大秦線2萬噸重載列車車鉤縱向力特性研究

范振平，李 強(qiáng)，黃 倩

（北京交通大學(xué)， 北京 100044）

大秦線2萬噸重載列車車鉤縱向力特性研究

范振平，李 強(qiáng)，黃 倩

（北京交通大學(xué)， 北京 100044）

依據(jù)大秦線2萬噸重載列車20個(gè)斷面車鉤力時(shí)間歷程的線路試驗(yàn)結(jié)果，研究了車鉤縱向力發(fā)生的機(jī)理及大載荷發(fā)生的工況，重點(diǎn)對(duì)列車起動(dòng)、制動(dòng)及長(zhǎng)坡道運(yùn)行循環(huán)制動(dòng)三種典型工況下的車鉤縱向作用力進(jìn)行了分析，并揭示了最大拉壓鉤力的分布規(guī)律。

大秦線;2萬噸重載列車;車鉤縱向力

1 概述

中國鐵路貨物運(yùn)輸正向重載方向發(fā)展，隨著牽引重量的大幅提升，鉤緩系統(tǒng)及車體的使用條件變得更加惡劣。大秦線從2006年起正式開行2萬噸重載組合列車，多年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，重載下的復(fù)雜工況將加大列車縱向作用力，加劇了斷鉤或擠壓脫軌等危險(xiǎn)傾向。

重載列車的許多問題，如車鉤斷裂、磨耗問題，都是因?yàn)橹剌d列車過大的縱向車鉤力所致。因此研究大秦線2萬噸重載列車車鉤的縱向力特性，闡述縱向力發(fā)生的機(jī)理及大載荷發(fā)生的工況，對(duì)指導(dǎo)車輛的設(shè)計(jì)、安全操縱等具有重要的意義。

2 試驗(yàn)方法

大秦線2萬噸重載列車采用“1+1”的牽引方式，線路具有長(zhǎng)大坡道，并且需要到各個(gè)裝煤點(diǎn)進(jìn)行裝載、上翻車機(jī)進(jìn)行卸載，運(yùn)用條件和車輛的受載情況較為復(fù)雜。車鉤力時(shí)間歷程測(cè)試是在大秦線2萬噸列車正常運(yùn)行條件下進(jìn)行的，試驗(yàn)中采用10個(gè)測(cè)力車鉤均勻布置在1萬噸列車（HXD10006+C80B× 105輛）編組中，共測(cè)試四個(gè)往返，其中：前二個(gè)往返將10個(gè)測(cè)力車鉤安裝在列車的前1萬噸編組中；后二個(gè)往返將安裝有測(cè)力車鉤的前1萬噸編組列車與后1萬噸編組列車換位，采用超小型無人值守KYOWA數(shù)字式動(dòng)態(tài)信號(hào)采集系統(tǒng)進(jìn)行全程連續(xù)采樣，共采集了20個(gè)斷面分布式車鉤力的時(shí)間歷程數(shù)據(jù)，記錄試驗(yàn)區(qū)間內(nèi)湖東-北同蒲裝煤點(diǎn)-湖東-柳村區(qū)間運(yùn)行下的車鉤力時(shí)間歷程數(shù)據(jù)，包括空車回送數(shù)據(jù)。

3 車鉤縱向力作用機(jī)理研究

影響車鉤隨機(jī)載荷的因素非常復(fù)雜，這些因素包括車輛構(gòu)造、車輛使用、列車運(yùn)行和調(diào)車作業(yè)等[2]，對(duì)于貨物列車而言，主要是以縱向車鉤力作為評(píng)價(jià)指標(biāo)[3]。本文利用實(shí)測(cè)得的車鉤縱向載荷，結(jié)合機(jī)車的操縱紀(jì)錄，重點(diǎn)分析大秦線2萬噸重載列車在運(yùn)行中縱向力發(fā)生的典型工況，其中選取了三個(gè)典型工況——列車起動(dòng)、制動(dòng)及坡度運(yùn)行循環(huán)制動(dòng)進(jìn)行具體分析。

3.1 最大拉壓鉤力

縱向力基本上和縱向沖動(dòng)成正比，是導(dǎo)致列車斷鉤、脫軌等重大事故的直接因素。實(shí)際上，限制列車運(yùn)行安全性的，主要是最大縱向力[4]。因此，研究車鉤的最大縱向力的產(chǎn)生機(jī)理顯得尤為重要。

根據(jù)試驗(yàn)測(cè)得的車鉤縱向載荷，結(jié)合機(jī)車的操縱記錄，對(duì)大秦線2萬噸列車運(yùn)行過程中最大車鉤縱向力發(fā)生的工況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)車鉤最大拉壓鉤力發(fā)生的工況集中出現(xiàn)在加制、加前牽及卸力三種工況中，各測(cè)力車鉤最大拉壓鉤力統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見圖1。其中整列車的最大拉壓鉤力均發(fā)生于后1萬噸列車的84位車鉤，其值分別為1 583kN和-2 187kN，最大拉壓鉤力發(fā)生的工況分別為卸力和加制工況，亦即出現(xiàn)在制動(dòng)和緩解過程中。

