何永強(qiáng)，陳章，周坤，王開云，呂凱凱，周義昌

擋肩式車鉤自由擺角對重載機(jī)車制動安全性能的影響

何永強(qiáng)1,3，陳章1,3，周坤*,2，王開云2，呂凱凱2，周義昌2

（1.大功率交流傳動電力機(jī)車系統(tǒng)集成國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 株洲 412001；2.西南交通大學(xué) 牽引動力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031；3.中車株洲電力機(jī)車有限公司，湖南 株洲 412001）

對于采用擋肩式車鉤的機(jī)車而言，較大的車鉤自由擺角將產(chǎn)生過大的橫向分力，威脅機(jī)車的行車安全性。本文對擋肩式車鉤的穩(wěn)鉤機(jī)理進(jìn)行了理論分析，建立了重載機(jī)車動力學(xué)模型和擋肩式102車鉤的動力學(xué)模型，計(jì)算分析了在車鉤自由擺角為6°、7°、8°時的車鉤穩(wěn)定性與機(jī)車安全性，并研究了二系懸掛橫向剛度對車鉤穩(wěn)定性的影響。研究結(jié)果表明，在縱向壓鉤力作用下，車鉤自由擺角為6°、7°時重載機(jī)車可滿足直線運(yùn)行安全要求；當(dāng)車鉤自由擺角為8°、縱向壓鉤力為1200 kN時，由于車鉤擋肩力過大，車鉤出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象；適當(dāng)增大機(jī)車二系懸掛橫向剛度，可提高車鉤穩(wěn)定性與機(jī)車行車安全性。

重載機(jī)車；擋肩式車鉤；行車安全性；車鉤自由擺角；二系懸掛橫向剛度

我國現(xiàn)已開通的2萬噸鐵路運(yùn)輸列車，主要采用的是“1＋1”編組方式。由于其編組長、軸重大，且受空氣傳遞波速的限制，在空氣制動時，將產(chǎn)生很大的縱向沖動。列車縱向動力學(xué)仿真計(jì)算結(jié)果及線路試驗(yàn)表明，由列車縱向沖動引起的縱向壓鉤力可在2000 kN以上，且最大壓鉤力一般都出現(xiàn)在中部機(jī)車[1]。此外，重載機(jī)車采用的擋肩式102車鉤在運(yùn)輸過程中由于制動作用會發(fā)生擋肩磨耗，造成車鉤自由角進(jìn)一步增大，在大縱向壓鉤力下，若車鉤自由角過大，易導(dǎo)致車鉤失穩(wěn)、輪軸橫向力超標(biāo)等現(xiàn)象，甚至導(dǎo)致機(jī)車脫軌。由此表明，車鉤擺角對列車運(yùn)行安全性的影響也日趨明顯。

文獻(xiàn)[2-3]分析了制動狀態(tài)下，不同的車鉤箱安裝位置誤差對機(jī)車動態(tài)性能的影響；文獻(xiàn)[4]分析了擋肩式車鉤和摩擦式車鉤的穩(wěn)鉤機(jī)理，并指出擋肩式車鉤可承受更大的縱向壓鉤力；文獻(xiàn)[5-9]對摩擦式車鉤與機(jī)車的相互作用關(guān)系作了深入研究，分析了車體懸掛參數(shù)、車鉤結(jié)構(gòu)參數(shù)對機(jī)車運(yùn)行穩(wěn)定性的影響，并有效地結(jié)合試驗(yàn)確保結(jié)論的可靠性；文獻(xiàn)[10]運(yùn)用機(jī)車車輛－軌道耦合動力學(xué)理論，分析了車鉤自由角為3°時縱向壓力對機(jī)車軌道系統(tǒng)的動力學(xué)性能影響；文獻(xiàn)[11]分析了車輛通過曲線時的車鉤偏轉(zhuǎn)情況，認(rèn)為S型曲線是連掛車輛通過曲線最困難的工況；文獻(xiàn)[12-13]通過對實(shí)際鉤頭輪廓曲線進(jìn)行數(shù)據(jù)離散，從而建立起具有完整鉤頭輪廓面的車鉤模型，在此基礎(chǔ)上分別對曲線上的車鉤偏轉(zhuǎn)行為以及車鉤自由角與機(jī)車參數(shù)匹配關(guān)系進(jìn)行了深入研究。

本文以某型重載機(jī)車與擋肩式102車鉤為研究對象，分析縱向壓鉤力作用下6°、7°、8°車鉤自由角對機(jī)車運(yùn)行性能的影響，以及重載機(jī)車二系懸掛橫向剛度對車鉤穩(wěn)定性的影響。

