重載貨車用緩沖器選型的研究及分析

劉誠波

(中國(guó)鐵路濟(jì)南局集團(tuán)有限公司 青島機(jī)車車輛監(jiān)造項(xiàng)目部，山東 青島 266031)

目前我國(guó)鐵路貨車裝用的緩沖器主要為MT-2型緩沖器，其他如2號(hào)緩沖器、G2型緩沖器、MX與ST系列緩沖器已基本淘汰完畢。MT-2型緩沖器是從20世紀(jì)90年代初通過原中華人民共和國(guó)鐵道部技術(shù)審查后開始在我國(guó)廣泛裝用的一種摩擦/彈簧式緩沖器，用于取代容量和穩(wěn)定性不足的MX-1型緩沖器[1]。為了滿足我國(guó)鐵路貨運(yùn)載重不斷提升的要求，2006年開發(fā)了性能更好的HN-1型緩沖器，目前主要在部分特種貨車和動(dòng)力集中動(dòng)車組上使用。

1 HN-1型與MT-2型緩沖器性能分析與主要技術(shù)參數(shù)對(duì)比

MT-2型緩沖器是一種摩擦/彈簧式緩沖器，通過楔形角放大彈簧力與摩擦力形成緩沖器阻抗力并吸收能量，容量達(dá)到50 kJ， 滿足7 km/h的安全連掛速度要求，該類緩沖器經(jīng)濟(jì)性好，在1992年得到推廣應(yīng)用。HN-1型緩沖器是采用高性能彈性膠泥芯子作為吸能元件的緩沖器，具有優(yōu)良的動(dòng)態(tài)性能[2]。

HN-1型與MT-2型緩沖器的主要技術(shù)參數(shù)見表1。從技術(shù)參數(shù)上看， HN-1型緩沖器的沖擊速度和容量均顯著優(yōu)于MT-2型緩沖器。HN-1型緩沖器的容量比MT-2型緩沖器的設(shè)計(jì)容量大30 kJ；在保持最大阻抗力2 270 kN不變的條件下，HN-1型緩沖器優(yōu)良的性能曲線使其動(dòng)態(tài)性能比MT-2型緩沖器有顯著提高。另外，HN-1型緩沖器的行程為73 mm，可以安裝在鉤肩間隙為76 mm、車體強(qiáng)度為2 270 kN的貨車上。

表1 HN-1型與MT-2型緩沖器主要技術(shù)參數(shù)

圖1為HN-1型與MT-2型緩沖器落錘性能曲線。從結(jié)構(gòu)特征上看，MT-2型緩沖器的性能取決于金屬零件之間的摩擦特性，金屬零件摩擦副之間的摩擦因數(shù)具有較大的離散性，受壓過程中摩擦副特有的“黏著-滑動(dòng)”造成其性能曲線呈振蕩狀態(tài)，因此，MT-2型緩沖器的性能不穩(wěn)定，且不僅不同批次MT-2型緩沖器的性能相差很大，即使是同批次甚至同一套MT-2型緩沖器落錘試驗(yàn)時(shí)的特性曲線也沒有重復(fù)性。而HN-1型緩沖器的特性曲線取決于彈性膠泥與活塞桿之間的節(jié)流特性，同樣試驗(yàn)條件下性能十分穩(wěn)定，個(gè)體差異極小。

圖1 HN-1型與MT-2型緩沖器落錘性能曲線

對(duì)HN-1型緩沖器進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，在沖擊車與被沖擊車質(zhì)量均為100 t、阻抗力均為2 270 kN條件下，HN-1型緩沖器的最大沖擊速度達(dá)到了10.2 km/h，比MT-2型緩沖器高出近30%。圖2 為HN-1型緩沖器沖擊試驗(yàn)曲線(沖擊速度10.2 km/h)。

圖2 HN-1型緩沖器沖擊試驗(yàn)曲線(沖擊速度10.2 km/h)

