[7]。在不改变开闭机构结构外形的前提下，考虑将车钩长度缩短，使导引杆保持正向安装常态且不与开闭机构干涉。

开闭机构在设计时已考虑车钩的缓冲器行程，需确保两个因素：（1）单钩状态下，车钩不与开闭机构任何零部件干涉；（2）车钩在重联状态下，缓冲器压缩至极限行程后，开闭机构导流罩下部不能互相干涉，需留有一定的安全空间[11]。

经测算，若将车钩减短100 mm，车辆重联时两开闭机构之间的间隙只有40 mm，而两侧车钩的缓冲器行程为100 mm×2。在列车联挂后水平摆角达到14°时将出现干涉情况，如图5所示。

图5 车钩缩短后干涉情况

因此，开闭机构的固定罩尺寸在空间上本身已余量较小，不能进一步缩短车钩长度。

3.2 车钩导引杆减短

考虑将车钩导引杆导引段长度减短，以此实现车钩导引杆常态下正向安装时与开闭机构不干涉，如图6所示。

图6 导引杆减短示例

因广州地铁18&22号线车辆开闭机构外形轮廓空间限制，且开闭机构结构为左右旋转式[8]，车钩导引杆正装时将与开闭机构干涉。通过现场实测校核，干涉尺寸理论约112 mm，若将导引杆导引段减短至不与开闭机构干涉，导引杆导向功能部分将全部减掉，此时10型车钩的连挂范围与无导引连挂范围基本无区别，不能满足小曲线切直线入口处自动连挂的要求。因此减短车钩导引杆导引段长度方案也不可行。

3.3 减短导引杆直线段

考虑将车钩导引杆直线段减短，以此实现车钩导引杆常态下正向安装时与开闭机构不干涉，如图7所示。

图7 导引杆直线段减短示例

因考虑车钩连挂过程中，在凸锥和对侧连挂面接触之前，导引杆必须起到导引作用，在减短10型车钩导引杆的直线段后导引杆将失去导引连挂功能，所以，导引杆直线段的长度不能调整。

3.4 导引杆上置

考虑把车钩旋转180°，即导引杆上置方案，如图8所示，经校核导引杆上置后依然和开闭机构干涉，干涉理论尺寸65 mm，开闭机构舱门关闭状态，导引杆和开闭机构舱门预留20 mm空间，需要将导引杆减短85 mm，经计算两车钩连挂面中心距离约为254 mm（偏移量按50 mm计算），超过导引杆改短后的连挂范围。此方案依然不可行。

图8 导引杆上置示例

3.5 导引杆左右置

考虑把导引杆左右置方案，经现场实测校核，受限于开闭机构空间结构，导引杆左置或右置后依然和开闭机构干涉，如图9所示，干涉尺寸理论约65 mm，此方案依然不可行。

图9 导引杆左右置示例

3.6 使用伸缩钩

伸缩钩结构较复杂，如图10所示，且伸缩装置自动伸缩时需要气路和电路同时存在，若气路和电路任何一条线路出现问题，则必须要司机下车手动操作使车钩伸出[9]。10型车钩变形吸能为后压溃系统[10]，伸缩机构结构复杂，不能满足压溃管后退行程要求。限于伸缩装置结构原因，伸缩机构缩回后长度仍然长于广州地铁18&22号线现有方案的车钩长度。

图10 伸缩钩示例

鉴于以上3种原因，使用伸缩钩方案同样不可行。

3.7 导引杆伸缩方案

考虑将导引杆设计成可伸缩结构。

10型车钩主体结构保持不变。车钩导引杆设计成可伸缩方案，在导引杆直线段尾部加装弹簧机构设计，开闭机构闭合状态下，导引杆直线段尾部加装弹簧机构处于预压缩状态，当开闭机构舱门打开时，导引杆在弹簧力作用下伸出，并由卡销或单向弹性卡板卡停（卡停机构可设计为气动结构），此时导引杆即处于待导引连挂状态。伸缩机构结构如图11所示。

图11 导引杆伸缩机构设计示例

导引杆直线段尾部加装弹簧机构需要一定空间，现场实测核实目前10型车钩导引杆反置空间可满足伸缩机构设计空间。尾端区域为供风管路，如有设计结构干涉，可将风管管路往后腾挪一定距离。

导引杆直线段尾部设计一个定位销孔位或侧面卡板结构，使弹簧机构处于压缩状态。

导引杆定位销与开闭机构之间进行联动，当开闭机构舱门打开时，随着开闭机构舱门的动作，钢丝绳在开闭机构机械拉力作用下将导引杆定位销拉出，此时导引杆在弹簧力的作用下伸出处于待导引连挂状态。

当列车救援连挂结束回到停车场，开闭机构舱门闭合前，需手动将导引杆恢复至弹簧压缩状态。

利用CAD三维建图，导引杆在缩回后与开闭机构舱门仍有间隙，经计算间距约为24 mm，如图12所示，导引杆与开闭机构舱门不存在干涉。

图12 导引杆缩回后与开闭机构仍保持间距

以上分析可知，车钩导引杆伸缩方案设计可实现自动连挂功能，连挂前不需人员手动操作安装导引杆。

4 结束语

本文针对广州地铁18、22号线D型车辆10型车钩使用过程中存在的需要手动操作安装车钩导引杆、车钩连挂效率低、操作人员存在安全风险等设计缺陷，从10型车钩设计结构原理、车钩导引杆配置必要性进行分析，结合10型车钩实际安装应用情况进行实测和研究，提出缩短车钩、减短车钩导引杆（直线段或导引段）、导引杆上置、导引杆左右置、使用伸缩钩、导引杆伸缩设计等优化思路和方案。通过论证分析及使用CAD三维建图工具辅助分析得出结论，缩短车钩、减短车钩导引杆（直线段或导引段）、导引杆上置、导引杆左右置、使用伸缩钩等方案均无法实现在无人工手动安装导引杆前提下车钩导引杆自动导引连挂功能，只有导引杆伸缩设计方案，可在不改变广州地铁18&22号线D型车辆头罩及开闭机构结构和外观美观性基础上实现车钩自动导引连挂功能，当需要开展车钩连挂时，司机在司机室远程操控打开开闭机构，开闭机构打开时，导引杆在弹簧力作用下自动伸出，在完成车辆解钩或车辆检修后需要关闭开闭机构时，手动将导引杆恢复至弹簧压缩状态即可。