2萬(wàn)t重載組合列車中部機(jī)車車鉤分離問(wèn)題研究

張志超，李 谷，儲(chǔ)高峰，韓 樂(lè)，祖宏林

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 機(jī)車車輛研究所，北京 100081）

重載鐵路運(yùn)輸具有運(yùn)量大、效率高和成本低等明顯優(yōu)勢(shì)，是世界各國(guó)大宗貨物運(yùn)輸?shù)闹饕绞健＼囥^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(duì)于重載鐵路運(yùn)輸安全具有重要意義。機(jī)車與貨車斷鉤、脫鉤等車鉤分離問(wèn)題［1-7］是制約重載列車技術(shù)發(fā)展的重要因素。我國(guó)2 萬(wàn)t重載組合列車曾出現(xiàn)過(guò)多起中部從控機(jī)車與前后連掛車輛間的車鉤分離事故，導(dǎo)致分離列車長(zhǎng)時(shí)間占用區(qū)間，嚴(yán)重影響了正常運(yùn)輸秩序。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，車鉤分離事故在2007年至2009年間先后發(fā)生過(guò)18 起，2018年至2019年間共發(fā)生過(guò)4 起，均發(fā)生在列車中部從控機(jī)車與相鄰車輛之間［1］。

通過(guò)對(duì)機(jī)車車輛檢修運(yùn)用、列車操控、運(yùn)行線路質(zhì)量、車鉤狀態(tài)檢查等多方面相關(guān)資料的梳理歸納，總結(jié)出車鉤分離問(wèn)題的幾個(gè)明顯特征［1，8］：①車鉤分離問(wèn)題均發(fā)生在列車中部從控機(jī)車，且均為同一型號(hào)機(jī)車；②中部機(jī)車后鉤與后節(jié)車輛前鉤的分離問(wèn)題均發(fā)生在長(zhǎng)大下坡區(qū)段循環(huán)制動(dòng)工況，而中部機(jī)車前鉤與前節(jié)車輛后鉤的分離問(wèn)題均發(fā)生在站場(chǎng)啟動(dòng)工況或上坡分相點(diǎn)附近的牽引過(guò)分相工況；③車鉤分離時(shí)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(guān)部件均不存在明顯損傷，表明均是在拉鉤力作用下機(jī)車車鉤從車輛車鉤的上部脫出分離，且拉開時(shí)的車鉤力并未達(dá)到破壞鉤緩結(jié)構(gòu)的巨大程度。

現(xiàn)階段有關(guān)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(yùn)用問(wèn)題調(diào)研分析［2-7］，例如王云華等［3］在總結(jié)豐臺(tái)車輛段貨車車鉤檢修防分離經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，從檢測(cè)工藝、加強(qiáng)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(duì)性改進(jìn)措施。針對(duì)上述2 萬(wàn)t 重載組合列車中部機(jī)車車鉤分離問(wèn)題的研究并不多見［8-11］，伏遠(yuǎn)昱［8］初步分析了列車操縱、縱向力特點(diǎn)、機(jī)車車輛檢修等多方面影響因素，給出了應(yīng)對(duì)車鉤分離問(wèn)題的合理化改進(jìn)建議。凌亮等［9］建立了2 萬(wàn)t重載列車中部機(jī)車-貨車三維動(dòng)力學(xué)模型，通過(guò)數(shù)值仿真研究了車鉤分離問(wèn)題的發(fā)生原因和影響因素，并給出了相應(yīng)的防控機(jī)制。盡管如此，車鉤分離作用機(jī)理至今尚未解釋清楚，該問(wèn)題一直未能得到根本解決。

本文綜合運(yùn)用解析幾何、試驗(yàn)研究、數(shù)值計(jì)算等，并結(jié)合機(jī)車結(jié)構(gòu)特征分析對(duì)車鉤分離問(wèn)題開展了較為系統(tǒng)的作用機(jī)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(gè)根本要素。

1 基于車鉤高度差的幾何解析

重載列車中部機(jī)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(guān)鍵因素。下面采用解析幾何分析方法，計(jì)算機(jī)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(jī)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(jī)車車體動(dòng)態(tài)響應(yīng)、車鉤自身垂向翹曲等。假設(shè)車輛車鉤在縱垂面內(nèi)無(wú)垂向運(yùn)動(dòng)，機(jī)車與車輛在變坡點(diǎn)位置處連掛車鉤幾何位置關(guān)系示意圖如圖1所示。圖中：p為線路變坡點(diǎn)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(diǎn)頭角位移；α3為車鉤與機(jī)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(jī)車車鉤安裝點(diǎn)至車體中心的縱向距離；Lg為車鉤長(zhǎng)度；Lg1為車鉤在車體內(nèi)部分的長(zhǎng)度；Lb為轉(zhuǎn)向架定距的一半。