由于MT-2型緩沖器阻抗力特性的個(gè)體差異，在成對(duì)使用時(shí)很容易出現(xiàn)一側(cè)緩沖器動(dòng)作頻繁而另一側(cè)緩沖器不動(dòng)作或兩側(cè)動(dòng)作幅度不同的情況，從而導(dǎo)致故障率增加。另外，在運(yùn)用中對(duì)稱布置的緩沖器楔形摩擦塊兩翼的阻抗力形成差異也會(huì)對(duì)緩沖器穩(wěn)定性造成一定影響。2008年中國(guó)鐵道科學(xué)研究院進(jìn)行的車鉤穩(wěn)定性環(huán)行線試驗(yàn)報(bào)告表明，楔形摩擦塊式緩沖器在壓鉤力較大的情況下有導(dǎo)致安全性參數(shù)惡化的傾向，然而采用圓柱導(dǎo)向的膠泥緩沖器在所有工況下的表現(xiàn)均穩(wěn)定可靠。

2 連掛仿真分析

緩沖器的性能主要與連掛工況和列車運(yùn)行工況相關(guān)，列車運(yùn)行工況又與列車總重、編組方式、制動(dòng)機(jī)性能、車鉤間隙、操縱方式等諸多因素有關(guān)。除緊急制動(dòng)和低速緩解等工況外，一般情況下連掛工況的車鉤力比運(yùn)行工況的車鉤力都要小[3]。本文重點(diǎn)以連掛工況對(duì)緩沖器適應(yīng)性要求進(jìn)行仿真計(jì)算。

連掛工況中，多輛車與多輛車連掛、1輛車與1輛車連掛的車鉤力相差不是很大，因此以2輛總重均為92 t的貨車連掛為計(jì)算條件進(jìn)行仿真。分別裝用HN-1、MT-2型緩沖器的車輛在連掛工況下車鉤力與車體縱向加速度的仿真分析結(jié)果見表2。從連掛仿真分析結(jié)果可以看出：HN-1型緩沖器抗沖擊效果優(yōu)于MT-2型緩沖器。

表2 分別裝用HN-1、MT-2型緩沖器在連掛工況下車鉤力與車體縱向加速度仿真分析結(jié)果

3 試驗(yàn)

3.1 沖擊試驗(yàn)

車輛分別裝用HN-1型、MT-2型緩沖器進(jìn)行試驗(yàn)，實(shí)測(cè)的車鉤力和車體縱向加速度情況見表3。 試驗(yàn)結(jié)果顯示，HN-1、MT-2型緩沖器沖擊試驗(yàn)均能滿足設(shè)計(jì)要求，MT-2型緩沖器達(dá)到最大阻抗力2 270 kN時(shí)，沖擊速度為8～9 km/h；HN-1型緩沖器達(dá)到最大阻抗力2 270 kN時(shí)，沖擊速度大于10 km/h，表明HN-1型緩沖器抗沖擊效果更優(yōu)。

表3 分別裝用HN-1、MT-2型緩沖器進(jìn)行沖擊試驗(yàn)實(shí)測(cè)的車鉤力和車體縱向加速度對(duì)比

3.2 重載列車試驗(yàn)

2005年在大秦線多次進(jìn)行了2萬t重載列車試驗(yàn)，試驗(yàn)中在車鉤力最大部位之一的中間機(jī)車分別裝用了MT-2型緩沖器和HN-1型緩沖器。從試驗(yàn)結(jié)果看，HN-1型緩沖器實(shí)測(cè)的車鉤力和車體縱向加速度比MT-2型緩沖器要小且柔和。這說明HN-1型緩沖器比MT-2型緩沖器更能有效減小列車的車鉤力和車體縱向加速度，能更好地保護(hù)車體和貨物，從而減小機(jī)車的車鉤力，保護(hù)機(jī)車和車載設(shè)備。

4 貨車緩沖器選型分析

4.1 沖擊適應(yīng)性分析

從仿真計(jì)算和沖擊試驗(yàn)的結(jié)果看，在連掛工況下，MT-2型緩沖器的車鉤力比HN-1型緩沖器的車鉤力都要大。在5～8 km/h的沖擊速度下，MT-2型緩沖器比HN-1型緩沖器車鉤力增加20%左右，車體縱向加速度增加50%左右；在9～10 km/h的沖擊速度下，MT-2型緩沖器已經(jīng)無法滿足要求。

