（车辆工程专业论文）纵向压力作用下钩缓装置对重载列车安全性能的影响.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 发展重载运输，大幅度地提高重载列车运能是铁路扩能提效的一种有效途 径，也已成为我国铁路货运的发展方向。随着重载列车编组的扩大、轴重的增 加和运营速度的提高，行车安全问题日渐突出，比如重载机车在制动工况下的 脱轨问题。本论文针对该问题，以采用不同钩缓装置的重载列车为例，提出车 钩钩尾销处的等效刚度概念，分析了纵向压力作用下钩缓装置的稳钩原理、车 钩自由偏转角度复位能力对动力学性能影响。 本论文综合机车结构和钩缓装置结构，建立了一个较完整的重载列车动力 学分析模型，用以分析牵引重载列车的机车在直线和曲线上的运行动力学性能， 准确评估重载机车的行车安全性，为重载机车钩缓装置的选型提供理论依据。 分析表明，对于具有大摆角和钩肩复位能力的钩缓装置，一旦因各种原因 失去复位能力，在车钩承受大的纵向压力时( 如机车实施电制动时) ，必然会因 车钩水平倾摆失稳而导致车轴横向力长时间超过标准限制而导致扩轨掉道的事 故；对于不具备钩肩复位能力的小摆角车钩，由于止挡的作用，较少发生车轴 横向力持续超标的现象，但由于车钩水平摆动到止挡的过程没有足够的缓冲， 易形成冲击力，可能使车轴横向力瞬时超过标准限制，这种瞬时超标现象引发 的单次事故具有偶然性，从长期运用看有必然性。 通过本文的研究工作，希望能为我国重载机车的安全运行有所贡献，为以 后分析重载列车的动力学性能提供一定的依据。 关键词：重载列车；纵向压力；钩缓装置；动力学 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s tr a c t d e v e l o p i n gt h eh e a v yh a u lt r a n s p o r t a t i o na n di n c r e a s et h et r a n s p o r t a t i o na b i l i t y o ft h eh e a v yh a u lt r a i nd e e p l yi sa ne f f i c i e n c ym e t h o dt oe x p a n dt h ea b i l i t yo f r a i l w a yt r a n s p o r t a t i o n ；a tt h es a m et i m ei tb e c o m e st h em a i nw a yt h a tt h er a i l w a y f r e i g h td e v e l o p m e n ti nc h i n a w i t ht h ei n c r e a s eo ft h eh e a v yh a u lt r a i nm a r s h ，t h e i n c r e a s eo fw h e e ll o a da n dt h ei m p r o v e m e n to ft h er u n n i n gs p e e d ，t h er u n n i n gs a f e t y p r o b l e mt u r nm o r ea n dm o r es e r i o u s ，s u c ha st h ed e r a i l m e n to ft h eh e a v yh a u l l o c o m o t i v ed u r i n gt h ed y n a m i cb r a k ec a s e a i m e dt oa b o v et h i sp r o b l e m ，t a k et h e h e a v yh a u lt r a i n i nw h i c ht h ed i f f e r e n t c o u p l ed r a f tg e a r sw e r ea d o p t e da s a n e x a m p l e ，p u tf o r w a r dt h ec o n c e p to fc o u p l e ry o k ee q u i v a l e n ts t i f f n e s sf i r s t ，a n dt h e n a n a l y s e s t h e c o u p l e rs t a b i l i t yp r i n c i p l e o ft h ec o u p l e rd r a f t g e a ru n d e r t h e l o n g i t u d i n a lp u s hf o r c ea n dt h ei n f l u e n c eo ft h ef r e er o t a t i o na n g l eo ft h ec o u p l e rt o t h ed y n a m i cp e r f o r m a n c eo ft h eh e a v yh a u ll o c o m o t i v e b a s e do nt h es t r u c t u r eo ft h el o c o m o t i v ea