圖1 變坡線路上機(jī)車與車輛車鉤相對(duì)幾何位置關(guān)系示意圖

機(jī)車與車輛車鉤高度差產(chǎn)生的主要原因如下。

（1）技術(shù)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(jī)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(jī)車正常運(yùn)行振動(dòng)引起的車鉤高度差h3和連掛面垂向轉(zhuǎn)角α2。機(jī)車車體點(diǎn)頭和沉浮運(yùn)動(dòng)會(huì)引起車鉤高度差變化，當(dāng)機(jī)車二系垂向位移全都由車體點(diǎn)頭運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生時(shí)，換算到車鉤位置的垂向位移量為機(jī)車動(dòng)態(tài)響應(yīng)引起的最大車鉤抬升量。設(shè)w1為機(jī)車一系垂向位移，w2為二系垂向位移，根據(jù)幾何關(guān)系計(jì)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(jī)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(shí)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(jì)算公式和表1所列計(jì)算參數(shù)，可以計(jì)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(jì)算參數(shù)

表2 車鉤連掛面高度差和垂向轉(zhuǎn)角計(jì)算表

綜合分析可以得到以下2點(diǎn)結(jié)論。

（1）在考慮初始車鉤高度差75 mm 的工況下，計(jì)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(jī)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(gè)最不利工況下2 個(gè)鉤舌搭接量已經(jīng)很小，存在車鉤拉脫分離可能。

（2）計(jì)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(gè)接觸面摩擦系數(shù)與摩擦角對(duì)照關(guān)系可知，摩擦系數(shù)0.15 時(shí)對(duì)應(yīng)摩擦角為8.54°，因此在鉤頭摩擦面摩擦系數(shù)小于0.15 時(shí)，拉鉤力作用會(huì)使2 個(gè)摩擦面產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，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(shí)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(shí)的摩擦角，因此存在拉鉤力作用下機(jī)車車鉤從貨車車鉤上部拉脫的可能性。

需要說(shuō)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(jī)理需要進(jìn)一步的試驗(yàn)研究和計(jì)算分析。

2 線路試驗(yàn)

為分析2 萬(wàn)t 重載組合列車中部機(jī)車車鉤分離問(wèn)題的產(chǎn)生過(guò)程和原因，開展不同列車操縱方式、運(yùn)行工況的專項(xiàng)線路試驗(yàn)，主要測(cè)試參數(shù)包括中部從控機(jī)車前后車鉤動(dòng)態(tài)位移、機(jī)車懸掛系統(tǒng)動(dòng)態(tài)位移、機(jī)車牽引/電制動(dòng)力、列車管壓力等。測(cè)試項(xiàng)目主要有靜置狀態(tài)下機(jī)車車鉤自由抬升量測(cè)試和列車站場(chǎng)啟動(dòng)、長(zhǎng)大下坡道循環(huán)制動(dòng)緩解工況測(cè)試。

2.1 機(jī)車車鉤自由抬升量測(cè)試

目前，用于重載鐵路運(yùn)輸?shù)? 種主型機(jī)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(wèn)題僅發(fā)生在牽引桿斜向外置機(jī)車上。為了分析牽引桿布置方式與車鉤分離問(wèn)題的關(guān)聯(lián)性，開展靜置狀態(tài)下不同機(jī)車牽引力作用時(shí)的車鉤自由抬升量測(cè)試。具體方法為：重載列車停放于平直道，整個(gè)列車施加空氣制動(dòng)，前部機(jī)車施加牽引力，在機(jī)車前端鉤頭下部設(shè)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(cè)距儀對(duì)準(zhǔn)平板測(cè)量車鉤抬升量，實(shí)測(cè)情況如圖2所示。

