2萬t重載組合列車中部機車車鉤分離問題研究

張志超，李 谷，儲高峰，韓 樂，祖宏林

（中國鐵道科學研究院集團有限公司 機車車輛研究所，北京 100081）

重載鐵路運輸具有運量大、效率高和成本低等明顯優(yōu)勢，是世界各國大宗貨物運輸?shù)闹饕绞?。車鉤緩沖裝置作為重載列車車輛間連接裝置，其可靠性和安全性對于重載鐵路運輸安全具有重要意義。機車與貨車斷鉤、脫鉤等車鉤分離問題［1-7］是制約重載列車技術發(fā)展的重要因素。我國2 萬t重載組合列車曾出現(xiàn)過多起中部從控機車與前后連掛車輛間的車鉤分離事故，導致分離列車長時間占用區(qū)間，嚴重影響了正常運輸秩序。據(jù)不完全統(tǒng)計，車鉤分離事故在2007年至2009年間先后發(fā)生過18 起，2018年至2019年間共發(fā)生過4 起，均發(fā)生在列車中部從控機車與相鄰車輛之間［1］。

通過對機車車輛檢修運用、列車操控、運行線路質(zhì)量、車鉤狀態(tài)檢查等多方面相關資料的梳理歸納，總結(jié)出車鉤分離問題的幾個明顯特征［1，8］：①車鉤分離問題均發(fā)生在列車中部從控機車，且均為同一型號機車；②中部機車后鉤與后節(jié)車輛前鉤的分離問題均發(fā)生在長大下坡區(qū)段循環(huán)制動工況，而中部機車前鉤與前節(jié)車輛后鉤的分離問題均發(fā)生在站場啟動工況或上坡分相點附近的牽引過分相工況；③車鉤分離時鉤舌均為鎖閉狀態(tài)，鉤舌嚙合面留下的滑擦痕跡位于鉤舌內(nèi)側(cè)表面底部，車鉤、緩沖器及相關部件均不存在明顯損傷，表明均是在拉鉤力作用下機車車鉤從車輛車鉤的上部脫出分離，且拉開時的車鉤力并未達到破壞鉤緩結(jié)構的巨大程度。

現(xiàn)階段有關車鉤的研究大都集中在鉤舌斷裂、車鉤裂紋、安裝檢修不到位等運用問題調(diào)研分析［2-7］，例如王云華等［3］在總結(jié)豐臺車輛段貨車車鉤檢修防分離經(jīng)驗基礎上，從檢測工藝、加強工序互控等方面提出了貨車13 型上作用車鉤防分離故障的針對性改進措施。針對上述2 萬t 重載組合列車中部機車車鉤分離問題的研究并不多見［8-11］，伏遠昱［8］初步分析了列車操縱、縱向力特點、機車車輛檢修等多方面影響因素，給出了應對車鉤分離問題的合理化改進建議。凌亮等［9］建立了2 萬t重載列車中部機車-貨車三維動力學模型，通過數(shù)值仿真研究了車鉤分離問題的發(fā)生原因和影響因素，并給出了相應的防控機制。盡管如此，車鉤分離作用機理至今尚未解釋清楚，該問題一直未能得到根本解決。

本文綜合運用解析幾何、試驗研究、數(shù)值計算等，并結(jié)合機車結(jié)構特征分析對車鉤分離問題開展了較為系統(tǒng)的作用機理研究和影響因素分析，最終提出了車鉤分離發(fā)生所需的3個根本要素。

1 基于車鉤高度差的幾何解析

重載列車中部機車車鉤在縱向力作用下出現(xiàn)超常高度差是發(fā)生車鉤分離的關鍵因素。下面采用解析幾何分析方法，計算機車與貨車車輛連掛車鉤之間在多因素組合工況下可能出現(xiàn)的最大高度差和最大連掛面垂向轉(zhuǎn)角，從而判斷機車車鉤從車輛車鉤上部拉脫的可能性。