n dt h ec o u p l e rd r a f tg e a r s ，t h e i n t e g r i t yh e a v yh a u lt r a i nd y n a m i cm o d e lw a ss e t u pb yt h ed y n a m i cs i m u l a t i o n s o f t w a r e t h ed y n a m i cp e r f o r m a n c eo ft h eh e a v yh a u ll o c o m o t i v eo nt h et a n g e n t t r a c ka n dc u r v et r a c kw e r er e s e a r c h e dt h r o u g ht h ed y n a m i cs i m u l a t i o no ft h eh e a v y h a u lt r a i nd y n a m i cm o d e l t h er u n n i n gs a f e t yo ft h eh e a v yh a u ll o c o m o t i v ew a s e s t i m a t e db yi ta n dw h i c ha l s oc a ng i v eat h e o r yb a s i sf o rt h ec h o i c eo ft h ec o u p l e r d r a f tg e a ro ft h eh e a v yh a u lt r a i n t h ea n a l y s e sa n ds i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w nt h a tf o rt h ec o u p l e rd r a f tg e a r sw i t ha l a r g er o t a t i o na n g l ea n da u t o m a t i cr e s e ta b i l i t yo fc o u p l e rh o r n ，o n c et h ea b i l i t y d i s a p p e a r e db ys o m er e a s o n s ，w h e nc o u p l e rb e e nu n d e rt h ef u n c t i o no f al a r g e rp u s h f o r c e ( s u c ha sw h e nt h el o c o m o t i v e sa p p l yt h ee l e c t r i cb r a k e ) ，c o u p l e rh o r i z o n t a l t i l t i n gw i l li n s t a b i l i t ya n dl a t e r a lf o r c e so ft h ew h e e ls e t w i l le x c e e dt h es t a n d a r d r e s t r i c tg r e a t l yf o rq u i t eal o n gt i m e ，t h i st h e nr e s u l t i n gi nt h eg a u g e - w i d e na n dt h e h a p p e no ft h ed e r a i l m e n ta c c i d e n t s f o rt h ec o u p l e rw i t has m a l lr o t a t i o na n g l ea n d n or e s e ta b i l i t yo ft h ec o u p l e rh o r n ，b e c a u s eo ft h ef u n c t i o no ft h es t o p p e r , t h e r ea r e f e wa c c i d e n t sa b o u tt h el a t e r a lf o r c eb e y o n dt h er e s t r i c t i o no ft h es t a n d a r d b u tt h e r e i sn o te n o u g hb u f f e r i n gf u n c t i o nd u r i n gt h ec o u p l e rh o r i z o n t a lt i l t i n gr e a c ht ot h e s t o p p e r , t h i sl e a d i n gi m p a c tf o r c e se a s i l ya n dm a k i n gt h el a t e r a lf o r c e sb e y o n dt h e r e s t r i c t i o n a l t h o u g ht h i se x c e e d i n gh a sc o n t i n g e n c yf o rt h eo c c u r r i n go ft h es i n g l