空缓条件下两万吨重载列车中部机车车辆纵垂向冲动仿真分析

吴键，凌亮，郝崇杰，陈志平，曹政祥，周康，田野

空缓条件下两万吨重载列车中部机车车辆纵垂向冲动仿真分析

吴键1，凌亮*,1，郝崇杰2，陈志平2，曹政祥2，周康2，田野2

（1.西南交通大学 牵引动力国家重点实验室，四川 成都 610031；2.中国铁路太原局集团有限公司，山西 太原 030001）

为研究两万吨重载货运列车在空气制动缓解后中部机车与后部货车连挂车钩发生分离现象的原因，基于多体动力学理论，建立中部机车－货车三维动力学仿真模型，基于仿真计算，对车钩分离的产生机理和影响因素进行详细分析，并重点研究了连挂车钩初始钩高差和机车电制力大小对车钩分离的影响规律。结果表明：纵向车钩力由压钩力转变为拉钩力的过程中，当车钩力为0时，由于车钩间约束减弱，机车电制力的存在会使车钩之间产生跳动，若此后连挂车钩间约束不足则会导致跳动量随拉钩力的增大而急剧增大，进而发生分离；连挂车钩初始钩高差和机车电制力对车钩垂向跳动量影响显著，过大的初始钩高差或电制力将增大车钩分离的风险。

重载列车；纵垂向冲动；车钩分离；空气制动缓解；行车安全

重载技术是铁路货运的重点研究方向[1-2]，而钩缓系统作为重载列车安全平稳运行的重要保证，一直以来受到国内外专家学者的广泛研究。吴庆等[3]提出了两种不同类型重载电力机车钩缓系统的建模方法，并对模型的准确性进行了验证。许自强[4]建立了两种具有不同车钩类型的重载机车钩缓装置模型，通过研究其承压行为对轮轴横向力等指标的影响，说明了车钩具有较好的稳钩功能。王开云[5]和许自强[6]等研究了机车关键参数对其运行安全性的影响，前者计算了不同的机车自由角对轮轨动态安全性能指标的影响，后者则通过分析机车相关结构参数与车钩转角之间的关系，提出在重载机车车钩选型中应考虑机车结构参数与车钩自由转角的匹配关系。许期英等[7]通过对重载机车通过曲线时车钩的偏转行为的仿真分析，并将动态偏转角与传统的静态计算结果进行对比，得出前者比后者更大等相关结论。Ma等[8]建立列车动力学模型以分析在纵向压钩力的作用下，重载机车对于几种不同钩缓装置的动力学响应，结果表明车钩具有较大转动角的钩缓装置具有更高的曲线安全通过速度。另外，Xu等[9]探究了在直线和曲线工况下，机车车钩转动角对两万吨重载列车脱轨系数的影响，得出了自由角不应超过4°的结论。此外，关于重载机车弧面接触车钩的稳定机理和其对车钩稳定性的影响，以及车钩偏摆对车体稳定性的影响也得到了相应的研究[10-12]。

目前国内外学者对车钩的研究主要集中于车钩的横向稳定性，对车钩垂向稳定性、车钩分离的研究相对较少，大多都是根据现场事故统计数据的调研[13]以及车钩结构方面做出一定推测，尚未形成统一的防治措施。然而随着万吨、两万吨重载列车的开行，中部机车承受着更为恶劣的运行环境，车钩分离等问题日益突出，成为威胁重载列车安全运行的重要因素之一。因此，有必要建立动力学模型进行仿真分析，以探明脱钩产生的机理以及相关因素对脱钩的影响规律。

1 中部机车－货车三维动力学模型

两万吨重载列车中部机车为由两节独立的机车组成的单台HXD1型电力机车，机车前后两端通过13A车钩与C80货车连挂。为了具体分析在不同工况下影响车钩分离的主要因素，探究导致跳钩的机理，利用UM动力学软件建立了中部机车－货车仿真模型。