1 102車鉤穩(wěn)鉤機(jī)理

如圖1所示，102型車鉤結(jié)構(gòu)主要由車鉤、緩沖器、鉤尾框、從板等組成，其中車鉤鉤尾銷兩側(cè)設(shè)有擋肩結(jié)構(gòu)，在車鉤擋肩與前從板接觸時提供止擋力限制車鉤的進(jìn)一步偏轉(zhuǎn)。

圖1 102型車鉤結(jié)構(gòu)圖

列車在受壓狀態(tài)下，機(jī)車車體和連掛車鉤會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)后的狀態(tài)如圖2所示。

當(dāng)縱向壓力較小時，車鉤偏轉(zhuǎn)后的橫向分力主要由機(jī)車一、二系懸掛裝置承擔(dān)，并最終傳遞到輪軌處；當(dāng)縱向壓力較大時，機(jī)車自身的穩(wěn)鉤能力不足，需要依靠擋肩與復(fù)原塊接觸產(chǎn)生復(fù)原力矩，從而保證車鉤的受力平衡。

Fx、Fy為鉤尾銷處的縱、橫向分力；Fc為擋肩力；hx、hy、hc分別為力Fx、Fy、Fc的力偶臂；α為車體轉(zhuǎn)角；β為車鉤相對于車體的轉(zhuǎn)角（以下簡稱為車鉤轉(zhuǎn)角）；γ為車鉤相對于軌道中心線的轉(zhuǎn)角

在縱向壓鉤力作用下，車鉤與車體將發(fā)生轉(zhuǎn)動，而車體中心橫向位移較?。珊雎圆挥?jì)），仍處于軌道中心線上附近。由幾何關(guān)系可知，之間應(yīng)滿足以下關(guān)系式：

式中：為車體相對轉(zhuǎn)向架的橫向位移，mm；L為車輛定距的一半，mm；L為機(jī)車兩端鉤尾銷縱向距離的一半，mm；為車鉤長度的一半，mm。

當(dāng)縱向壓鉤力較小時，車鉤未發(fā)生擋肩接觸，主要依靠機(jī)車自身的一、二系懸掛來維持車鉤穩(wěn)定，這種穩(wěn)鉤能力也稱為機(jī)車自穩(wěn)鉤能力；當(dāng)縱向壓鉤力較大時，機(jī)車自穩(wěn)鉤能力將不足以維持車鉤的平衡，車鉤將繼續(xù)偏轉(zhuǎn)；當(dāng)車鉤擋肩與前從板發(fā)生接觸后，由于緩沖器阻力的作用，前從板不會發(fā)生轉(zhuǎn)動，車鉤擋肩開始發(fā)揮穩(wěn)鉤作用，阻止車鉤轉(zhuǎn)角進(jìn)一步增加。由式（1）～式（3）可知，當(dāng)車鉤轉(zhuǎn)角等于自由擺角時，車體轉(zhuǎn)角與車體相對轉(zhuǎn)向架的橫向位移也可隨之確定。

對于整個連掛車鉤而言，從圖2中可看出，前后車鉤鉤尾銷的縱向壓力F形成偏轉(zhuǎn)力矩，使車鉤發(fā)生偏轉(zhuǎn)，擋肩力F與鉤尾銷處的橫向分力F共同產(chǎn)生穩(wěn)鉤力矩，以抵抗車鉤的轉(zhuǎn)動。由力矩平衡可知，此時：

隨著縱向壓鉤力的增大，F產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)力矩增大，由于車鉤擋肩的作用，車鉤轉(zhuǎn)角保持不變，車體與轉(zhuǎn)向架二系懸掛處的橫向力及F也保持不變，因而F所提供的穩(wěn)鉤力矩隨縱向壓鉤力的增大而維持恒定，此時車鉤主要依靠擋肩力的增大來維持車鉤的穩(wěn)定，F與F的比值也將隨之增大。當(dāng)F與F的比值過大時，緩沖器阻抗力將不足以維持前從板的平衡，前從板將發(fā)生較大角度的轉(zhuǎn)動，車鉤也將發(fā)生失穩(wěn)。

2 機(jī)車及102車鉤仿真模型

本文運(yùn)用SIMPACK軟件，建立機(jī)車中部連掛的列車模型，即將機(jī)車放在中部，前后與貨車相連。機(jī)車采用102車鉤，貨車采用16號車鉤，通過在前后兩節(jié)貨車端部施加沿軌道切線方向的縱向力來模擬縱向壓鉤力，從而分析機(jī)車及102車鉤在受壓狀態(tài)下的動力學(xué)性能。完整的列車模型如圖3所示。

