范振平，李 強(qiáng)，黃 倩

（北京交通大學(xué)， 北京 100044）

大秦線2萬(wàn)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(wàn)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(wàn)噸重載列車;車鉤縱向力

1 概述

中國(guó)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(kāi)行2萬(wàn)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(wèn)題，如車鉤斷裂、磨耗問(wèn)題，都是因?yàn)橹剌d列車過(guò)大的縱向車鉤力所致。因此研究大秦線2萬(wàn)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(wàn)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(wàn)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(wàn)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(wàn)噸編組中；后二個(gè)往返將安裝有測(cè)力車鉤的前1萬(wàn)噸編組列車與后1萬(wàn)噸編組列車換位，采用超小型無(wú)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(wàn)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(wàn)噸列車運(yùn)行過(guò)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(jiàn)圖1。其中整列車的最大拉壓鉤力均發(fā)生于后1萬(wàn)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(guò)程中。

3.2 列車起動(dòng)

圖2為列車啟動(dòng)時(shí)前1萬(wàn)噸列車和后1萬(wàn)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ｋS著中間的機(jī)車的啟動(dòng)，前1萬(wàn)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(guò)程中各鉤位的最大車鉤力，得出列車在起動(dòng)過(guò)程中整列車的縱向力傳遞規(guī)律。由圖3（a）可見(jiàn),前1萬(wàn)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(wàn)噸重載列車采用“1+1”的牽引方式，前1萬(wàn)噸列車處于兩機(jī)車之間，前機(jī)車對(duì)前1萬(wàn)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(wàn)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(wàn)噸列車的最大車鉤力從前往后呈遞增的趨勢(shì)。后1萬(wàn)噸列車處于兩機(jī)車之后，兩機(jī)車對(duì)后1萬(wàn)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(wàn)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?，然后緩解，?dāng)再充氣過(guò)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(guò)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(guò)程中前一萬(wàn)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(guò)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(guò)程對(duì)車鉤力進(jìn)行分析，機(jī)車紀(jì)錄表明該制動(dòng)過(guò)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(guò)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(kāi)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(guò)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(jiàn)，列車在制動(dòng)過(guò)程中車鉤所受的縱向壓力較大，前1萬(wàn)噸最大拉力出現(xiàn)在第93車位車鉤上，其值為-1 266kN，后1萬(wàn)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(lái)說(shuō)，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(wàn)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(wàn)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(wàn)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(guò)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(guò)程中車鉤所受的縱向壓力都非常大，對(duì)于整列車來(lái)說(shuō)，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(wàn)噸重載列車關(guān)鍵技術(shù)的研究—大秦線2萬(wàn)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(kāi)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(guó)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(guó)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(wàn)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。