3.2 列車起動(dòng)

圖2為列車啟動(dòng)時(shí)前1萬噸列車和后1萬噸列車第75位車鉤的縱向載荷時(shí)間歷程波形。

從圖2可以看出,車鉤的縱向力的變化規(guī)律。在列車啟動(dòng)前，用倒退的方法進(jìn)行壓縮，因此車鉤先受到壓力。隨著牽引力的增加，列車的速度逐漸增加，縱向車鉤力從前向后傳遞，車鉤的縱向力由壓逐漸變?yōu)槔?。隨著中間的機(jī)車的啟動(dòng)，前1萬噸列車受到后機(jī)車的推動(dòng)，車鉤力又由拉逐漸變?yōu)閴骸?/p>

圖3給出列車起動(dòng)過程中各鉤位的最大車鉤力，得出列車在起動(dòng)過程中整列車的縱向力傳遞規(guī)律。由圖3（a）可見,前1萬噸列車的最大車鉤縱向力沿車長(zhǎng)從前往后呈遞減的趨勢(shì)。由于大秦線兩萬噸重載列車采用“1+1”的牽引方式，前1萬噸列車處于兩機(jī)車之間，前機(jī)車對(duì)前1萬噸起拉的作用，后機(jī)車對(duì)之起壓的作用，隨著牽引力的增加，前1萬噸列車車鉤縱向力呈總體減小的趨勢(shì)；由圖3（b）可以看出后1萬噸列車的最大車鉤力從前往后呈遞增的趨勢(shì)。后1萬噸列車處于兩機(jī)車之后，兩機(jī)車對(duì)后1萬噸列車都起拉的作用，列車起動(dòng)之前用倒退方法進(jìn)行預(yù)壓縮，由于車輛之間存在游間，兩機(jī)車起動(dòng)后，隨著牽引力的增加，就在車輛之間引起一系列的沖擊，并且沖擊速度和相應(yīng)的沖擊力是逐個(gè)遞增的，因此后1萬噸列車的縱向力呈遞增的趨勢(shì)。

3.3 坡道運(yùn)行循環(huán)制動(dòng)

大秦線重車運(yùn)行方向有兩段長(zhǎng)大下坡道：一段長(zhǎng)度為47km，平均坡度達(dá)-8.2‰；另一段長(zhǎng)度為50km，平均坡度-9.1‰，最大坡度達(dá)-12‰[5]。由于機(jī)車的制動(dòng)能力已不足以完全克服長(zhǎng)大下坡道的自然下滑力，所以司機(jī)必須同時(shí)使用動(dòng)力制動(dòng)加上空氣制動(dòng)，在空氣制動(dòng)保壓時(shí)使列車減速達(dá)到適當(dāng)?shù)乃俣龋缓缶徑?，?dāng)再充氣過程中下坡道的自然下滑力使列車增速到限速以前再次使用空氣制動(dòng)作用使列車再減速，如此多次反復(fù)作用。因此列車在長(zhǎng)大坡道運(yùn)行過程中，車鉤所受的縱向沖擊很大，而且拉壓力交替變化。如圖4所示的第102位車鉤載荷時(shí)間歷程波形變化即反映出這一特點(diǎn)，圖中同時(shí)顯示出該時(shí)間歷程上的機(jī)車操縱記錄。

圖5給出長(zhǎng)大坡道運(yùn)行過程中前一萬噸列車測(cè)力車鉤的最大拉壓鉤力分布規(guī)律?？梢钥闯觯喊殡S著列車的循環(huán)制動(dòng)，列車在長(zhǎng)大坡道運(yùn)行過程中各車鉤所受的拉力不是太大，在450KN到650KN之間；而壓鉤力比較大，且沿縱向波動(dòng)較大，其波動(dòng)范圍在650KN到1 660KN之間，最大壓鉤力出現(xiàn)在第二號(hào)測(cè)力車鉤上（75車位）。

3.4 列車制動(dòng)

列車制動(dòng)時(shí)，作用于列車中各車輪上的閘瓦壓力不能在同一時(shí)間產(chǎn)生，而是順次地逐漸地由零增加到最大。特別是在長(zhǎng)列車中，制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的反作用會(huì)很明顯，甚至可達(dá)到使車輛破壞的危險(xiǎn)程度[6]。

本文選取一段典型的列車制動(dòng)過程對(duì)車鉤力進(jìn)行分析，機(jī)車紀(jì)錄表明該制動(dòng)過程經(jīng)歷了12min，歷經(jīng)加前制和卸兩個(gè)工況，列車的速度從75km/s減速到0，圖6顯示這一制動(dòng)過程典型車位車鉤力時(shí)間變化歷程。