2.1 機(jī)車動力學(xué)模型

單臺重載機(jī)車由兩節(jié)機(jī)車通過102車鉤連掛組成。每節(jié)機(jī)車共46個自由度，其中輪對6自由度、構(gòu)架6自由度、電機(jī)1個點(diǎn)頭自由度及車體6自由度。一系懸掛包含軸箱彈簧、一系橫、垂向減振器、軸箱拉桿等；二系懸掛包括橡膠彈簧、二系橫向減振器、二系止擋等。

2.2 102車鉤緩沖裝置模型

車鉤可繞鉤尾框在、軸兩個方向轉(zhuǎn)動，鉤尾框相對于車體只有一個縱向自由度，前從板相對于車體有縱向和繞軸轉(zhuǎn)動兩個自由度。另外，車鉤鉤尾與前從板間建立擋肩接觸模型。由于在直線上運(yùn)行時兩車鉤鉤舌間基本無相對轉(zhuǎn)動，故將兩連掛車鉤考慮為一根直桿。車鉤受壓時，當(dāng)車鉤轉(zhuǎn)角小于自由角時，車鉤通過鉤尾框作用于前從板上；當(dāng)車鉤轉(zhuǎn)角大于自由角時，車鉤鉤肩與前從板上的復(fù)原塊接觸，產(chǎn)生復(fù)原力矩。前從板與車體間通過緩沖器連接，該型緩沖器行程38 mm，最大阻抗力4500 kN，具有行程短、阻抗力大的特性。

圖3 機(jī)車中置列車模型

3 大車鉤自由角機(jī)車運(yùn)行性能分析

3.1 計(jì)算工況及評價標(biāo)準(zhǔn)

新造102車鉤自由擺角一般在3.5°～5°之間，經(jīng)過一段時間的運(yùn)營后，擋肩處會發(fā)生磨耗，導(dǎo)致車鉤自由角增大，可達(dá)到6°～8°。為分析擋肩磨耗后大車鉤自由擺角對車鉤穩(wěn)定性能及機(jī)車運(yùn)行安全性能的影響，分別考察在車鉤自由角為6°、7°和8°條件下，機(jī)車的輪軸橫向力、脫軌系數(shù)指標(biāo)及車鉤擺角、擋肩力指標(biāo)。仿真中列車以80 km/h的速度在直線上運(yùn)行，軌道譜采用美國六級譜。

根據(jù)文獻(xiàn)[14]中對輪軸橫向力計(jì)算限值的規(guī)定，對于本文重載機(jī)車而言，輪軸橫向力的安全限值為97 kN；脫軌系數(shù)限值依據(jù)TB/T 2360－93《鐵道機(jī)車動力學(xué)性能試驗(yàn)鑒定方法及評定標(biāo)準(zhǔn)》[15]規(guī)定取合格等級0.9。

3.2 不同車鉤自由角下機(jī)車安全性能分析

如圖4所示，在縱向壓鉤力1200 kN作用下，車鉤自由擺角為6°、7°時，車鉤轉(zhuǎn)角均穩(wěn)定在自由擺角，機(jī)車輪軸橫向力最大值分別為50.68 kN、55.37 kN，脫軌系數(shù)最大值分別為0.23、0.27，均小于安全限值，滿足行車要求。

圖4 當(dāng)縱向壓鉤力為1200 kN時，不同車鉤自由角下各動力學(xué)指標(biāo)的時域圖

隨著車鉤自由擺角的增大，擋肩力顯著增加，當(dāng)自由角為7°時，擋肩力最大值649.13 kN，相比于車鉤自由角為6°時增加了64 kN，而輪軸橫向力與脫軌系數(shù)的增加幅度不大。當(dāng)車鉤自由擺角為8°時，在24 s附近輪軸橫向力、車鉤轉(zhuǎn)角等開始明顯上升，之后輪軸橫向力與脫軌系數(shù)最大值達(dá)到97.97 kN、0.41，車鉤轉(zhuǎn)角最大值達(dá)到11°。這是由于車鉤自由擺角較大時，車鉤擋肩力相比于縱向壓鉤力也較大，使前從板發(fā)生較大角度轉(zhuǎn)動，導(dǎo)致車鉤出現(xiàn)失穩(wěn)趨勢。

