北美轨道客车车端电气连接设计与小曲线分析

李小军 宋立群

摘要：本文结合海外市场轨道客车特点，介绍了一个北美双层客车项目的车端连接器及跳线组成及布置方案，根据限界要求，对列车过小曲线时车辆间跨车跳线的长度进行测试，制定适应性改进方案，对轨道客车车端设计有积极的指导意义。

关键词：北美双层客车 车端连接器 限界 小曲线

1.车端连接器及跳线作用及功能

由于轨道交通客车一般由多编组组成，车辆与车辆之间的信息交互需通过跨车线缆传送，因此车端必须设置不同类型的连接器及车端跳线来实现此目的。车端连接器的种类一般包括信号类连接器、低压电源类连接器及中高压电缆插头等。

2.车端连接器及跳线设计依据及原则

车端电气连接在设计时主要应从线路的实际条件、用户的顶层需求以及合理的设计方案等方面进行研究。

2.1 线路及客户顶层要求

由于各列车运营的线路不同，对车端连接的要求也不尽相同，美国双层车项目车端连接器设计及试验时应基于以下要求：

a. 车端连接线的种类、线型选择应符合美标APTA-PR-E-RP-019-99 机车及机车牵引设备的27芯跳线及连接器推荐标准以及APTA-PR-E-RP-015-99 HEP电源插头特性推荐标准。

b. 正线运行时的最小曲线半径为440英尺（134米），车辆段的最小曲线半径为250英尺（76.2米）。

c. 除了车轮，车辆任何部件与轨道的最小间距在任何情况下不得小于2 3/4英寸（70毫米）。

2.2 设计原则

车端连接器及跳线在满足2.1部分要求的前提下，还应该考虑以下项点：

a.当车辆间的跳线连接后，车辆静态及动态情况下不应发生干涉、接磨等。

b.方案模拟及测试工况应考虑AW3满载负荷且空簧悬挂失效时，车辆连接处在最小曲线半径的工况下，车端设备工作正常。

c.车端连接器的布置及设计应考虑风霜雨雪等环境，电气连接后应密封，不应出现进水短路等情况。

3.北美客车项目的车端连接器布置方案

根据第2部分的设计要求，北美客车项目的车端连接器布置方案如图1所示：

图1车端连接器A端布置图

图中，MU是黑色的27芯连接器，线缆主要为机车控制线；COMM为蓝色的通讯系统的27芯连接器，主要由通信、门控及部分列车级指示灯的连接线组成；DNT为以太网线插头，每个车端由两个DTN插头对称组成，每个DTN插头由两组7类以太网电缆组成，互为冗余；HEP为红色的电源插头，将机车提供的480VAC 60Hz的交流电为整车提供电能，每个车端由4个HEP插头组成，并联连接，除了提高载流量外，也互为备用冗余。

4.车辆小曲线测试

连挂车辆时，通常情况下运行线路的曲线半径很大，车端连接器及跳线的工作状态较好，但设计时需考虑不最不利工况下连接器及跨车线的状态，包括小曲线以及本身车辆载重、空簧失效导致的整车跟轨道的距离变短等。

根据第2部分的要求，个别车辆段有250英尺的小曲线，车辆跳线的长度选择应满足运营要求，本项目HEP插头选择60英寸（1.524米）的跳线，试验验证时主要测试当两车在小曲线上相邻两个车端内侧跳线的挤压状态以及相邻两个车端外侧跳线的拉伸状态。测试时验证车辆正常及空簧异常两种情况，测试基于AW0负荷工况。

测试时考核标准为车辆动态或静态时，车端跨车线之间不能有接磨、跨车线不能紧绷、挤压状态时距离轨面的距离应符合标书要求等，试验工况如表1所示。

表1 车辆编组小曲线测试工况

序号	空簧状态				负荷	备注
	司机室控制车		拖车
	F端	B端	A端	B端
1	正常（充满）	正常（充满）	正常（充满）	正常（充满）	AW0	机车拖拽
2	异常（排空）	异常（排空）	异常（排空）	异常（排空）
编组

4.1 空簧正常，250英尺小曲线，AW0工况

a.当B端与A端在曲线内侧挤压状态最不利时，MU，COMM及DTN插头状态正常，HEP插头跳线最低点与轨道之间的高度大约为3.93英寸（100mm),如图2所示，满足要求的2.75英寸（70mm).

图2 挤压状态下跳线距离轨道最低点

考虑车辆满负荷AW3时，整车下沉量为0.463英寸；轮缘全磨耗时，整车下沉量为0.5英寸，因此可计算得最恶劣工况下HEP插头距离轨面距离为：

满足2.75英寸的技术要求。

b.当B端与A端在曲线外侧的车端跳线处于拉伸最不利情况时，测试情况为，MU，COMM以及DTN插头状态正常，HEP插头跳线没有被拉开，但处于紧绷状态，需进行优化，见图3所示。

图3 外侧跳线极限拉伸状态

4.2 空簧失效，250英尺小曲线，AW0工况

当空簧失效时，整车会下沉，在此故障工况下，曲线外侧拉伸状态不会受影响，但曲线内侧挤压时，车端跳线距离轨面的高度会降低。经过实车测试结果为约2英寸（55mm）。

若考虑AW3且全磨耗时：

由结果可见，1英寸不满足技术要求规定的2.75英寸，但考虑250英尺的小曲线只存在于用户一车辆段，且实际工况为车辆过此小曲线时为空载AW0，因此该故障工况不会对乘客安全造成影响，也不会导致车端跨车线损坏等。

4.3 .测试结果分析

根据样车测试结果可知，MU，COMM与DTN车端连接线由于处于车端相对较高的位置，距离轨面也相对较高，过小曲线时工作状态相对良好，满足挤压及拉伸状态下不同需求。但HEP由于安装位置较低，挤压时要求线不能过长，否则会低于2.75英寸的要求；拉伸状态时又要求线不能过短，否则会紧绷甚至被拉断。

5.方案优化

由于车端布置及结构不能再进行调整，为解决小曲线状态下HEP线紧绷的问题，HEP车端连接器布置方案进行了如下更改：

通过缩短两车连挂时HEP插头之间的距离，解决紧绷的问题，同时考虑挤压状态下HEP插头跳线的最低点要高于轨面，故最终决定将HEP插头缩短1英寸，当挤压时下降量约为0.5英寸，高于轨面，不会出现接磨。

为保持HEP既有结构不变，通过在HEP插头座区域增加垫块来减小连挂时插头之间的距离，垫块的厚度为0.492英寸，如图4所示。

图4 HEP插头增加垫块示意图

6.结论

车辆的小曲线要求应重点关注，因为它会影响到车端、车下等部件静态、动态时的状态，设计不合理会导致重大的技术变更，在设计阶段就应该通过计算、仿真等手段对不同工况进行模拟，保证方案可行性。本项目中HEP插头测试出现的问题，更改方案的改动量最小，不仅保证了成熟应用产品HEP跳线不做变更，也让车端布置可以满足曲线通过的要求。

参考文献：

1. APTA-PR-E-RP-019-99 机车及机车牵引设备的27芯跳线及连接器推荐标准

2. APTA-PR-E-RP-015-99 HEP电源插头特性推荐标准。