車鉤高度差的影響因素主要包括：初始車鉤高度差、線路坡度變化值（變坡差）、機車車體動態(tài)響應、車鉤自身垂向翹曲等。假設車輛車鉤在縱垂面內(nèi)無垂向運動，機車與車輛在變坡點位置處連掛車鉤幾何位置關系示意圖如圖1所示。圖中：p為線路變坡點的變坡差；α1為線路變坡引起的車鉤連掛面垂向轉(zhuǎn)角；α2為車體點頭角位移；α3為車鉤與機車車體鉤框垂向間隙dg所決定的車鉤最大垂向偏轉(zhuǎn)角；Lc為機車車鉤安裝點至車體中心的縱向距離；Lg為車鉤長度；Lg1為車鉤在車體內(nèi)部分的長度；Lb為轉(zhuǎn)向架定距的一半。

圖1 變坡線路上機車與車輛車鉤相對幾何位置關系示意圖

機車與車輛車鉤高度差產(chǎn)生的主要原因如下。

（1）技術規(guī)范［12］所允許的最大車鉤高度差h1。在車輛為滿載重車狀況下，車輛車鉤高度低于機車，允許最大車鉤高度差為75 mm。

（2）線路變坡差引起的車鉤高度差h2和連掛面垂向轉(zhuǎn)角α1分別為

（3）機車正常運行振動引起的車鉤高度差h3和連掛面垂向轉(zhuǎn)角α2。機車車體點頭和沉浮運動會引起車鉤高度差變化，當機車二系垂向位移全都由車體點頭運動產(chǎn)生時，換算到車鉤位置的垂向位移量為機車動態(tài)響應引起的最大車鉤抬升量。設w1為機車一系垂向位移，w2為二系垂向位移，根據(jù)幾何關系計算可得

（4）車鉤與車體鉤框垂向間隙產(chǎn)生的車鉤高度差h4和連掛面垂向轉(zhuǎn)角α3。機車鉤身上部與車體沖擊座之間存在42 mm 的垂向間隙，該間隙的存在使得車鉤在受到外力作用時可上翹一定角度，從而產(chǎn)生車鉤高度差和垂向轉(zhuǎn)角，分別為

根據(jù)以上計算公式和表1所列計算參數(shù)，可以計算得到多因素最不利工況的最大可能車鉤高度差和連掛面垂向轉(zhuǎn)角見表2。

表1 車鉤高度差計算參數(shù)

表2 車鉤連掛面高度差和垂向轉(zhuǎn)角計算表

綜合分析可以得到以下2點結(jié)論。

（1）在考慮初始車鉤高度差75 mm 的工況下，計算所得變坡線路上車鉤連掛面最大可能車鉤高度差為274.3 mm。機車100 型車鉤鉤舌高度為300 mm，貨車16/17 型車鉤鉤舌高度為280 mm，保證鉤舌搭接的車鉤高度差最大允許值為290 mm。因此在這個最不利工況下2 個鉤舌搭接量已經(jīng)很小，存在車鉤拉脫分離可能。

（2）計算所得變坡線路上車鉤連掛面最大垂向轉(zhuǎn)角為8.90°。根據(jù)2 個接觸面摩擦系數(shù)與摩擦角對照關系可知，摩擦系數(shù)0.15 時對應摩擦角為8.54°，因此在鉤頭摩擦面摩擦系數(shù)小于0.15 時，拉鉤力作用會使2 個摩擦面產(chǎn)生相對滑動，可能發(fā)生車鉤鉤舌相互滑脫現(xiàn)象。

由此可知，在各因素產(chǎn)生的車鉤高度差同時作用的情況下，車鉤連掛面高度差已接近其最大允許值290 mm，且連掛面最大垂向轉(zhuǎn)角也大于鉤舌摩擦面摩擦系數(shù)0.15 時的摩擦角，因此存在拉鉤力作用下機車車鉤從貨車車鉤上部拉脫的可能性。