如圖5、圖6所示，當(dāng)縱向壓鉤力為2000 kN時，機(jī)車運(yùn)行安全性滿足要求。隨著縱向壓鉤力的增加，輪軸橫向力基本保持不變，而車鉤擋肩力與縱向壓鉤力的比值呈現(xiàn)增加趨勢，即車鉤擋肩承擔(dān)縱向壓鉤力的比重越來越大。另外，當(dāng)車鉤自由角由6°增加至7°時，車鉤擋肩力占縱向壓鉤力比重顯著增加。由上述分析可知，車鉤自由擺角變大與縱向壓鉤力增加均會造成車鉤擋肩力比重的增大，而車鉤擋肩力比重過大時緩沖器阻抗力將不能維持前從板的平衡，車鉤出現(xiàn)失穩(wěn)，由此可說明8°大車鉤自由擺角在1200 kN縱向壓鉤力下所出現(xiàn)的車鉤失穩(wěn)現(xiàn)象。

圖5 不同自由角下輪軸橫向力時域圖

圖6 不同壓鉤力下車鉤擋肩力比重變化圖

3.3 機(jī)車二系懸掛橫向剛度對車鉤穩(wěn)定性影響

由3.2小節(jié)分析可知，當(dāng)車鉤自由角為8°、縱向壓鉤力1200 kN時，由于車鉤鉤肩承擔(dān)較大部分縱向力，導(dǎo)致車鉤轉(zhuǎn)角增大發(fā)生失穩(wěn)，輪軸橫向力也隨之增大。經(jīng)分析可知，增大二系橫向懸掛剛度及止擋剛度可減小擋肩力的承力大小，從而保證車鉤在大自由角條件下的穩(wěn)定性，但過大的二系橫向剛度又會導(dǎo)致輪軸橫向力增加。因此，現(xiàn)將二系橫向懸掛剛度增至原機(jī)車的2、3、4倍，其他參數(shù)保持不變，仿真結(jié)果如圖7所示。

由圖7可得出，原參數(shù)機(jī)車8°車鉤自由角在縱向壓力為1200 kN時車鉤發(fā)生失穩(wěn)，輪軸橫向力也在失穩(wěn)后達(dá)到限值。將二系懸掛橫向剛度增大至原參數(shù)的一倍后，機(jī)車輪軸橫向力和脫軌系數(shù)顯著降低，車鉤轉(zhuǎn)角也穩(wěn)定在8°自由擺角。而繼續(xù)增大二系橫向剛度，車鉤轉(zhuǎn)角均能穩(wěn)定于車鉤自由擺角，而輪軸橫向力和脫軌系數(shù)則不斷增大，當(dāng)二系懸掛橫向剛度達(dá)到原機(jī)車4倍時，輪軸橫向力再次接近限值，機(jī)車運(yùn)行安全性裕量較小。由此可看出，適當(dāng)提高二系懸掛橫向剛度，從而避免車鉤擋肩承受過大的縱向壓力，可改善機(jī)車在較大車鉤自由角條件下的運(yùn)行安全性能。

4 結(jié)論

本文分析了擋肩式102車鉤的穩(wěn)鉤原理，建立了機(jī)車動力學(xué)模型以及擋肩式鉤緩裝置力學(xué)模型，分析了壓鉤狀態(tài)下大車鉤自由角對機(jī)車運(yùn)行性能的影響，并研究了車鉤自由角為8°時機(jī)車二系懸掛橫向剛度的匹配情況，分析結(jié)果表明：

（1）當(dāng)車鉤自由角為6°、7°時，車鉤穩(wěn)定性及重載機(jī)車直線運(yùn)行安全性均較好，隨著縱向壓鉤力的增加，輪軸橫向力基本保持不變，而車鉤擋肩力隨之增大，且所占縱向壓鉤力的比重也越來越大；

圖7 不同橫向剛度下各動力學(xué)指標(biāo)的時域圖

（2）隨著車鉤自由角的增大，輪軸橫向力及車鉤擋肩力呈增大趨勢。當(dāng)車鉤自由角為8°、縱向壓鉤力為1200 kN時，由于擋肩力比重過大導(dǎo)致車鉤發(fā)生失穩(wěn)，輪軸橫向力也達(dá)到限值；

（3）適當(dāng)增加二系懸掛橫向剛度，可降低鉤肩力的承力大小，提高大車鉤自由角下的車鉤穩(wěn)定能力，保證列車的運(yùn)行安全性。

[1]封全保，楊俊杰，劉建新. 大秦線重載列車中機(jī)車安全性的探索[J]. 鐵道機(jī)車車輛，2008，28（S1）：149-151，257.

[2]王開云，張瑞，陳再剛，等. 車鉤箱位置誤差對重載機(jī)車動態(tài)性能的影響[J]. 西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，51（6）：1041-1046.

[3]張瑞. 重載機(jī)車車鉤箱位置誤差對機(jī)車動態(tài)性能的影響[D]. 成都：西南交通大學(xué)，2016.

