擋肩式車鉤自由擺角對重載機車制動安全性能的影響

何永強，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車制動安全性能的影響

何永強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車系統集成國家重點實驗室，湖南 株洲 412001；2.西南交通大學 牽引動力國家重點實驗室，四川 成都 610031；3.中車株洲電力機車有限公司，湖南 株洲 412001）

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

重載機車；擋肩式車鉤；行車安全性；車鉤自由擺角；二系懸掛橫向剛度

我國現已開通的2萬噸鐵路運輸列車，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，將產生很大的縱向沖動。列車縱向動力學仿真計算結果及線路試驗表明，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在中部機車[1]。此外，重載機車采用的擋肩式102車鉤在運輸過程中由于制動作用會發生擋肩磨耗，造成車鉤自由角進一步增大，在大縱向壓鉤力下，若車鉤自由角過大，易導致車鉤失穩、輪軸橫向力超標等現象，甚至導致機車脫軌。由此表明，車鉤擺角對列車運行安全性的影響也日趨明顯。

文獻[2-3]分析了制動狀態下，不同的車鉤箱安裝位置誤差對機車動態性能的影響；文獻[4]分析了擋肩式車鉤和摩擦式車鉤的穩鉤機理，并指出擋肩式車鉤可承受更大的縱向壓鉤力；文獻[5-9]對摩擦式車鉤與機車的相互作用關系作了深入研究，分析了車體懸掛參數、車鉤結構參數對機車運行穩定性的影響，并有效地結合試驗確保結論的可靠性；文獻[10]運用機車車輛－軌道耦合動力學理論，分析了車鉤自由角為3°時縱向壓力對機車軌道系統的動力學性能影響；文獻[11]分析了車輛通過曲線時的車鉤偏轉情況，認為S型曲線是連掛車輛通過曲線最困難的工況；文獻[12-13]通過對實際鉤頭輪廓曲線進行數據離散，從而建立起具有完整鉤頭輪廓面的車鉤模型，在此基礎上分別對曲線上的車鉤偏轉行為以及車鉤自由角與機車參數匹配關系進行了深入研究。

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

1 102車鉤穩鉤機理

如圖1所示，102型車鉤結構主要由車鉤、緩沖器、鉤尾框、從板等組成，其中車鉤鉤尾銷兩側設有擋肩結構，在車鉤擋肩與前從板接觸時提供止擋力限制車鉤的進一步偏轉。

圖1 102型車鉤結構圖

列車在受壓狀態下，機車車體和連掛車鉤會發生偏轉，偏轉后的狀態如圖2所示。

當縱向壓力較小時，車鉤偏轉后的橫向分力主要由機車一、二系懸掛裝置承擔，并最終傳遞到輪軌處；當縱向壓力較大時，機車自身的穩鉤能力不足，需要依靠擋肩與復原塊接觸產生復原力矩，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為車體轉角；β為車鉤相對于車體的轉角（以下簡稱為車鉤轉角）；γ為車鉤相對于軌道中心線的轉角

在縱向壓鉤力作用下，車鉤與車體將發生轉動，而車體中心橫向位移較小（可忽略不計），仍處于軌道中心線上附近。由幾何關系可知，之間應滿足以下關系式：

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

當縱向壓鉤力較小時，車鉤未發生擋肩接觸，主要依靠機車自身的一、二系懸掛來維持車鉤穩定，這種穩鉤能力也稱為機車自穩鉤能力；當縱向壓鉤力較大時，機車自穩鉤能力將不足以維持車鉤的平衡，車鉤將繼續偏轉；當車鉤擋肩與前從板發生接觸后，由于緩沖器阻力的作用，前從板不會發生轉動，車鉤擋肩開始發揮穩鉤作用，阻止車鉤轉角進一步增加。由式（1）～式（3）可知，當車鉤轉角等于自由擺角時，車體轉角與車體相對轉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形成偏轉力矩，使車鉤發生偏轉，擋肩力F與鉤尾銷處的橫向分力F共同產生穩鉤力矩，以抵抗車鉤的轉動。由力矩平衡可知，此時：

隨著縱向壓鉤力的增大，F產生的偏轉力矩增大，由于車鉤擋肩的作用，車鉤轉角保持不變，車體與轉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定，F與F的比值也將隨之增大。當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，前從板將發生較大角度的轉動，車鉤也將發生失穩。