需要說明的是，本節(jié)僅采用解析幾何方法明確了車鉤分離發(fā)生的可能性，而其具體影響因素、作用機理需要進一步的試驗研究和計算分析。

2 線路試驗

為分析2 萬t 重載組合列車中部機車車鉤分離問題的產(chǎn)生過程和原因，開展不同列車操縱方式、運行工況的專項線路試驗，主要測試參數(shù)包括中部從控機車前后車鉤動態(tài)位移、機車懸掛系統(tǒng)動態(tài)位移、機車牽引/電制動力、列車管壓力等。測試項目主要有靜置狀態(tài)下機車車鉤自由抬升量測試和列車站場啟動、長大下坡道循環(huán)制動緩解工況測試。

2.1 機車車鉤自由抬升量測試

目前，用于重載鐵路運輸?shù)? 種主型機車分別采用牽引桿斜向外置和斜向內(nèi)置2 種截然不同的布置方式，而車鉤分離問題僅發(fā)生在牽引桿斜向外置機車上。為了分析牽引桿布置方式與車鉤分離問題的關聯(lián)性，開展靜置狀態(tài)下不同機車牽引力作用時的車鉤自由抬升量測試。具體方法為：重載列車停放于平直道，整個列車施加空氣制動，前部機車施加牽引力，在機車前端鉤頭下部設置1塊調(diào)整為水平狀態(tài)的平板，在鉤頭位置布置垂向激光測距儀對準平板測量車鉤抬升量，實測情況如圖2所示。

圖2 車鉤自由抬升量實測情況

2 種類型機車前端車鉤自由抬升量隨其牽引級位的變化曲線如圖3所示。由圖3可以看出：牽引桿斜向外置機車給出牽引力時將會使前鉤產(chǎn)生明顯的抬升，車鉤抬升量與牽引力基本呈線性增長關系，當其給出97%牽引力時，車鉤抬升量可達到21 mm；而牽引桿內(nèi)置機車在發(fā)揮80%牽引力（牽引級位高于80%后出現(xiàn)車輪空轉(zhuǎn)打滑無法穩(wěn)定測量）時，測得前鉤鉤頭最大抬升量僅為4 mm，遠小于牽引桿外置機車，并且機車軸重轉(zhuǎn)移計算也能得到同樣的結(jié)論［13］。這表明機車牽引桿布置方式會對其車鉤抬升量產(chǎn)生明顯的影響。

圖3 機車前鉤鉤頭自由抬升量隨牽引級位變化曲線

牽引桿外置和內(nèi)置機車受力情況如圖4所示。由圖4可以看出：牽引桿外置機車的牽引桿位于車體兩端且與水平面夾角為6°，該布置方式下牽引/電制工況時所產(chǎn)生的縱向力會沿著牽引桿斜向作用于車體兩端底部，當機車處于牽引狀態(tài)時，前端牽引桿的壓力會使車體前端在受到縱向頂推力的同時還受到向上的垂向分力，而后端牽引桿的拉力會使車體后端在受到縱向牽引力的同時還受到向下的垂向分力，這2 個垂向分力會形成繞車體中心的促進車體點頭運動的合力矩，促使車體出現(xiàn)“前翹后沉”的運動趨勢，從而增大前鉤車鉤高度差。與此相反，當機車處于電制狀態(tài)時，機車車體在前端牽引桿向下垂向分力和后端牽引桿向上垂向分力的共同作用下，會出現(xiàn)“前沉后翹”的運動趨勢，使后鉤車鉤高度差增大。而牽引桿內(nèi)置機車的牽引桿位于車體中部，雖然牽引拉桿與水平面夾角為11°，但牽引桿內(nèi)置方式使得機車牽引/電制工況所產(chǎn)生的垂向分力作用力臂很小，其合力矩對車體點頭運動影響較??；并且由于該合力矩與車體點頭運動方向相反，會抵消一部分因機車牽引/制動而產(chǎn)生的點頭運動，反而會減小其車鉤抬升量。這正是在牽引/制動工況下牽引桿外置機車的車鉤抬升量明顯大于牽引桿內(nèi)置機車的根本原因。