[4]馬衛(wèi)華，楊俊杰，羅世輝，等. 重載機(jī)車采用不同車鉤時的穩(wěn)鉤能力比較[J]. 內(nèi)燃機(jī)車，2010（5）：5-9，1.

[5]Lv K，Wang K，Chen Z，et al. The effect of the secondary lateral stopper on the compressed stability of the couplers and running safety of the locomotives [J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，Part F:Journal of Rail and Rapid Transit，2018，232（3）：851-862.

[6]Shi Z，Wang K，Guo L，et al. Effect of arc surfaces friction coefficient on coupler stability in heavy haul locomotives： simulation and experiment [J]. Vehicle System Dynamics，2017，55（9）：1368-1383.

[7]Guo L，Wang K，Chen Z，et al. Analysis of the car body stability performance after coupler jack-knifing during braking [J]. Vehicle system dynamics，2018，56（6）：900-922.

[8]Guo L，Wang K. Analysis of coupler jackknifing and its effect on locomotives on a tangent track [J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，Part F：Journal of Rail and Rapid Transit，2018，232（5）： 1559-1573.

[9]Yao Y，Zhang X，Zhang H，et al. The stability mechanism and its application to heavy-haul couplers with arc surface contact [J]. Vehicle system dynamics，2013，51（9）：1324-1341.

[10]王開云，翟婉明. 縱向壓力作用下重載機(jī)車與軌道的動態(tài)相互作用[J]. 西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，44（1）：7-12.

[11]丁奧，王勇，吳佳佳，等. 基于SIMPACK的鐵道車輛曲線通過能力研究[J]. 機(jī)械，2019，46（4）：37-41.

[12]許期英，馬衛(wèi)華，王娜娜. 重載機(jī)車曲線通過時車鉤偏轉(zhuǎn)行為研究[J]. 中國鐵道科學(xué)，2013，34（2）：87-94.

[13]曲天威，許自強(qiáng)，馬衛(wèi)華. 圓銷車鉤自由轉(zhuǎn)角與車體參數(shù)匹配性的研究[J]. 西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，50（2）：247-255.

[14]翟婉明. 貨物列車動力學(xué)性能評定標(biāo)準(zhǔn)的研究與建議方案（續(xù)一）——輪軌橫向力評定標(biāo)準(zhǔn)[J]. 鐵道車輛，2002（2）：9-10，25-1.

[15]TB/T 2360－93，鐵道機(jī)車動力學(xué)性能試驗(yàn)鑒定方法及評定標(biāo)準(zhǔn)[S].

Influence of Free Angle of Coupler with Restoring Bump Stop on the Braking Safety of Heavy Haul Locomotive

HE Yongqiang1，CHEN Zhang1，ZHOU Kun2，WANG Kaiyun2，LV Kaikai2，ZHOU Yichang2

( 1.State Key Laboratory of Heavy Duty AC Drive Electric Locomotive Systems Integration, Zhuzhou 412001, China; 2.State Key Laboratory of Traction Power, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China; 3.CRRC Zhuzhou Locomotive Co.,Ltd., Zhuzhou 412001, China )

For locomotive using the coupler with restoring bump stop, larger coupler free angle will cause excessive lateral force, which affects the running stability of locomotive. The stabilizing mechanism of coupler was analyzed in this paper. A dynamic simulation model of heavy haul locomotive as well as 102 coupler with restoring bump stop was built to study the coupler stability and locomotive running safety with the coupler free angle equaling 6, 7 and 8 degrees respectively. The simulation results show that the locomotive service requirement is satisfied on straight track under the longitudinal pressure when coupler free angles equal to 6 and 7 degrees. When the coupler free angle is 8 degrees and the longitudinal pressure is 1200 kN, the coupler instability occurs, which is caused by the overlarge coupler shoulder force. The coupler stability and locomotive running safty would be improved by increasing the lateral stiffness of secondary suspension appropriately.

heavy haul locomotive；coupler with restoring bump stop；running safety；coupler free angle；lateral stiffness of secondary suspension

U292.92+1

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2020.12.004

1006－0316 (2020) 12－0022－06

2019－11－18

國家杰出青年科學(xué)基金（51825504）；大功率交流傳動電力機(jī)車系統(tǒng)集成國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題（2017ZJKF07）

何永強(qiáng)（1979－），男，湖南新化人，高級工程師，主要研究方向?yàn)闄C(jī)車服役性技術(shù)。*通訊作者：周坤（1995－），男，山東濟(jì)寧人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)橹剌d列車系統(tǒng)動力學(xué)，E-mail：zhou17828115036@163.com。