e a c c i d e n t ，i ti sn e c e s s a r yf r o mt h ep o i n to fv i e wo fl o n g - t e r m s e r v i c e t h r o u g ht h ec o n c e r n e dw o r ko fc o u p l e rd r a f tg e a ro f t h eh e a v yh a u lt r a i n ，i ti s e x p e c t e dt om a k es o m ec o n t r i b u t i o nt o t h er u n n i n gs a f e t yo fh e a v yh a u lt r a i n sa n d p r o v i d et h et h e o r y b a s i sf o rt h er e s e a r c ho fh e a v yh a u lt r a i nd y n a m i c sp e r f o r m a n c e k e y w o r d s ：h e a v yh u a lt r a i n ，l o n g i t u d i n a lp u s hf o r c e ，c o u p l e r d r a f tg e a r s ， d y n a m i c s 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书： 2 不保密“使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“、”) 学位论文作者签名：壶西嚆 指导老师签名： 日期：m 号。、 。i 牛 日期： q 丫 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均己在 文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： l 、提出车钩钩尾销处的等效刚度概念，分析了纵向压力作用下钩缓装置的 稳钩原理和复位能力。 2 、以采用不同钩缓装置的重载列车为例，研究了钩缓装置复位能力对动力 学性能影响。 学位论文作者签名：曼嵴 日期：w 。号ti ) - i 丫 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 选题背景 自1 9 7 8 年第一届国际重载大会在澳大利亚佩思召开，多j 2 0 0 9 年6 月在上海召 开的第九届国际重载运输大会，重载运输从概念的提出到蓬勃发展经历了一个 技术不断进步的过程。重载运输代表了铁路货物运输领域的先进生产力，成为 国际公认的铁路货运发展方向。 发展重载运输，大幅度地提高列车运能是铁路扩能提效的一种有效途径， 也是我国铁路货运的发展方向，大秦铁路拉开了我国铁路重载运输发展序幕， 根据铁路“十一五 发展规划，2 0 1 0 年到“十一五”末期大秦线固定式单元重 载列车牵引质量达n 2 万吨池1 ，南北通道货运总能力将达到4 亿吨以上，围绕十大 煤炭基地建设，煤炭运输总能力要达到1 5 亿吨以上口1 。因此，建设大能力、高效 率、功能完善的煤炭运输通道，加快发展重载运输，是促进国民经济发展的迫 切需要。 为实现这一目标，我国通过引进技术大幅度提高了重载机车功率h 1 ，并在网 络控制技术、制动系统及控制、新型大轴重转向架及悬挂装置、车轮材质和耐 磨剥离性能、高强度旋转车钩及高性能缓冲器等关键技术取得了进展。 1 2 重载运输概述 1 2 1 重载运输的概念 2 0 0 5 年国际重载运输协会( i h t t a ) 的巴西年会上已对重载运输的定义作了新 的修订嵋1 ： 重载铁路必须满足以下三条标准中的至少两条： 1 经常、定期的开行或准备开行总重至少达到8 0 0 0 t ( 以前为5 0 0 0 t ) 的单元 重载列车或组合重载列车； 2 在长度至少为1 5 0 k m 的线路区段上，年计费货运量超过4 0 0 0 万t ( 以前为 2 0 0 0 万t ) ； 3 经常、正常开行或准备开行轴重为2 7 t 及以上( 以前为2 5 t ) 的重载列车。 1 2 2 重载运输方式 目前，国内外铁路开行的重载列车组织形式主要有单元式、整列式和组合式 重载列车三种模式砸1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 ) 单元式重载列车 单元式重载列车是以固定的机车车辆( 大功率机车+ 固定编组辆数的同一 类型的专用货车) 组合成为一个运输单元，并以此作为运营计费单位，在装卸车 站间循环直达运行的货物列车。这种重载运输方式运用范围广，经济效益显著。 美国、加拿大等国均采用此方式，我国大秦重载运煤专线上也有单元式重载列 车的开行。 2 ) 整列式重载列车 整列式重载列车是采用普通重载列车的组织方法，由挂于重载列车头部的 大功率单机或多机牵引，由不同型式和载重的货车车辆混合编组，达到规定载重 量标准的货物列车，在我国繁忙干线上开行的重载列车主要为这种模式，其它国 家应用较少。 3 ) 组合式重载列车 组合式重载列车是由两列及以上同方向运行的普通货物重载列车首尾相 接、合并组成的重载列车，这种重载运输方式始于1 9 6 4 年前苏联。