大秦线2万吨重载列车车钩纵向力特性研究

范振平，李 强，黄 倩

（北京交通大学， 北京 100044）

大秦线2万吨重载列车车钩纵向力特性研究

范振平，李 强，黄 倩

（北京交通大学， 北京 100044）

依据大秦线2万吨重载列车20个断面车钩力时间历程的线路试验结果，研究了车钩纵向力发生的机理及大载荷发生的工况，重点对列车起动、制动及长坡道运行循环制动三种典型工况下的车钩纵向作用力进行了分析，并揭示了最大拉压钩力的分布规律。

大秦线;2万吨重载列车;车钩纵向力

1 概述

中国铁路货物运输正向重载方向发展，随着牵引重量的大幅提升，钩缓系统及车体的使用条件变得更加恶劣。大秦线从2006年起正式开行2万吨重载组合列车，多年的实践经验表明，重载下的复杂工况将加大列车纵向作用力，加剧了断钩或挤压脱轨等危险倾向。

重载列车的许多问题，如车钩断裂、磨耗问题，都是因为重载列车过大的纵向车钩力所致。因此研究大秦线2万吨重载列车车钩的纵向力特性，阐述纵向力发生的机理及大载荷发生的工况，对指导车辆的设计、安全操纵等具有重要的意义。

2 试验方法

大秦线2万吨重载列车采用“1+1”的牵引方式，线路具有长大坡道，并且需要到各个装煤点进行装载、上翻车机进行卸载，运用条件和车辆的受载情况较为复杂。车钩力时间历程测试是在大秦线2万吨列车正常运行条件下进行的，试验中采用10个测力车钩均匀布置在1万吨列车（HXD10006+C80B× 105辆）编组中，共测试四个往返，其中：前二个往返将10个测力车钩安装在列车的前1万吨编组中；后二个往返将安装有测力车钩的前1万吨编组列车与后1万吨编组列车换位，采用超小型无人值守KYOWA数字式动态信号采集系统进行全程连续采样，共采集了20个断面分布式车钩力的时间历程数据，记录试验区间内湖东-北同蒲装煤点-湖东-柳村区间运行下的车钩力时间历程数据，包括空车回送数据。

3 车钩纵向力作用机理研究

影响车钩随机载荷的因素非常复杂，这些因素包括车辆构造、车辆使用、列车运行和调车作业等[2]，对于货物列车而言，主要是以纵向车钩力作为评价指标[3]。本文利用实测得的车钩纵向载荷，结合机车的操纵纪录，重点分析大秦线2万吨重载列车在运行中纵向力发生的典型工况，其中选取了三个典型工况——列车起动、制动及坡度运行循环制动进行具体分析。

3.1 最大拉压钩力

纵向力基本上和纵向冲动成正比，是导致列车断钩、脱轨等重大事故的直接因素。实际上，限制列车运行安全性的，主要是最大纵向力[4]。因此，研究车钩的最大纵向力的产生机理显得尤为重要。

根据试验测得的车钩纵向载荷，结合机车的操纵记录，对大秦线2万吨列车运行过程中最大车钩纵向力发生的工况进行了统计，发现车钩最大拉压钩力发生的工况集中出现在加制、加前牵及卸力三种工况中，各测力车钩最大拉压钩力统计数据见图1。其中整列车的最大拉压钩力均发生于后1万吨列车的84位车钩，其值分别为1 583kN和-2 187kN，最大拉压钩力发生的工况分别为卸力和加制工况，亦即出现在制动和缓解过程中。

3.2 列车起动

图2为列车启动时前1万吨列车和后1万吨列车第75位车钩的纵向载荷时间历程波形。

从图2可以看出,车钩的纵向力的变化规律。在列车启动前，用倒退的方法进行压缩，因此车钩先受到压力。随着牵引力的增加，列车的速度逐渐增加，纵向车钩力从前向后传递，车钩的纵向力由压逐渐变为拉。随着中间的机车的启动，前1万吨列车受到后机车的推动，车钩力又由拉逐渐变为压。

图3给出列车起动过程中各钩位的最大车钩力，得出列车在起动过程中整列车的纵向力传递规律。由图3（a）可见,前1万吨列车的最大车钩纵向力沿车长从前往后呈递减的趋势。由于大秦线两万吨重载列车采用“1+1”的牵引方式，前1万吨列车处于两机车之间，前机车对前1万吨起拉的作用，后机车对之起压的作用，随着牵引力的增加，前1万吨列车车钩纵向力呈总体减小的趋势；由图3（b）可以看出后1万吨列车的最大车钩力从前往后呈递增的趋势。后1万吨列车处于两机车之后，两机车对后1万吨列车都起拉的作用，列车起动之前用倒退方法进行预压缩，由于车辆之间存在游间，两机车起动后，随着牵引力的增加，就在车辆之间引起一系列的冲击，并且冲击速度和相应的冲击力是逐个递增的，因此后1万吨列车的纵向力呈递增的趋势。