由圖6可以看出在列車制動(dòng)初期，前方車輛首先發(fā)生制動(dòng)作用，開始減速，列車的后部車輛涌向前方，使得前部車輛受到壓力作用，這種壓縮狀態(tài)逐漸后傳，當(dāng)制動(dòng)到一定時(shí)候以后，制動(dòng)作用傳遍整列車，列車處于最大的壓縮狀態(tài)。然后，受本身制動(dòng)力及前部車鉤力的影響，列車后部的車輛速度下降反而比前部車輛快，列車逐漸從后往前由壓縮狀態(tài)變到拉伸狀態(tài)，當(dāng)拉伸狀態(tài)達(dá)到最大后，列車又由拉伸狀態(tài)轉(zhuǎn)變到壓縮狀態(tài)，這一過程周而復(fù)始，產(chǎn)生伸縮振動(dòng)，由于阻力的存在，振動(dòng)振幅不斷減小，使得制動(dòng)力達(dá)到平均[7]。

由圖7可見，列車在制動(dòng)過程中車鉤所受的縱向壓力較大，前1萬噸最大拉力出現(xiàn)在第93車位車鉤上，其值為-1 266kN，后1萬噸最大拉力出現(xiàn)在84車位車鉤上，其值為-1 947KN。對(duì)于整列車來說，較大縱向壓力都出現(xiàn)在列車的后部。

4 結(jié)論

采用線路實(shí)測(cè)方法獲得了大秦線2萬噸重載列車20個(gè)斷面的車鉤載荷時(shí)間歷程，對(duì)列車起動(dòng)、制動(dòng)及長(zhǎng)坡道運(yùn)行循環(huán)制動(dòng)三種典型工況下的車鉤縱向力進(jìn)行了分析，揭示了車鉤力產(chǎn)生機(jī)理和最大拉壓鉤力的分布規(guī)律，結(jié)論如下:

（1）列車起動(dòng)時(shí)，前1萬噸的最大車鉤縱向力沿車長(zhǎng)從前往后呈遞減的趨勢(shì)。后1萬噸列車的最大車鉤力從前往后呈遞增的趨勢(shì)。

（2）列車在長(zhǎng)大坡道運(yùn)行過程中，伴隨著列車的循環(huán)制動(dòng)，車鉤所受的拉力不是太大，而壓鉤力比較大。

（3）列車在制動(dòng)過程中車鉤所受的縱向壓力都非常大，對(duì)于整列車來說，較大的縱向壓力都出現(xiàn)在列車的后部。

[1]白淑萍.大秦線C80型貨車16、17號(hào)車鉤裂紋原因分析及應(yīng)對(duì)措施[J].鐵路技術(shù)監(jiān)督,2008，36（9）.

[2]謝基龍.大秦線2萬噸重載列車關(guān)鍵技術(shù)的研究—大秦線2萬噸列車車鉤載荷譜測(cè)試及鉤緩系統(tǒng)可靠性評(píng)估的研究[Z].鐵道部科技研究開發(fā)計(jì)劃課題合同,2004.

[3]耿志修.大秦線鐵路重載運(yùn)輸技術(shù)[M].北京：中國鐵道出版社，2009.

[4]馬大煒.列車最大縱向力的研究和簡(jiǎn)化計(jì)算初探.[EB/OL].http://www. cqvip.com:1-3.

[5]翼彬.大秦線重載列車發(fā)展研究[J].中國鐵路,2009,（3）:2-4.

[6]范佩鑫.重載列車牽引、調(diào)速及緊急制動(dòng)的縱向力-大秦線萬噸列車試驗(yàn)研究[J].西南交通大學(xué)學(xué)報(bào),1994,29（1）:1-8.

[7]陳家升.列車縱向動(dòng)力學(xué)[M].北京：北方交通大學(xué)，1988.

Study on the Characteristics of the Longitudinal Force on Heavy-haul Locomotive Couplers:An Empirical Analysis

FAN Zhen-ping,LI Qiang,HUAN GQian
（Beijing Jiaotong University,Beijing100044,China）

According to the findings of an experiment testing the cross-sectional force on the twenty couplers of a twenty-ton heavy-haul train on the Datong-Qinhuangdao line and its variation over the course of four return trips,the paper introduces the mechanism for the generation of the longitudinal force on the couplers under different operational scenarios,namely,starting-up,braking,and up-slope travelling and displays the distribution pattern for the maximum pressuring and pulling forces on the couplers.

Datong-qinhuangdao line;twenty-ton heavy-haul locomotive;longitudinal force on coupler

U260.34；U296

A

1005-152X（2011）03-0125-03

10.3969/j.issn.1005-152X.2011.03.040

2011-02-10

范振平（1965-），男，河北行唐人，北京交通大學(xué)機(jī)械工程博士后流動(dòng)站從事博士后研究工作；李強(qiáng)，北京交通大學(xué)博士生導(dǎo)師。