单节机车模型由车体、构架、轮对、牵引电机、牵引杆等质量体和弹簧、阻尼元件组成，将车体、构架、轮对等视为6自由度刚体，共计108个自由度。牵引电机的悬挂方式为轴悬式，其相对轮对具有一个点头自由度，建模时将电机的一端与轮对铰接，另一端则通过电机吊杆悬挂在构架上，考虑了电机吊杆两端橡胶关节6个方向的刚度；牵引装置采用的低位推挽式单牵引杆由车体牵引杆和构架牵引杆两部分构成，车体牵引杆相对于构架牵引杆具有一个点头自由度，建模时将两部分铰接，考虑了牵引杆分别与车体和构架相连两端以及牵引吊杆两端橡胶关节6个方向的刚度。一系悬挂刚度包括一系弹簧与橡胶垫提供的3个方向刚度、轴箱定位装置提供的定位刚度以及一系止挡元件提供的横向和垂向止挡刚度，一系悬挂的阻尼由一系垂向减振器提供；二系悬挂则包括二系弹簧提供的3个方向刚度、二系止挡元件提供的止挡刚度，以及由二系横向和垂向减振器提供的阻尼。

HXD1型机车采用了13A型摩擦式车钩，建模时将车钩钩体、钩尾框、从板视为刚体，钩体可绕钩尾框三向转动，考虑了导框对钩体转角的限制作用，以及钩尾与从板间圆弧面摩擦副提供的承压稳钩作用；钩尾框和从板仅考虑沿车体纵向平移的自由度；为模拟缓冲器的迟滞特性，在钩尾框与从板之间建立了非线性迟滞单元，既考虑了缓冲器在拉压钩力的作用均为受压的特性，亦考虑了车钩间隙、缓冲器初压力、底架刚性冲击的效应；此外，在车钩钩头接触面建立了摩擦接触单元，当连挂车钩钩头间存在纵向车钩力时，可产生摩擦力以限制其垂向相对运动。

C80货车采用了传统三大件式的ZK6型转向架。对货车进行建模时，将车体、摇枕、侧架、斜楔、轮对等视为6自由度刚体，单节货车一共114个自由度。模型中考虑了一系轴箱橡胶垫、二系摇枕弹簧和二系减震弹簧提供的3个方向刚度，以及交叉拉杆提供的轴向刚度，同时还考虑了承载鞍与侧架之间的止挡间隙；对于斜楔、心盘、弹性旁承等摩擦件，在其表面建立了相应的摩擦单元进行模拟，弹性旁承考虑了预压力；货车车钩的建模过程与机车车钩较为相似，不同的是在货车车钩钩尾建立了球面接触单元，并且考虑了缓冲器迟滞特性、车钩限位转角与机车的差异。

利用上述建立的机车、货车子模型，通过车钩子模型实现连挂，最终构成图1所示的中部机车－货车模型。大秦线两万吨重载列车的实际运行情况表明，在空气制动缓解工况下所发生的车钩分离均出现在中部机车与后部连挂货车之间，故选择中部机车后车钩与后部货车前车钩为研究对象。

图1 中部机车－货车模型

2 仿真结果与分析

2.1 空缓工况脱钩机理分析

根据现场对空气制动缓解工况后车钩力的实测情况，其实际变化趋势大致如图2所示，可以看出空气制动缓解后车钩力将出现幅值较大的拉压钩力转换过程。从图中车钩力的变化趋势，结合脱钩现场的相关资料可以初步推断，列车在空气制动缓解之后，由于机车电制力仍然存在，中部机车前后端车钩与连挂的货车车钩会进一步压紧，使得车钩力在初期呈现为压钩力且逐渐增大，此时两连挂车钩在压钩力的作用下处于稳态。此后随着压钩力的逐渐减小，车钩钩头之间的约束减弱，当车钩力为0时约束降为最低。在机车电制动力作用下，机车前后牵引杆处形成点头力矩，促使车体发生点头转动，并带动机车后车钩的钩头相对于连挂的货车车钩钩头产生向上跳动量。车钩力由压钩力转化为拉钩力之后，在拉钩力作用下，机车后部连挂车钩钩头间存在进一步拉脱的趋势。若此时连挂车钩的钩高差、机车电制动力较大都可能造成车钩分离。

2.2 空缓工况脱钩影响因素分析

本小节将结合上述所建立的中部机车－货车动力学模型，具体分析初始钩高差、机车电制动力对车钩分离的影响规律。根据图2中实测的车钩力，对其变化过程进行适当简化，对应施加到前部货车前车钩以及后部货车处，具体简化及施加方式如图3所示，前后施加纵向车钩力大小的差值即为机车电制动力的大小。