圖4 不同機車牽引桿布置方式下受力情況

2.2 列車站場啟動工況測試

列車在站場啟動時曾發(fā)生2 次車鉤分離問題，其特征與線路運行時完全一致，而此時線路條件、機車車輛振動的影響很小。因此，開展列車不同牽引級位下站場啟動工況測試是最為關鍵和有效的途徑，通過綜合分析車鉤力、車鉤動態(tài)位移、機車牽引力、列車管壓力等參數(shù)探究車鉤分離問題的產(chǎn)生原因。

啟動試驗時中部機車前端車鉤跳鉤時刻的實測動力學響應波形和車鉤高度差分別如圖5和圖6所示，中部機車車鉤分離過程示意圖如圖7所示。分析可知，列車啟動初期中部車輛尚未移動，中部機車前鉤頂推前部車輛，后鉤牽引后部車輛，使其形成“前壓后拉”的車鉤受力狀態(tài)，此時雖然中部機車施加牽引力，前端牽引桿的向上垂向分力具有頂起前鉤的趨勢，但是由于受到壓鉤狀態(tài)下連掛車鉤鉤頭摩擦面的約束作用，機車前鉤并未發(fā)生抬升，正如圖7中的狀態(tài)1；此后隨著主控機車牽引力向后傳遞，前部列車逐漸被主控機車牽引前行，中部機車前鉤壓鉤力得到釋放，當車鉤力逐漸減小至“過零狀態(tài)”瞬間，前鉤鉤頭垂向約束作用消失，前鉤鉤頭因向上運動能量釋放而發(fā)生抬升，也即圖7 中狀態(tài)2 所示，試驗中測得最大動態(tài)車鉤高度差變化量達123 mm；此后隨著列車縱向力的傳遞，前部列車速度的不斷提高，前部列車尾部車輛與中部機車出現(xiàn)速度差，使得中部機車前鉤出現(xiàn)大拉鉤力狀態(tài)，發(fā)生抬升并且已經(jīng)形成翹曲角度的前鉤鉤頭在此大拉鉤力作用下，容易發(fā)生受拉脫鉤現(xiàn)象，如圖7中狀態(tài)3所示。

圖5 啟動試驗時中部機車車鉤動態(tài)響應波形圖

圖6 啟動試驗時中部機車前鉤出現(xiàn)跳鉤后的車鉤高度差

圖7 中部機車車鉤分離發(fā)生過程示意圖

由此可知，中部從控機車車鉤力由壓轉(zhuǎn)拉的“過零狀態(tài)”以及牽引桿外置方式引起的向上頂起車鉤的垂向分力在車鉤跳鉤現(xiàn)象中具有關鍵性作用。

列車在站場啟動時中部機車前端車鉤高度差變化量隨牽引級位變化的散點圖如圖8所示。由圖8可以看出，試驗中車鉤高度差變化量雖具有一定的隨機性，但基本上隨著機車牽引級位的增大而逐漸增大。