圖2 車鉤自由抬升量實(shí)測(cè)情況

2 種類型機(jī)車前端車鉤自由抬升量隨其牽引級(jí)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(jī)車給出牽引力時(shí)將會(huì)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(zhǎng)關(guān)系，當(dāng)其給出97%牽引力時(shí)，車鉤抬升量可達(dá)到21 mm；而牽引桿內(nèi)置機(jī)車在發(fā)揮80%牽引力（牽引級(jí)位高于80%后出現(xiàn)車輪空轉(zhuǎn)打滑無(wú)法穩(wěn)定測(cè)量）時(shí)，測(cè)得前鉤鉤頭最大抬升量?jī)H為4 mm，遠(yuǎn)小于牽引桿外置機(jī)車，并且機(jī)車軸重轉(zhuǎn)移計(jì)算也能得到同樣的結(jié)論［13］。這表明機(jī)車牽引桿布置方式會(huì)對(duì)其車鉤抬升量產(chǎn)生明顯的影響。

圖3 機(jī)車前鉤鉤頭自由抬升量隨牽引級(jí)位變化曲線

牽引桿外置和內(nèi)置機(jī)車受力情況如圖4所示。由圖4可以看出：牽引桿外置機(jī)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(shí)所產(chǎn)生的縱向力會(huì)沿著牽引桿斜向作用于車體兩端底部，當(dāng)機(jī)車處于牽引狀態(tài)時(shí)，前端牽引桿的壓力會(huì)使車體前端在受到縱向頂推力的同時(shí)還受到向上的垂向分力，而后端牽引桿的拉力會(huì)使車體后端在受到縱向牽引力的同時(shí)還受到向下的垂向分力，這2 個(gè)垂向分力會(huì)形成繞車體中心的促進(jìn)車體點(diǎn)頭運(yùn)動(dòng)的合力矩，促使車體出現(xiàn)“前翹后沉”的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，從而增大前鉤車鉤高度差。與此相反，當(dāng)機(jī)車處于電制狀態(tài)時(shí)，機(jī)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(huì)出現(xiàn)“前沉后翹”的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，使后鉤車鉤高度差增大。而牽引桿內(nèi)置機(jī)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(jī)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(duì)車體點(diǎn)頭運(yùn)動(dòng)影響較小；并且由于該合力矩與車體點(diǎn)頭運(yùn)動(dòng)方向相反，會(huì)抵消一部分因機(jī)車牽引/制動(dòng)而產(chǎn)生的點(diǎn)頭運(yùn)動(dòng)，反而會(huì)減小其車鉤抬升量。這正是在牽引/制動(dòng)工況下牽引桿外置機(jī)車的車鉤抬升量明顯大于牽引桿內(nèi)置機(jī)車的根本原因。

圖4 不同機(jī)車牽引桿布置方式下受力情況

2.2 列車站場(chǎng)啟動(dòng)工況測(cè)試

列車在站場(chǎng)啟動(dòng)時(shí)曾發(fā)生2 次車鉤分離問(wèn)題，其特征與線路運(yùn)行時(shí)完全一致，而此時(shí)線路條件、機(jī)車車輛振動(dòng)的影響很小。因此，開展列車不同牽引級(jí)位下站場(chǎng)啟動(dòng)工況測(cè)試是最為關(guān)鍵和有效的途徑，通過(guò)綜合分析車鉤力、車鉤動(dòng)態(tài)位移、機(jī)車牽引力、列車管壓力等參數(shù)探究車鉤分離問(wèn)題的產(chǎn)生原因。

啟動(dòng)試驗(yàn)時(shí)中部機(jī)車前端車鉤跳鉤時(shí)刻的實(shí)測(cè)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)波形和車鉤高度差分別如圖5和圖6所示，中部機(jī)車車鉤分離過(guò)程示意圖如圖7所示。分析可知，列車啟動(dòng)初期中部車輛尚未移動(dòng)，中部機(jī)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(shí)雖然中部機(jī)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(shì)，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(jī)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(jī)車牽引力向后傳遞，前部列車逐漸被主控機(jī)車牽引前行，中部機(jī)車前鉤壓鉤力得到釋放，當(dāng)車鉤力逐漸減小至“過(guò)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(yùn)動(dòng)能量釋放而發(fā)生抬升，也即圖7 中狀態(tài)2 所示，試驗(yàn)中測(cè)得最大動(dòng)態(tài)車鉤高度差變化量達(dá)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(jī)車出現(xiàn)速度差，使得中部機(jī)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(dòng)試驗(yàn)時(shí)中部機(jī)車車鉤動(dòng)態(tài)響應(yīng)波形圖

圖6 啟動(dòng)試驗(yàn)時(shí)中部機(jī)車前鉤出現(xiàn)跳鉤后的車鉤高度差

圖7 中部機(jī)車車鉤分離發(fā)生過(guò)程示意圖

由此可知，中部從控機(jī)車車鉤力由壓轉(zhuǎn)拉的“過(guò)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(guān)鍵性作用。