我国大秦线开 行的2 0 0 0 0 t 重载列车采用该形式。 1 2 。3 重载列车的操纵方式 重载列车操纵技术是保证行车安全、提高运输效率的关键技术。随着重载 列车牵引吨位的提高，重载列车中的车钩作用力、轮轨力随之提高，对重载列 车操纵技术提出了更高的要求，正确的重载列车操纵是减少重载列车冲动、防 止断钩、脱钩等事故发生的重要条件，所以重载列车运行必须采取正确的操纵 方式盯3 。 1 ) 重载列车的起动 重载列车的起动困难，主要表现在坡道起动的时机不易掌握，即重载列车 缓解后，起动时受到重载列车钩缓装置性能的制约。起动早了，重载列车中大 部分车辆没缓解，重载列车起动不起来；起动晚了，重载列车已缓解完，尾部 车辆要往后溜，也会造成起动困难。 2 ) 动力制动 当重载列车在下坡道利用动力制动进行调速时，应注意平稳调节，逐渐增 加制动电流，在重载列车处于压缩状态时，加大制动电流，使得重载列车冲动 较小。利用动力制动进行调速，必须考虑重载列车脱轨稳定性的影响。 3 ) 重载列车的常用制动及缓解 重载列车施行空气制动时、出于制动波的传送，前部车辆先制动减速，后 部未制动的车辆向前冲，重载列车之间易产生挤压作用，由此可知，重载列车 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 制动时的车钩状态对冲动影响较大。而纵向冲动力大时，则容易造成断钩。 4 ) 紧急制动 重载列车紧急制动时纵向冲动很大，重载列车在不同的速度下紧急制动的 最大车钩力是不一样的。当重载列车低于4 0 k m h 时，紧急制动产生的纵向冲动 很大，所以应尽量避免重载列车在4 0 k m h 以下紧急制动。 5 ) 制动调速 在长大下坡道上调速制动，重载列车制动后的再充风是个大问题。在较大 下坡道上单独用空气制动调速制动时，可能造成重载列车充风不足。 1 3 世界重载运输发展现状 1 3 1 国外重载铁路发展 美国，加拿大，澳大利亚，巴西，俄罗斯，印度，南非，瑞典是几个典型 重载运输国家隅1 。 1 ) 美国重载运输呻1 美国是世界上重载运输最发达的国家，按2 0 0 4 年的统计，美国铁路营业里 程2 7 万公里，居世界首位，铁路货运量达到1 9 5 亿吨，货运周转量达2 5 0 9 5 亿吨公里，重载列车平均牵引重量达5 2 2 0 吨，居世界第二位。其中开展重载运 输的1 级线路约1 6 万公里，7 0 以上铁路线路实现了重载运输。美国一级铁路 重载列车平均牵引重量达9 6 0 0 多吨。美国诺福克西方铁路公司开行的运煤重载 列车，全长6 5 0 0 m ，编组5 0 0 辆，总重达4 4 0 6 6 吨。 2 ) 澳大利亚重载运输 澳大利亚重载运输近年来取得了辉煌成绩。澳大利亚的昆士兰煤运重载铁 路全部是轨距为1 0 6 7 m m 的窄轨铁路，连接着昆士兰6 大煤矿系统与煤炭输出港 口的6 个大煤码头，煤运重载铁路全长2 0 0 0 k m ，其中7 0 是电气化铁路。澳大 利亚b h p 重载铁路正在预备进行8 2 0 0 0 吨牵引重量的单元重载列车试验。 3 ) 加拿大重载运输纠 2 0 0 4 年，加拿大铁路营业里程4 8 万多公里，铁路平均牵引总重达5 3 1 8 吨，平均牵引总重位居世界第一( 除美国一级铁路外) 。 4 ) 俄罗斯重载运输n 3 1 俄罗斯铁路营业里程8 5 万公里，电气化率达4 9 6 。1 9 9 8 年后，俄罗 斯铁路承担全国货物周转量达8 0 以上，主要大宗货物有煤炭，石油，矿石， 水泥，木材等，平均牵引总重达3 6 0 7 吨，位居世界第三位。 5 ) 其他国家重载运输发展 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 南非铁路有两条重载铁路线，o r e x 铁矿重载铁路为单线准轨，全长8 6 0 k m ， c o a l i n k 运煤重载铁路为窄轨复线，全长6 0 0 k m 。南非铁路已经在其他普通窄轨 线路上将轴重从1 6 吨一1 8 吨提高到2 0 吨- 2 2 吨，并开行了长大编组重载列车4 1 。 瑞典铁路北部的挪威一瑞典矿山铁路全长5 4 0 k m ，是瑞典北部专用的矿山铁 路，1 8 8 8 年开通时，轴重才1 1 吨，1 9 9 7 年前已采用了2 5 吨轴重，2 0 0 0 年瑞典 对线路和机车车辆进行了改造，机车轴重达3 5 吨、新型运矿石敞车轴重达3 0 吨。 1 3 2 国内重载铁路发展 目前，中国铁路重载运输技术达到了世界先进水平n 扣蚓。在京哈、京沪、京 广、陇海、侯月等主要干线普遍开行了5 0 0 0 吨至6 5 0 0 吨重载列车，大秦铁路大 量开行1 万吨和2 万吨重载组合重载列车，运量由2 0 0 2 年的1 亿吨，增长至1 j 2 0 0 7 年 的3 亿吨n9 | ，创造了世界铁路重载运输的奇迹。不仅如此，大秦铁路的目标还在 不断提升，将来会达到3 5 亿吨或者4 亿吨。 