圖8 列車啟動試驗時前鉤車鉤高度差變化量隨牽引力變化散點圖

2.3 循環(huán)制動緩解工況測試

長大下坡道車鉤分離問題均發(fā)生在循環(huán)制動緩解過程，試驗中在2 個長大下坡道區(qū)段開展了不同操縱方式的循環(huán)制動緩解工況測試。典型循環(huán)制動工況下從控機車車鉤縱向力和動態(tài)位移響應波形如圖9所示。由圖9可以看出：列車緩解開始時刻從控機車后鉤處于壓鉤力狀態(tài)，約16 s以后經(jīng)歷車鉤力由壓轉(zhuǎn)拉的“過零”時刻；具體來說，緩解開始后，前半列車輛由于同時得到頭部主控機車和中部從控機車的雙向充風而較快緩解沿下坡道產(chǎn)生的下滑慣性力，而后半列車輛因只得到了中部機車的單向充風而較慢緩解，從而使中部機車車鉤力由壓鉤力逐步轉(zhuǎn)為拉鉤力。從緩解開始時刻到“過零”時刻的16 s間隔時間與機車LKJ記錄的從緩解開始至車鉤分離發(fā)生的間隔時間基本一致，這說明車鉤力“過零”時刻至關重要；其后端車鉤分離過程與2.2 小節(jié)中站場啟動工況中前端車鉤分離過程基本一致，這里不再贅述。

圖9 長大下坡道循環(huán)制動緩解工況車鉤動態(tài)響應波形

3 數(shù)值計算

在通過線路試驗研究大致明確中部機車車鉤分離問題產(chǎn)生原因的基礎上，本節(jié)建立了用于模擬車鉤分離過程的動力學計算模型，分析了鉤頭摩擦系數(shù)、機車牽引/電制動力、車鉤初始高度差等因素對車鉤高度差變化量的影響。

采用子結(jié)構方法建立重載機車車鉤分離分析動力學模型，包含機車子結(jié)構、連掛100 型車鉤緩沖器子結(jié)構以及簡化貨列，其中牽引桿外置機車可簡化為由車體、構架、輪對、軸箱、驅(qū)動單元等質(zhì)量體和彈簧、阻尼元件構成的多剛體動力學模型，整個動力學模型共計60個運動自由度；連掛100型車鉤緩沖器子結(jié)構采用多邊形接觸方法［14-15］建立鉤頭間接觸摩擦作用、鉤尾與從板間的接觸摩擦作用關系，能夠更加準確模擬縱向力作用下車鉤鉤頭的接觸摩擦、垂向運動狀態(tài)；軌道不平順采用實測得到的軌道幾何不平順，具體動力學模型如圖10所示。

圖10 車鉤分離分析動力學模型

機車電制動力通過輪軸處施加電機扭矩的方式來實現(xiàn)，機車滿級電制時單軸電制動力約為57.5 kN，根據(jù)車輪半徑換算成扭矩為36 kN·m，電制動力輸入曲線假設為每軸電機扭矩在0～3 s時間內(nèi)從0 線性增大至36 kN·m，在3～30 s 時間內(nèi)始終保持為36 kN·m。不同電制級位的電制動力輸入曲線通過該滿級電制輸入曲線乘以對應級位百分比的方式得到。為了模擬連掛車鉤縱向力由壓轉(zhuǎn)拉的變化過程，在機車前端施加實測車鉤力。

假設列車運行速度為50 km·h-1，機車電制級位在40%～120%范圍內(nèi)間隔10%取值，摩擦系數(shù)在0.05～0.45 范圍內(nèi)間隔0.05 取值，初始車鉤高度差分別設為35 和75 mm，分別計算不同機車電制級位、鉤頭摩擦系數(shù)、初始車鉤高度差下的車鉤高度差變化量。較為典型的電制級位為100%、摩擦系數(shù)為0.25、初始車鉤高度差為75 mm 時的車鉤高度差計算波形如圖11所示。由圖11可以看出：在車鉤力由壓轉(zhuǎn)拉的過零狀態(tài)下，機車電制動力持續(xù)作用，車鉤高度差會有1個階躍式變化，與實測的跳鉤現(xiàn)象一致。

圖11 車鉤高度差計算波形

不同車鉤初始高度差時車鉤高度差變化量隨機車電制級位的變化曲線如圖12所示。由圖12可以看出：隨著機車電制級位的增大，車鉤高度差變化量呈現(xiàn)明顯的增大趨勢，并且不同車鉤初始高度差時，車鉤高度差變化量相差不大。這表明機車電制動力對跳鉤量具有明顯影響作用，而車鉤初始高度差的影響很小。