列車在站場(chǎng)啟動(dòng)時(shí)中部機(jī)車前端車鉤高度差變化量隨牽引級(jí)位變化的散點(diǎn)圖如圖8所示。由圖8可以看出，試驗(yàn)中車鉤高度差變化量雖具有一定的隨機(jī)性，但基本上隨著機(jī)車牽引級(jí)位的增大而逐漸增大。

圖8 列車啟動(dòng)試驗(yàn)時(shí)前鉤車鉤高度差變化量隨牽引力變化散點(diǎn)圖

2.3 循環(huán)制動(dòng)緩解工況測(cè)試

長(zhǎng)大下坡道車鉤分離問(wèn)題均發(fā)生在循環(huán)制動(dòng)緩解過(guò)程，試驗(yàn)中在2 個(gè)長(zhǎng)大下坡道區(qū)段開展了不同操縱方式的循環(huán)制動(dòng)緩解工況測(cè)試。典型循環(huán)制動(dòng)工況下從控機(jī)車車鉤縱向力和動(dòng)態(tài)位移響應(yīng)波形如圖9所示。由圖9可以看出：列車緩解開始時(shí)刻從控機(jī)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(guò)零”時(shí)刻；具體來(lái)說(shuō)，緩解開始后，前半列車輛由于同時(shí)得到頭部主控機(jī)車和中部從控機(jī)車的雙向充風(fēng)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(jī)車的單向充風(fēng)而較慢緩解，從而使中部機(jī)車車鉤力由壓鉤力逐步轉(zhuǎn)為拉鉤力。從緩解開始時(shí)刻到“過(guò)零”時(shí)刻的16 s間隔時(shí)間與機(jī)車LKJ記錄的從緩解開始至車鉤分離發(fā)生的間隔時(shí)間基本一致，這說(shuō)明車鉤力“過(guò)零”時(shí)刻至關(guān)重要；其后端車鉤分離過(guò)程與2.2 小節(jié)中站場(chǎng)啟動(dòng)工況中前端車鉤分離過(guò)程基本一致，這里不再贅述。

圖9 長(zhǎng)大下坡道循環(huán)制動(dòng)緩解工況車鉤動(dòng)態(tài)響應(yīng)波形

3 數(shù)值計(jì)算

在通過(guò)線路試驗(yàn)研究大致明確中部機(jī)車車鉤分離問(wèn)題產(chǎn)生原因的基礎(chǔ)上，本節(jié)建立了用于模擬車鉤分離過(guò)程的動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型，分析了鉤頭摩擦系數(shù)、機(jī)車牽引/電制動(dòng)力、車鉤初始高度差等因素對(duì)車鉤高度差變化量的影響。

采用子結(jié)構(gòu)方法建立重載機(jī)車車鉤分離分析動(dòng)力學(xué)模型，包含機(jī)車子結(jié)構(gòu)、連掛100 型車鉤緩沖器子結(jié)構(gòu)以及簡(jiǎn)化貨列，其中牽引桿外置機(jī)車可簡(jiǎn)化為由車體、構(gòu)架、輪對(duì)、軸箱、驅(qū)動(dòng)單元等質(zhì)量體和彈簧、阻尼元件構(gòu)成的多剛體動(dòng)力學(xué)模型，整個(gè)動(dòng)力學(xué)模型共計(jì)60個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度；連掛100型車鉤緩沖器子結(jié)構(gòu)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(guān)系，能夠更加準(zhǔn)確模擬縱向力作用下車鉤鉤頭的接觸摩擦、垂向運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；軌道不平順采用實(shí)測(cè)得到的軌道幾何不平順，具體動(dòng)力學(xué)模型如圖10所示。

圖10 車鉤分離分析動(dòng)力學(xué)模型

機(jī)車電制動(dòng)力通過(guò)輪軸處施加電機(jī)扭矩的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，機(jī)車滿級(jí)電制時(shí)單軸電制動(dòng)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(dòng)力輸入曲線假設(shè)為每軸電機(jī)扭矩在0～3 s時(shí)間內(nèi)從0 線性增大至36 kN·m，在3～30 s 時(shí)間內(nèi)始終保持為36 kN·m。不同電制級(jí)位的電制動(dòng)力輸入曲線通過(guò)該滿級(jí)電制輸入曲線乘以對(duì)應(yīng)級(jí)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(guò)程，在機(jī)車前端施加實(shí)測(cè)車鉤力。