《鐵路技術(shù)管理規(guī)程》規(guī)定：連掛作業(yè)的速度為5 km/h，而通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，發(fā)現(xiàn)連掛作業(yè)速度在8 km/h左右的很多，有的達(dá)到10 km/h。在8 km/h以上的沖擊速度下，MT-2型緩沖器已經(jīng)無法滿足要求，而HN-1型緩沖器可滿足9 km/h以上的沖擊速度要求，最大可滿足10 km/h的沖擊速度，從而有利于保護(hù)機(jī)車車輛、車載設(shè)備和裝運(yùn)的貨物。

4.2 對(duì)鉤尾框裂損和車體磨耗的影響

從MT-2型緩沖器和HN-1型緩沖器性能特性可知，在車輛運(yùn)行時(shí)，MT-2型緩沖器摩擦副特有的“黏著-滑動(dòng)”造成性能曲線呈振蕩狀態(tài)，加速度幅值明顯超過HN-1型緩沖器，性能存在較大不確定性，會(huì)給鉤尾框磨損與車體磨耗帶來不利影響。從對(duì)已裝用HN-1型緩沖器的黃磷罐車的調(diào)研情況可以看出，由于其良好的緩沖作用，與緩沖器接觸的各個(gè)部位的磨損都非常輕微(圖3)，這也驗(yàn)證了裝用HN-1型緩沖器的車體在運(yùn)用中車鉤力小和穩(wěn)定性優(yōu)良。而且，對(duì)運(yùn)用近9年的HN-1型緩沖器進(jìn)行了返廠檢修，檢修結(jié)果顯示其情況良好，磨損較輕，配套的車鉤、鉤尾框均未發(fā)現(xiàn)裂紋和異常磨耗。

圖3 黃磷罐車上裝用HN-1型緩沖器的磨損情況

4.3 綜合經(jīng)濟(jì)成本分析

從仿真分析與試驗(yàn)結(jié)果可以看出，采用HN-1型緩沖器的車輛運(yùn)行時(shí)的車鉤力水平較低，對(duì)車體與車載設(shè)備、貨物具有良好的保護(hù)作用，可有效減輕鉤尾框出現(xiàn)裂紋的傾向，減少鉤尾框、緩沖器與從板、托板間的磨耗；由于HN-1型緩沖器的金屬零部件具有30年使用壽命，約是MT-2型緩沖器16年壽命的2倍，盡管單個(gè)緩沖器成本比MT-2型緩沖器高，但從機(jī)車車輛整體生命周期中來看，其綜合經(jīng)濟(jì)性更好；采用HN-1型緩沖器的配套車鉤、鉤尾框因阻抗力低且穩(wěn)定，裂損傾向小，磨耗輕，運(yùn)用安全性高，維修費(fèi)用低，在日常檢修中維修任務(wù)小，維修成本低，且檢修周期可由2年延長(zhǎng)到4年，經(jīng)濟(jì)效益明顯提高。

5 結(jié)束語

綜上所述，MT-2型緩沖器由于其制造誤差、運(yùn)用條件的差異，導(dǎo)致性能不穩(wěn)定；個(gè)體差異大，性能離散度高，同一套緩沖器在相同工況下性能差別也很大；而且隨著運(yùn)用時(shí)間的增加，金屬摩擦面的摩擦狀態(tài)也發(fā)生變化，導(dǎo)致緩沖器性能進(jìn)一步降低。而HN-1型緩沖器產(chǎn)品的性能一致性好，個(gè)體差異小，是一種性能更可靠的緩沖器。因此，在HN-1型緩沖器已獲得小批量裝車運(yùn)用業(yè)績(jī)的情況下，建議擴(kuò)大HN-1型緩沖器的裝車運(yùn)用范圍，實(shí)施進(jìn)一步性能確認(rèn)。