圖12 車鉤高度差變化量隨機車電制級位變化曲線

不同機車電制級位下車鉤高度差變化量隨鉤頭接觸面摩擦系數(shù)的變化曲線如圖13所示。由圖13可以看出：隨著摩擦系數(shù)的增大，不同機車電制級位下跳鉤量都呈略有增大變化規(guī)律，鉤頭摩擦系數(shù)對跳鉤量的影響十分有限。

圖13 車鉤高度差變化量隨鉤頭摩擦系數(shù)變化曲線

綜合分析可知，對于牽引桿外置機車而言，其車鉤高度差變化量的主要影響因素是機車電制動力，鉤頭間摩擦系數(shù)和車鉤初始高度差的影響作用相對有限。但是，車鉤實際高度差與初始高度差是直接相關的，運用檢修時需要嚴格控制車鉤初始高度差。

4 車鉤分離發(fā)生規(guī)律的機理

通過以上車鉤分離問題的解析幾何、線路試驗以及數(shù)值計算分析，并結(jié)合機車牽引桿結(jié)構特點分析，可以明確車鉤分離問題的作用機理如下。

（1）采用牽引桿斜向外置方式的機車，牽引工況下前端牽引桿垂向分力會成為前鉤被頂起的源動力，電制工況下后端牽引桿垂向分力會成為后鉤被頂起的源動力。

（2）機車置于組合列車中部從控位時，大的拉、壓鉤力在兩鉤舌嚙合處將會產(chǎn)生較大的摩擦力來抑制車鉤向上抬起，不會出現(xiàn)跳鉤現(xiàn)象。而受列車縱向慣性力作用，當頂鉤的源動力并未撤除而車鉤力卻出現(xiàn)“過零”點時，鉤頭間摩擦力迅速減小消失，集聚在車鉤下方的頂推能量得以瞬間釋放，車鉤迅速抬升出現(xiàn)較大車鉤高度差。

（3）隨后若中部機車出現(xiàn)較大的拉鉤力，在車鉤高度差和拉鉤力的共同作用下，機車車鉤向上傾斜，車輛車鉤向下傾斜，兩者鉤舌嚙合面不能保持良好的接觸摩擦狀態(tài)，容易被拉開而分離。

根據(jù)上述作用機理分析可得到車鉤分離問題發(fā)生的3個關鍵要素：①中部機車車鉤出現(xiàn)由壓鉤到拉鉤的轉(zhuǎn)換過程，車鉤力處于“過零”狀態(tài)；②牽引或電制動力在車鉤下方牽引銷處產(chǎn)生了垂向分力，向上頂推機車車鉤，在鉤頭間摩擦力釋放的瞬間使鉤頭向上抬升形成很大的車鉤高度差；③在車鉤高度差已經(jīng)很大的情況下，較大的縱向拉鉤力可以將機車與車輛車鉤呈傾斜狀態(tài)拉開。這3個要素同時出現(xiàn)將可能造成車鉤分離。

5 結(jié) 語

針對2 萬t 重載組合列車中部從控機車車鉤分離問題，通過現(xiàn)場調(diào)研、解析幾何分析、線路試驗研究和數(shù)值仿真計算等方法系統(tǒng)研究了其產(chǎn)生原因、作用機理和影響因素，最終明確了車鉤分離問題的3個關鍵要素，也即車鉤力“過零”狀態(tài)、牽引/電制動力在車鉤處垂向分力、車鉤彈跳后大的拉鉤力。當3 個要素同時出現(xiàn)時將會出現(xiàn)跳鉤現(xiàn)象，并可能導致車鉤分離。組合列車運行過程中，該車鉤分離3個要素同時出現(xiàn)可能性較大的區(qū)段為整列車處于長大下坡地段制動緩解過程和整列車處于上坡地段的過分相過程，以及站場列車啟動過程。