3.3 坡道运行循环制动

大秦线重车运行方向有两段长大下坡道：一段长度为47km，平均坡度达-8.2‰；另一段长度为50km，平均坡度-9.1‰，最大坡度达-12‰[5]。由于机车的制动能力已不足以完全克服长大下坡道的自然下滑力，所以司机必须同时使用动力制动加上空气制动，在空气制动保压时使列车减速达到适当的速度，然后缓解，当再充气过程中下坡道的自然下滑力使列车增速到限速以前再次使用空气制动作用使列车再减速，如此多次反复作用。因此列车在长大坡道运行过程中，车钩所受的纵向冲击很大，而且拉压力交替变化。如图4所示的第102位车钩载荷时间历程波形变化即反映出这一特点，图中同时显示出该时间历程上的机车操纵记录。

图5给出长大坡道运行过程中前一万吨列车测力车钩的最大拉压钩力分布规律。可以看出：伴随着列车的循环制动，列车在长大坡道运行过程中各车钩所受的拉力不是太大，在450KN到650KN之间；而压钩力比较大，且沿纵向波动较大，其波动范围在650KN到1 660KN之间，最大压钩力出现在第二号测力车钩上（75车位）。

3.4 列车制动

列车制动时，作用于列车中各车轮上的闸瓦压力不能在同一时间产生，而是顺次地逐渐地由零增加到最大。特别是在长列车中，制动时产生的反作用会很明显，甚至可达到使车辆破坏的危险程度[6]。

本文选取一段典型的列车制动过程对车钩力进行分析，机车纪录表明该制动过程经历了12min，历经加前制和卸两个工况，列车的速度从75km/s减速到0，图6显示这一制动过程典型车位车钩力时间变化历程。

由图6可以看出在列车制动初期，前方车辆首先发生制动作用，开始减速，列车的后部车辆涌向前方，使得前部车辆受到压力作用，这种压缩状态逐渐后传，当制动到一定时候以后，制动作用传遍整列车，列车处于最大的压缩状态。然后，受本身制动力及前部车钩力的影响，列车后部的车辆速度下降反而比前部车辆快，列车逐渐从后往前由压缩状态变到拉伸状态，当拉伸状态达到最大后，列车又由拉伸状态转变到压缩状态，这一过程周而复始，产生伸缩振动，由于阻力的存在，振动振幅不断减小，使得制动力达到平均[7]。

由图7可见，列车在制动过程中车钩所受的纵向压力较大，前1万吨最大拉力出现在第93车位车钩上，其值为-1 266kN，后1万吨最大拉力出现在84车位车钩上，其值为-1 947KN。对于整列车来说，较大纵向压力都出现在列车的后部。

4 结论

采用线路实测方法获得了大秦线2万吨重载列车20个断面的车钩载荷时间历程，对列车起动、制动及长坡道运行循环制动三种典型工况下的车钩纵向力进行了分析，揭示了车钩力产生机理和最大拉压钩力的分布规律，结论如下:

（1）列车起动时，前1万吨的最大车钩纵向力沿车长从前往后呈递减的趋势。后1万吨列车的最大车钩力从前往后呈递增的趋势。

（2）列车在长大坡道运行过程中，伴随着列车的循环制动，车钩所受的拉力不是太大，而压钩力比较大。

（3）列车在制动过程中车钩所受的纵向压力都非常大，对于整列车来说，较大的纵向压力都出现在列车的后部。

[1]白淑萍.大秦线C80型货车16、17号车钩裂纹原因分析及应对措施[J].铁路技术监督,2008，36（9）.

[2]谢基龙.大秦线2万吨重载列车关键技术的研究—大秦线2万吨列车车钩载荷谱测试及钩缓系统可靠性评估的研究[Z].铁道部科技研究开发计划课题合同,2004.

[3]耿志修.大秦线铁路重载运输技术[M].北京：中国铁道出版社，2009.

[4]马大炜.列车最大纵向力的研究和简化计算初探.[EB/OL].http://www. cqvip.com:1-3.

[5]翼彬.大秦线重载列车发展研究[J].中国铁路,2009,（3）:2-4.

[6]范佩鑫.重载列车牵引、调速及紧急制动的纵向力-大秦线万吨列车试验研究[J].西南交通大学学报,1994,29（1）:1-8.

[7]陈家升.列车纵向动力学[M].北京：北方交通大学，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，北京交通大学机械工程博士后流动站从事博士后研究工作；李强，北京交通大学博士生导师。