我国铁路重载运输经历了三个阶段晗叫：第一阶段( 1 9 8 4 年1 9 9 0 年) 为改造 旧线、开行组合式重载列车模式；第二阶段( 1 9 9 0 年1 9 9 2 年) 为新建大秦铁 路，开行单元式重载列车模式，单元重载列车的重量达到了1 0 0 0 0 吨，成为中国铁 路重载运输发展的重要标志心1 j ；第三阶段( 1 9 9 2 年以后) 为逐步改造既有繁忙干 线，开行整列式重载列车模式e e e ，在一些主要干线繁忙区段组织开行5 0 0 0 吨级 的整列式重载列车，扩能效果显著，已成为我国发展重载运输的主要方式。 1 4 重载列车一些关键技术发展现状 各国为了发展重载运输，花费了大量的精力研究一些关键技术，包括车钩 强度和缓冲能力，制动技术，多机重联控制技术等方面，都得到全面提高和加 强。以下是各个国家在不同领域的研究现状： 1 ) 高强度旋转车钩及大容量高性能缓冲器比羽 重载列车在常用、紧急制动时经常发生前后制动力不一致，造成断钩，脱 轨事故；在长大下坡道上由于没有阶段缓解作用，再充气时间过长，容易造成 重载列车失控，威胁行车安全。提高车钩强度及缓冲器的容量特性是保证重载 列车安的重要措施。目前美国a a r 标准规定e 级车钩，破坏强度可达9 3 4 2 k n 。 m a r k 5 0 型缓冲器容量为5 3 8 k j ，行程可为8 3 m m 能量吸收率达9 0 瞳3 1 。 2 ) 制动技术的发展心4 1 为尽可能使长大列车的制动力均匀，减小列车纵向冲动，1 9 9 5 年美国首先 研究电控空气制动系统( e c p ) 技术，1 9 9 7 年开始在美国，加拿大装车试验取得 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 成功，1 9 9 9 年美国从r 开始制订e c p 规范标准拉5 | 。目前e c p 已在美国、加拿大、澳 大利亚、南非等国l 万吨以上重载列车上批量装车运用达数万辆。 3 ) 提高轴重 增大轴重是重载扩能的有效措施，但增加轴重不可避免地要增大轮对间的 相互作用力，加剧车轮与钢轨磨损，增加运营成本，因此轴重的增大需要科学 合理地加以论证。美国1 9 8 8 年1 9 9 5 年在普韦布洛f a s t 环线上进行了3 5 4 t 轴重 的运行试验，研究其安全性和经济性进行，重点对制约轴重增加的主要因素， 如桥梁、钢轨、道碴、路基、焊接接头等进行详细的检测，结果表明在北美开 行3 5 4 t 轴重是可行的，目前美国正在普韦布洛f a s t 环线上进行3 9 t 轴重的运行 试验。美、加、澳已普遍采用3 5 4 t 轴重，巴西、瑞典已采用3 0 t 轴重，南非、 澳大利亚昆士兰窄轨铁路已采用2 8 t ( 旧车2 6 t ) 轴重，俄罗斯重载列车轴重提高 至u 2 7 t ，欧洲铁路重载列车也己向2 5 t 轴重迈进，我国目前大部分采用2 5 t 轴重， 并正在进行轴重增大至3 0 t 的研究工作。 4 ) 采用新型转向架及悬挂系统m 1 重载车辆均采用经典的三大件转向架，1 9 9 9 年 - 一2 0 0 1 年美国试验了4 种改进 悬挂系统的转向架，取得良好的结果。改进的转向架在3 5 4 t 轴重下还比3 0 t 轴 重时曲线区段的横向力降低5 0 ，直线区段阻力降低1 5 ，曲线区段阻力降低 5 0 ，点头、沉浮加速度小于l o g ，最高运行速度可达l o o k m h 。加拿大试验的 控制型转向架，也取得较好效果。美国t t c i 改进旁承承载方式，可提高重载货 车的稳定性和空车爬轨倾向，将运行速度提高了2 4 3 2 k m h 。 1 5 重载列车系统动力学问题 重载列车系统动力学研究目的，是分析重载列车在运行过程中机车车辆与 线路、研究重载列车中机车车辆之间相互关系和相互作用，并寻求合理措施来 改善他们之间的动态相互关系，降低其有害作用，保证重载列车运行安全可靠。 重载列车系统动力学的研究主要有三大方面：重载铁路轮轨相互作用理论， 重载车辆动力学分析和重载列车纵向动力学。 1 ) 重载铁路轮轨相互作用理论心7 8 | ； 运用车辆一轨道耦合动力学理论，从重载铁路车辆和轨道总体大系统的角 度，通过建立重载货车与轨道相互作用动力学模型，综合探讨重载铁路轮轨动 力作用问题及其影响因素。 2 ) 重载车辆动力学分析心9 i ； 重点是分析在轮轨相互作用条件下，重载列车运行中车辆各部件在垂向和 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 横向的受力状况、运行的安全性和平稳性。通过研究改进线路结构、车辆结构， 达到减轻轮轨相互作用的目的。 3 ) 重载列车纵向动力学”。 重载列车纵向动力学主要分析对车钩力和纵向冲动不能超限的要求，计算 不同重载列车编组、不同运行工况及线路条件下车辆间的纵向动力作用问题。 重载列车纵向动力学与一般牵引计算不同、它是以整个重载列车系统为研 究对象，考虑了车钩的间隙、缓冲器的非线性特性，机车的牵引及动力制动特 性，重载列车的空气制动特性等。目的是分析改进重载列车制动装置、车钩及 缓冲装置、列车编组及机车配置、提出科学合理的重载列车操纵方法，从而减 小重载列车纵向冲动，确保重载列车安全运行。美国从r 、加拿大国家铁路技术 中心、澳大利亚、莫斯科铁道科学研究院及一些大学均开展了这方面的试验和 理论分析工作。我国在“七五”、“八五”期间，对重载列车动力学也进行了系 统深入的研究。 