图2 两万吨列车空缓解条件下中部机车实测车钩力

现场相关统计资料表明，两万吨重载列车在空缓工况下发生车钩分离时的速度均在40 km/h左右，故在进行仿真时将列车的运行速度取为40 km/h。此外，施加的轨道不平顺为美国五级谱。据上述分析可知，导致车钩分离的影响因素较多，故此次仿真中采取控制变量法进行研究，以便逐一得出连挂车钩初始钩高差、机车电制动力大小的分别影响规律。

2.2.1 连挂车钩不同初始钩高差的影响

为单独研究中部机车后端连挂车钩不同初始钩高差对钩头垂向相对位移的影响，应控制其他变量保持一致。取电制动力为满级，机车垂向转角最大限值为8°（向上），货车垂向转角最大限值为5°（向下），车钩钩头的摩擦系数为0.12，纵向车钩力按图3进行加载，最大压钩力和最大拉钩力的大小分别为600 kN和800 kN，连挂车钩初始钩高差从0～70 mm每隔10 mm进行取值。

图3 纵向车钩力施加方式

图4给出了在初始钩高差分别为0 mm和50 mm时中部机车后端车钩转角、后部货车前端车钩转角、两车钩钩头垂向相对位移、机车车钩纵向车钩力等指标的时域变化情况。由0 mm初始高差下车钩力时程图4（e）可知，在压、拉钩力转变过程中，纵向车钩力两次经过0 kN，对应的车钩垂向跳动量分别为24 mm、38 mm，之后车钩进入拉钩状态，此时车钩垂向相对位移稳定在70 mm附近，如图4（c）所示。由上述分析可知，车钩垂向跳动量的产生是因为连挂车钩间由于无纵向约束而处于松弛状态，机车电制力使得机车车体出现点头运动，进而带动机车车钩转动，造成机车车钩相对于货车车钩向上跳动。20～40 mm的大致变化趋势均与上述过程类似，且均未发生脱钩，不再赘述。

为便于比较分析，图4还给出了当连挂车钩的初始钩高差达到50 mm之后的上述三个指标的响应情况。从图4（f）中可以看出，在压、拉钩力转变过程中，纵向车钩力两次经过0 kN，对应的车钩垂向跳动量如图4（d）分别为27 mm、54 mm，之后车钩纵向力由压钩力转为拉钩力，此时两连挂车钩钩头垂向相对位移在拉钩力作用下迅速增大，在拉钩力达到242 kN时连挂车钩钩头垂向相对位移超过300 mm的钩头接触面高度，两车钩脱开，而车钩分离之后不再相互约束，故此后车钩力变为0。此外，从图4（b）中还可以看出，分离瞬间机车车钩转角为8°，货车车钩转角为5°，均达到了各自的限值。当钩高差在60 mm和70 mm时，均类似地产生了脱钩，具体过程不再赘述。

2.2.2 钩高差与钩头摩擦系数的影响

为进一步研究中部机车后端连挂车钩钩高差与钩头摩擦系数的综合影响，将0～70 mm不同初始钩高差下连挂车钩的垂向相对位移放在一起对比如图5（a），从该图中不难发现，随着初始钩高差的增大，连挂车钩钩头垂向相对位移呈增大趋势，并且当初始钩高差达到50 mm时，钩头垂向相对位移急剧增大致使车钩相互分离。另取钩头摩擦系数为0.15时，从图5（b）中仍然可以看出连挂车钩钩头垂向相对位移随初始钩高差的增大而增大但此时由于摩擦约束作用加大，钩头垂向相对位移主要由初始钩高差和纵向车钩力为0时的车钩垂向跳动所致。

图5 两种摩擦系数下连挂车钩垂向相对位移随初始钩高差大小的变化

总体而言，降低连挂车钩的初始钩高差可以减小钩头垂向相对位移的幅值，进而降低脱钩事故的发生的几率。

2.2.3 电制力与钩高差的影响

在上述对于脱钩机理的分析中已经提到，机车电制力的存在会使得机车具有点头运动的趋势，并且由于电制动力的大小不同，机车相应的点头运动幅度也会产生差异，从而对连挂车钩的跳动量产生影响。为研究不同的机车电制力大小对车钩分离的影响，控制钩头摩擦系数为0.12，机车和货车的车钩限制转角分别为8°（向上）和5°（向下），纵向车钩力的加载方式仍按照图4所示，不同的是，后部货车后车钩力的大小因电制力大小的不同而产生相应的变化，前后纵向力的差值即为电制力的大小。电制动力的取值为10%～100%。