假設(shè)列車運(yùn)行速度為50 km·h-1，機(jī)車電制級(jí)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(shè)為35 和75 mm，分別計(jì)算不同機(jī)車電制級(jí)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(jí)位為100%、摩擦系數(shù)為0.25、初始車鉤高度差為75 mm 時(shí)的車鉤高度差計(jì)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(guò)零狀態(tài)下，機(jī)車電制動(dòng)力持續(xù)作用，車鉤高度差會(huì)有1個(gè)階躍式變化，與實(shí)測(cè)的跳鉤現(xiàn)象一致。

圖11 車鉤高度差計(jì)算波形

不同車鉤初始高度差時(shí)車鉤高度差變化量隨機(jī)車電制級(jí)位的變化曲線如圖12所示。由圖12可以看出：隨著機(jī)車電制級(jí)位的增大，車鉤高度差變化量呈現(xiàn)明顯的增大趨勢(shì)，并且不同車鉤初始高度差時(shí)，車鉤高度差變化量相差不大。這表明機(jī)車電制動(dòng)力對(duì)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(jī)車電制級(jí)位變化曲線

不同機(jī)車電制級(jí)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(jī)車電制級(jí)位下跳鉤量都呈略有增大變化規(guī)律，鉤頭摩擦系數(shù)對(duì)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(duì)于牽引桿外置機(jī)車而言，其車鉤高度差變化量的主要影響因素是機(jī)車電制動(dòng)力，鉤頭間摩擦系數(shù)和車鉤初始高度差的影響作用相對(duì)有限。但是，車鉤實(shí)際高度差與初始高度差是直接相關(guān)的，運(yùn)用檢修時(shí)需要嚴(yán)格控制車鉤初始高度差。

4 車鉤分離發(fā)生規(guī)律的機(jī)理

通過(guò)以上車鉤分離問(wèn)題的解析幾何、線路試驗(yàn)以及數(shù)值計(jì)算分析，并結(jié)合機(jī)車牽引桿結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析，可以明確車鉤分離問(wèn)題的作用機(jī)理如下。

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

（2）機(jī)車置于組合列車中部從控位時(shí)，大的拉、壓鉤力在兩鉤舌嚙合處將會(huì)產(chǎn)生較大的摩擦力來(lái)抑制車鉤向上抬起，不會(huì)出現(xiàn)跳鉤現(xiàn)象。而受列車縱向慣性力作用，當(dāng)頂鉤的源動(dòng)力并未撤除而車鉤力卻出現(xiàn)“過(guò)零”點(diǎn)時(shí)，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(jī)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(jī)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(jī)理分析可得到車鉤分離問(wèn)題發(fā)生的3個(gè)關(guān)鍵要素：①中部機(jī)車車鉤出現(xiàn)由壓鉤到拉鉤的轉(zhuǎn)換過(guò)程，車鉤力處于“過(guò)零”狀態(tài)；②牽引或電制動(dòng)力在車鉤下方牽引銷處產(chǎn)生了垂向分力，向上頂推機(jī)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(jī)車與車輛車鉤呈傾斜狀態(tài)拉開。這3個(gè)要素同時(shí)出現(xiàn)將可能造成車鉤分離。

5 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)2 萬(wàn)t 重載組合列車中部從控機(jī)車車鉤分離問(wèn)題，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、解析幾何分析、線路試驗(yàn)研究和數(shù)值仿真計(jì)算等方法系統(tǒng)研究了其產(chǎn)生原因、作用機(jī)理和影響因素，最終明確了車鉤分離問(wèn)題的3個(gè)關(guān)鍵要素，也即車鉤力“過(guò)零”狀態(tài)、牽引/電制動(dòng)力在車鉤處垂向分力、車鉤彈跳后大的拉鉤力。當(dāng)3 個(gè)要素同時(shí)出現(xiàn)時(shí)將會(huì)出現(xiàn)跳鉤現(xiàn)象，并可能導(dǎo)致車鉤分離。組合列車運(yùn)行過(guò)程中，該車鉤分離3個(gè)要素同時(shí)出現(xiàn)可能性較大的區(qū)段為整列車處于長(zhǎng)大下坡地段制動(dòng)緩解過(guò)程和整列車處于上坡地段的過(guò)分相過(guò)程，以及站場(chǎng)列車啟動(dòng)過(guò)程。