1 6 论文选题的目的和意义 由于重载列车重量增大，长度增加，列车运行中的牵引力及制动力也加大， 制动波传递时间加长，随着新型大功率电力机车牵引能力的大幅度提高，重载 列车的冲动、机车的安全性、钩缓装置等面临一系列挑战，列车的冲动、断钩、 脱钩、脱轨，线路变形及养护维修工作量增大、轮轨磨耗加剧”】等，已成为重 载铁路运输中的突出问题。 多种型号的轴功率不低于1 2 0 0 k w 的四轴或六轴大功率重载电力机车在试验 和运用中也出现了车轴横向力偏大，成为重载运输中面临的一个新的问题尤 其是机车实施电制动时，不能忽略钩缓装置对机车动力学性能的影响，本论文 工作即针对这一特殊问题而开展。图1 一l 所示为重载牵引机车的一次扩轨掉道事 故。 幽卜j 董哉蜘牟自轨掉迪事战 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 据相关专家分析，此掉道事故主要是由钩缓装置引起。重载运输中钩缓技 术一直是一项关键技术，但钩缓装置对机车动力学的影响过去没有专门提出， 本文重点针对此问题开展研究。 1 7 本文研究内容 本文在动力学仿真环境下，综合考虑重载机车和钩缓装置模型，建立了完 整的列车分析模型，重点对车钩承受纵向压力条件下机车的动力学性能进行分 析，找出钩缓装置对重载机车安全性的影响。具体工作如下： 1 ) 从几何结构的角度出发，将钩缓装置分为两大类，即小摆角车钩和大摆 角车钩。并分析纵向压力作用下大摆角车钩的力学性能，包括稳钩能力，复位 原理，车钩自由偏转角的确定等。 2 ) 针对目前我国的重载列车，分别建立重载机车模型和钩缓装置子模型， 然后将重载机车模型以及钩缓装置子模型有机结合起来，设计两种编组形式， 通过比较其优缺点，建立一个完整、相对合理重载列车制动系统动力学模型。 3 ) 利用建立的模型分析重载机车在直线、弯道、坡道以及由它们共同组成 的轨道上分别以不同速度牵引时的脱轨安全性。充分考虑钩缓装置几何结构对 重载列车脱轨安全性的综合影响，争取更加真实地模拟重载牵引机车在实际复 杂环境中的运动状态。 4 ) 分析制动过程中的纵向压力对重载机车在直线、弯道和坡道等复杂线路 工况下的脱轨安全性的影响，力求对重载列车的行车安全性做出更加准确的评 估，进而为重载列车提出更加切实可行的安全保障措施做准备。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 第2 章重载机车钩缓装置综述 机车车端的钩缓装置对运行安全起着至关重要的作用，需要承受巨大的连 挂冲击力，并通过缓冲装置吸收冲击能量、减4 , n 车车钩力和加速度。 2 1 钩缓装置概述 钩缓装置位于机车两端，用于实现相互连挂、传递牵引力或压缩力及缓和 纵向冲击。它由车钩、缓冲器、钩尾框、从板等零部件组成引。图2 - 1 所示为 一种重载钩缓装置。 图2 1 钩缓装置结构小恿图 车钩缓冲装置一般组成一个整体安装于车底架两端的牵引梁内，其前、后 从板及缓冲器卡装在车体牵引梁的前、后从板座之间，下部靠钩尾框托板及钩 体托梁托住。 用作图法描述车钩钩头连接处在牵引、直线受压、曲线受压3 种情况下的 受力状况如图2 2 所示。 ( a ) 直线受拉 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 ( b ) 直线受压 c a ( c ) 直线或曲线受压 图2 2 车钩的几种典型作用状态 在直线受拉状态下，钩头力作用于钩舌与车钩中心线位置的公切面，与水 平横向呈3 0 。角，如图2 - 2 ( a ) 所示：直线受压状态下，如果完全对称，钩头 处形成4 个接触位置a l 、a 2 、b 1 、b 2 ，如图2 - 2 ( b ) 所示；当车钩连接处受压， 且处于最大水平转角时，这种情况通常应出现在曲线上，直道上随着电制动力 的增大也会可能出现这种情况。图示法也表明，两个钩头的转动角度增大到最 大相对转角时，且角度进一步增大时，将发生结构干涉，此时车钩的相互作用 已失去了对称性，由图2 2 ( c ) 中左侧车钩在c 1 、c 2 个点推动右侧车钩。 为了保证车辆连挂安全可靠和钩缓装置安装的互换性，我国铁路机车车辆 有关规程规定：钩缓装置装车后，其车钩钩舌的水平中心线距钢轨面在空车状 态下的高度，客车为8 8 0 r a m ( 允许+ l o m m ，- 5 m m 误差) ，货车为8 8 0 r a m ( l o m m ) 。 两相邻车辆的车钩水平中心线最大高度差不得大于7 5 m m 。 2 2 重载列车车钩综述 按照牵引连挂装置的连接方式，车钩可分为自动车钩和非自动车钩。自动 车钩不需要人工参与就能实现连接，非自动车钩则要由人工完成车辆之间的连 接，目前尚在使用的非自动车钩是螺杆链环式车钩。自动车钩基本上有两种类 型：一种是詹尼式车钩的发展型，具有闭锁、开锁、全开三态，美国、中国、 日本等国铁路所使用的车钩属于这种类型：另一种是威利森式车钩的发展型， 它的闭锁和全开两个状态合在一起，苏联铁路和欧洲铁路共同研制的新型车钩 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 都属于这种类型。 。 车钩由铸钢制成，并具有标准的连结轮廓，主要由钩头、钩身、钩尾三部 分组成。钩头内装有钩舌、钩锁铁、钩舌推铁、锁舌销等零件。 