2 機車及102車鉤仿真模型

本文運用SIMPACK軟件，建立機車中部連掛的列車模型，即將機車放在中部，前后與貨車相連。機車采用102車鉤，貨車采用16號車鉤，通過在前后兩節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，從而分析機車及102車鉤在受壓狀態下的動力學性能。完整的列車模型如圖3所示。

2.1 機車動力學模型

單臺重載機車由兩節機車通過102車鉤連掛組成。每節機車共46個自由度，其中輪對6自由度、構架6自由度、電機1個點頭自由度及車體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。由于在直線上運行時兩車鉤鉤舌間基本無相對轉動，故將兩連掛車鉤考慮為一根直桿。車鉤受壓時，當車鉤轉角小于自由角時，車鉤通過鉤尾框作用于前從板上；當車鉤轉角大于自由角時，車鉤鉤肩與前從板上的復原塊接觸，產生復原力矩。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 機車中置列車模型

3 大車鉤自由角機車運行性能分析

3.1 計算工況及評價標準

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

根據文獻[14]中對輪軸橫向力計算限值的規定，對于本文重載機車而言，輪軸橫向力的安全限值為97 kN；脫軌系數限值依據TB/T 2360－93《鐵道機車動力學性能試驗鑒定方法及評定標準》[15]規定取合格等級0.9。

3.2 不同車鉤自由角下機車安全性能分析

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，車鉤轉角均穩定在自由擺角，機車輪軸橫向力最大值分別為50.68 kN、55.37 kN，脫軌系數最大值分別為0.23、0.27，均小于安全限值，滿足行車要求。

圖4 當縱向壓鉤力為1200 kN時，不同車鉤自由角下各動力學指標的時域圖

隨著車鉤自由擺角的增大，擋肩力顯著增加，當自由角為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的增加幅度不大。當車鉤自由擺角為8°時，在24 s附近輪軸橫向力、車鉤轉角等開始明顯上升，之后輪軸橫向力與脫軌系數最大值達到97.97 kN、0.41，車鉤轉角最大值達到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，使前從板發生較大角度轉動，導致車鉤出現失穩趨勢。

如圖5、圖6所示，當縱向壓鉤力為2000 kN時，機車運行安全性滿足要求。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增加趨勢，即車鉤擋肩承擔縱向壓鉤力的比重越來越大。另外，當車鉤自由角由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，車鉤出現失穩，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的車鉤失穩現象。

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 機車二系懸掛橫向剛度對車鉤穩定性影響

由3.2小節分析可知，當車鉤自由角為8°、縱向壓鉤力1200 kN時，由于車鉤鉤肩承擔較大部分縱向力，導致車鉤轉角增大發生失穩，輪軸橫向力也隨之增大。經分析可知，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定性，但過大的二系橫向剛度又會導致輪軸橫向力增加。因此，現將二系橫向懸掛剛度增至原機車的2、3、4倍，其他參數保持不變，仿真結果如圖7所示。

由圖7可得出，原參數機車8°車鉤自由角在縱向壓力為1200 kN時車鉤發生失穩，輪軸橫向力也在失穩后達到限值。將二系懸掛橫向剛度增大至原參數的一倍后，機車輪軸橫向力和脫軌系數顯著降低，車鉤轉角也穩定在8°自由擺角。而繼續增大二系橫向剛度，車鉤轉角均能穩定于車鉤自由擺角，而輪軸橫向力和脫軌系數則不斷增大，當二系懸掛橫向剛度達到原機車4倍時，輪軸橫向力再次接近限值，機車運行安全性裕量較小。由此可看出，適當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，可改善機車在較大車鉤自由角條件下的運行安全性能。

4 結論

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

（1）當車鉤自由角為6°、7°時，車鉤穩定性及重載機車直線運行安全性均較好，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指標的時域圖

（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致車鉤發生失穩，輪軸橫向力也達到限值；

（3）適當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定能力，保證列車的運行安全性。

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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

國家杰出青年科學基金（51825504）；大功率交流傳動電力機車系統集成國家重點實驗室開放課題（2017ZJKF07）

何永強（1979－），男，湖南新化人，高級工程師，主要研究方向為機車服役性技術。*通訊作者：周坤（1995－），男，山東濟寧人，碩士研究生，主要研究方向為重載列車系統動力學，E-mail：zhou17828115036@163.com。