图6为不同机车电制力条件下连挂车钩垂向跳动量的仿真结果，计算中考虑钩高差为50 mm和70 mm两种工况。

从图6不难看出，连挂车钩钩头垂向相对位移随着电制力的增大而总体呈现出增大趋势，当电制力增大到一定值时，机车后部车钩在纵向车钩力为0时的垂向跳动量也较大，两钩头间达到了随着拉钩力增大而被进一步拉脱的临界状态，这一状态对应于50 mm初始高差下的90%机车电制力，以及70 mm初始钩高差下的70%电制力。由此可知，在其他条件不变的情况下，适当降低空气制动缓解后的机车电制动力可以有效地抑制脱钩事故的发生几率。

3 研究结论

本文针对两万吨重载列车在空气制动缓解工况下出现的中部机车后车钩与后部货车前车钩分离现象，通过现场调研与动力学仿真，分析了列车分离时可能的跳钩过程，探讨了车钩分离的产生机理，研究了初始钩高差、钩头摩擦系数、机车电制动力对连挂车钩钩头动态垂向相对位移的影响。主要结论如下：

（1）空气制动缓解后，中部机车纵向车钩力将出现拉、压钩力转变过程，在纵向车钩力为0时，连挂车钩钩头间约束减弱，机车车体在制动力矩作用下将带动车钩转动，导致两连挂车钩钩头间出现跳动。若车钩跳动量较大，且此后车钩钩头间约束不足，两连挂车钩垂向相对位移将随着拉钩力的增大而继续加大，进而导致中部机车后车钩从后部货车前车钩上方脱离。

图6 两种初始钩高差下连挂车钩垂向相对位移随机车电制动力大小的变化

（2）仿真结果表明，连挂车钩初始钩高差、机车电制力、以及钩头摩擦系数对连挂车钩垂向相对位移均有显著影响，过大的初始钩高差和机车电制动力及较小的钩头摩擦系数会增大中部机车与后部货车连挂车钩出现分离的风险。因此，在两万吨重载列车运行过程中，应适当控制中部机车车辆间的初始钩高差和空气制动缓解后机车电制动力大小，以降低脱钩事故发生的几率。

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Simulation Analysis of Longitudinal and Vertical Impulse of Central Locomotive and Its Connected Vehicles of 20000t Heavy-Haul Train under Air Brake Release Conditions

WU Jian1，LING Liang1，HAO Chongjie2，CHEN Zhiping2，CAO Zhengxiang2，ZHOU Kang2，TIAN Ye2

(1.State Key Laboratory of Traction Power, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China; 2.China Railway Taiyuan Group Co. Ltd., Taiyuan 030001, China )

To investigate the cause of the coupler separation accidents between the central locomotive and the connected rear wagon of a 20,000-ton heavy-haul freight train after the air brake was released, a central locomotive-wagon three-dimensional dynamics simulation model of the was established based on the multi-body dynamics theory. The detailed numerical simulations were conducted to investigate the mechanism and the influence factors of coupler separation, and a special attention was paid to the influence of the initial hook height difference and the electric force of the locomotive on coupler separation. The numerical results show that in the process of the longitudinal coupler force changing from the hook pressing force to the pulling force, the constraint between the couplers is reduced when the coupler force is reduced to 0, and the electric braking force of the locomotive will cause the vertical displacement between the couplers. If the constraint between the couplers is insufficient after the above process, the displacement between the connected couplers will increase dramatically with the increase of the pulling force, which leads to the separation of the two couplers. In addition, the initial hook height difference of the trailer coupling and the electric braking force of the locomotive have a great influence on the vertical relative displacement between the connected couplers, and excessive initial hook height difference or electric braking force will significantly increases the risk of coupler separation.

heavy-haul train；longitudinal-vertical impulse；coupler separation；air brake release；running safety

TP391.9

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2020.10.009

1006－0316 (2020) 10－0053－07

2020－04－07

国家自然科学基金项目（51875484）

吴键（1994－），男，四川泸州人，硕士研究生，主要研究方向为重载列车纵向动力学。

凌亮（1986－），男，江西萍乡人，博士，副研究员，主要研究方向为轨道车辆服役安全与控制，E-mail：liangling@swjtu.edu.cn。