2 2 1 国内车钩发展 中国铁路先后开发了2 号、1 3 号、1 6 号、1 7 号、1 3 a 等型号的车钩，车钩 材料也由z 6 2 3 0 4 5 0 提升为c 级钢、e 级钢，强度水平从1 5 0 0k n - - 2 3 0 0 k n 提 高到了3 0 0 0 k n 3 5 0 0 k n ，连接间隙从1 9 5 m m 减小到1 2 m m 呤p 蚓。我国机车车辆 用各主型车钩制造材料和工艺如表2 - 1 所示。 表2 - 1 我同机车车辆用各主型车钩制造材料和t 艺 特点与强材料牌号与应川范使， j 寿 型号制造年份钢种制造工艺 度等级热处理t 艺围余 普通型普碳钢 z 6 2 3 0 4 5 1 3 号6 0 年代货车用已停产 2 2 5 0 k n铸造正火或退火 1 9 9 3 年起普通型c 级钢铸造 1 3 c淬火+ 回火 货车用 2 5 批量生产，2 9 5 0 k n z g 2 5 h 4 n c r n i m o 9 0 年代中普通型 e 级钢铸造 1 3 e淬火+ 回火 货车用 2 5 期少量生产 3 4 3 0 k nz g 2 5 m n c r ni m o 2 0 0 0 年起小间隙型e 级钢铸造 1 3 a 淬火+ 回火货车用 2 5 批量生产，3 4 3 0 k n z g 2 5 m n c r n i m o 1 9 9 0 年起联锁型e 级钢铸造大秦线 1 6 号淬火+ 回火2 5 小批量生产，3 4 3 0 k nz g 2 5 m n c r nim o用 1 9 9 0 年起联锁型e 级钢铸造大秦线 1 7 号淬火+ 回火 2 5 小批量生产3 4 3 0 k n z g 2 5 m n c r nim o 用 动车2 0 0 0 年开密接型e 级钢铸造 淬火+ 回火 各动车 车钩始生产，1 2 0 0 k n z g 2 5 m n c r nim o 绁川 2 5 2 2 2 国外车钩发展 至1 9 0 年代末美国铁路全部采用了自动车钩，日本铁路在1 9 2 5 年7 月1 7 日一举 将原有链钩换成自动车钩，苏联铁路在1 9 5 1 一- - 1 9 5 7 年实现了自动车钩化。欧洲 一些国家的铁路目前主要仍用螺杆链环式非自动车钩，俄罗斯新研制的货车用 c a 一4 型自动车钩。埘啪1 。 目前国际上最典型的货车车钩是美国的e 型、f 型钩舌式车钩，各制造商生产 的车钩必须具有良好的互换性。主要车钩型号、规格和技术参数见表2 - 2 。 为了进一步提高钩缓装置的耐磨损性能、抗拉强度和减小匹配及其质量，近 年来，各制造公司都在提高设计与制造标准和开发新品上下功夫。如：俄罗斯新 开发了“雄鹰 号电动车组钩缓装置和b c y l 型、b c y - 2 型、b c y - 3 型并n b c y - 4 型 西南交通大学硕士研究生学位论文第”页 钩缓装置。 表2 - 2 最典型的美式货车车钩m 1 系 型号 材质 钧身强度等级 列 长m m 结构特点备注 k n e 6 0 d e5 4 6普通型2 9 5 0 e 型钩自1 9 3 2 年 e s b e 6 0 d ee5 4 6 带下止挡 2 9 5 0 起为货车主型车 系 s e 6 0 d e 级 5 4 6 上下均带止挡 2 9 5 0 e 6 7 c e钢 6 3 5 普通型 2 9 5 0 钩。1 9 8 0 年后带 列止挡车钧陆续投 s e 6 7 c e6 3 5上下均带止挡2 9 5 0 入运用。 s b e 6 7 c6 3 5带下止挡2 9 5 0 f 7 0 d e4 3 8 联锁【占1 定钩 2 9 5 0 s f 7 0 d e4 3 8 联锁同定钩带上止挡 2 9 5 0 f 7 3 b e7 11 联锁l 占1 定钩2 9 5 0 f 型钩自1 9 5 4 年 ff 7 9 d ee7 8 7联锁嘲定钩2 9 5 0 起为特种货车车 系 s f 7 9 d e级7 8 7 联锁同定钩带上i = 挡 2 9 5 0 钩1 9 8 0 年后带止 列 f f 5 0 7 w e 钢 7 8 7 联锁阎定钩 2 9 5 0 f f 6 0 4 w e1 0 4 1 联锁l 占1 定钩 2 9 5 0 挡车钩陆续投入 f f 2 1 2 w e4 3 8 联锁【占1 定钩 2 9 5 0 运用。 f r 2 0 7 e4 3 5 联锁旋转钩 2 9 5 0 f r 2 0 9 e4 3 8 联锁旋转钩 2 9 5 0 e 6 8 c e7 8 7 e 钩头f 钩尾 2 9 5 0 e 6 9 b e1 2 1 9 e 钩头f 钩尾 2 9 5 0 e f 2 0 2 w e4 3 8 e 钩头f 钩尾 2 9 5 0 e fe f 2 0 3 w e e 4 3 8 e 钩头f 钩尾带下止挡 2 9 5 0e f 型钧1 9 6 0 年后 系e f 2 0 3 w e级4 3 8 e 钩头f 钩尾 2 9 5 0 研制成功。1 9 8 0 列 e f 3 0 5 w e 钢 5 5 9 e 钩头f 钩尾 2 9 5 0 年后带止挡车钩 e f s 0 2 w e7 8 7 e 钩头f 钩尾 2 9 5 0 陆续投入运用。 e f 8 0 6 w e1 2 1 9 e 钩头f 钩尾 2 9 5 0 s b e 6 8 c e7 8 7e 钩头f 钩尾带f 止挡2 9 5 0 s e 6 9 b e1 7 5 2 e 钩头f 钩尾带上下l ：挡 2 9 5 0 2 3 重载列车缓冲器综述 缓冲器用来缓和重载列车在运行中，由于机车牵引力( 制动力) 的变化或在 启动、调速及调车作业时车辆相互碰撞而引起的纵向冲击及振动。缓冲器具有 粘弹性特性，在纵向拉压力作用下具有一定的弹性变形，同时耗散车辆之间冲 击和振动能量，从而减轻对车体结构和装载货物的坡坏作用，提高重载列车运 行平稳性。 缓冲器按结构特征和工作原理，一般可分为以下几种：弹簧式缓冲器、摩擦 式缓冲器、橡胶缓冲器、摩擦橡胶式缓冲器、粘弹性橡胶泥缓冲器、液压式缓 冲器、空气缓冲器等。摩擦式缓冲器和摩擦橡胶式缓冲器因其结构简单、制造 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 方便、成本低等特点而得到广泛应用。 缓冲器的性能由以下主要参数表述： 1 最大行程：缓冲器受力后产生的最大变形量称为最大行程。当缓冲器达 到最大行程时，弹性元件处于全压缩状态，如再加外力，变形量也不再增加。 2 最大作用力：缓冲器产生最大变形时所对应的作用外力。 3 容量：缓冲器在全压缩过程中，作用力在其行程上所做的功的总和，是 衡量缓冲器能量大小的主要指标，如果容量太小，则当冲击力较大时就会使 缓冲器全压缩而导致车辆的刚性冲击。 4 初压力：缓冲器的静预压力，对重载列车启动加速度有影响。 5 能量吸收率：缓冲器在全压缩过程中，有部分能量被阻尼所消耗，其 消耗部分的能量与缓冲器容量之比称为能量吸收率。吸收率越大，表明缓冲 器吸收冲击能量的能力愈大，反冲作用越小。否则，缓冲器必须往复工作几 次方能将冲击能量消耗尽，这将导致车钩和车底架过早疲劳损坏，并且加剧 重载列车纵向冲动。一般要求缓冲器的能量吸收率不低于7 0 。 2 。3 1 国内缓冲器 缓冲器从建国初期的2 号、3 号开始，又先后开发了m ) ( 一1 型橡胶缓冲器、 m t - 2 型、m t - 3 型缓冲器以及大容量弹性胶泥缓冲器等产品，容量水平从早期 的2 0k j 、3 5k j 、5 0k j 提高到了1 0 0k j 。货车钩缓系统的发展是和货车的 重载化同步进行的，目前基本上能满足国内的运输需求，但对m t 类缓冲器仍 需进一步系列化。对橡胶或弹性体类缓冲器、液压或弹性体类长行程缓冲器、 与牵引杆配套的小行程等缓冲器，在引进与国产化基础上，需要进一步开发与 应用。动车组基本采用密接式车钩与m 摩擦式缓冲器h8 | 。我国重载列车车辆所 用的各主型缓冲器的简要情况参见表2 3 。 2 3 2 国外缓冲器 美国货车缓冲器的代表产品有：m a r k5 0 型、c r o w ns e 型摩擦式钢弹簧缓冲 器，m a r kh 6 0 型组合式摩擦缓冲器，s l 一7 6 型摩擦式橡胶缓冲器，t f 一8 8 0 型摩 擦式弹性体缓冲器，t w i np a c k 型双盒缓冲器及l p d 型液压缓冲器等h 9 j 。 日本的缓冲器经历了从简单圆弹簧式一圆弹簧摩擦式一神钢型方弹簧一 环簧式一环簧组合式一单型橡胶式一橡胶组合式的演变唧1 。 俄罗斯2 0 0 6 就研制出了铁道车辆用h l ( h 一“0 型新的冲击式缓冲器和大容量 弹性胶泥缓冲器并迅速投入使用。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 表2 - 3 我国机车车辆用箨主型缓冲器概况 阻抗行程容量删造j , l z i t j使川 型号类型生产情况 ) l k n m m k j材料范罔寿命 弹簧6 4 9 3 机车 1 9 8 0 年前的主型 2 弓 1 2 0 06 0 s j 2 帅6 缓冲器之一，2 0 0 0 摩擦式 6 82 4 赞车 年起停产 弹簧 5 8 1 8 - - 机车 1 9 8 0 午前主型缓 3 导 9 0 02 g 2 3 0 4 5 0l o 冲器之一，1 9 9 5 年 摩擦式 6 02 0 货车 起停产 橡胶 4 0 机车 1 9 7 6 一1 9 9 5 年主 m x 一1 1 7 0 06 5z 6 2 3 0 - 4 5 0l o型缓冲器，1 9 9 5 摩擦式 4 3 货车 印起停产 弹簧机车2 号的改进型，通 6 21 6 3 07 34 2 6 0 s 1 2 m n 摩擦式赞车过雅定后未生产 橡胶机车m xl 的改进型通 m x 一21 8 0 07 64 5z 0 2 3 0 4 5 0 摩擦式 货车过壤定后未生产 弹簧 7 6 蓖载 1 9 9 2 年起为主型 m t 一22 2 0 05 02 6 2 3 04 5 02 6 缓冲器1 9 9 0 ，十起 摩擦式( 8 3 ) 货车 批量生产 弹簧 通川 1 9 9 2 ，卞起为主型 m t32 0 0 08 34 52 6 2 3 0 4 5 02 6缓冲器，9 0 年起 摩擦式货车 大批量生产 弹簧 通川1 9 9 8 印起批量生 s t2 0 0 07 33 5 z 6 2 3 0 4 5 06 摩擦式货车产2 0 0 1 年停产 24 目前国内重载机车采用的几种典型钩缓装置 2 41f t 钩缓装置 f t 钩缓装置采用高吸能特性的弹塑性材料，分前后2 级，其中后级具有保 持直线的位移的导柱，车钩采用圆销实现大摆角，虽然具有车钩凸肩，但凸肩 与前从板间由软弹簧支承，目的是实现摘钩自对中，不可能提供