重载机车车钩自由角对轮轨动态安全性能的影响

重载机车车钩自由角对轮轨动态安全性能的影响

在运营过程中，车钩不仅应承受随机交变压力、压力和弹簧的作用，还应承担弯曲效应，使其复杂。近年来，随着铁路的快速发展，由于车钩引起的列车事故影响了正常的生产秩序，并直接影响了铁路运输能力的安全、畅通和经济效益。国内许多专家对车钩分离及与此相关的问题进行了研究,文献—文献的研究结果表明,在制动工况下,车钩纵向冲动剧烈,是车钩分离和脱轨的重要原因,文献与文献模拟和仿真计算了重载列车车钩纵向力,文献与文献以中间机车为研究对象分析车钩力,建立重载机车—轨道耦合动力学模型,研究轮轨动态相互作用性能,并且发现,当重载列车制动时,由于车钩最大横向摆角(以下统称“车钩自由角”)的存在,将产生较大的横向分力,对重载机车车辆动力学性能有明显的影响。因此,本文借助于耦合动力学理论,在文献与文献的研究基础上,以2万t重载列车的机车为研究对象,深入讨论车钩自由角对机车的轮轨动态安全性能的影响,确定2万t重载列车的机车车钩最大自由角的合理值,以期为确保重载列车安全运行及制订防脱轨措施等方面的研究提供理论依据。1车钩自由角对脱轨系数的影响车体受力模型、运动微分方程、车钩力取值及轨道随机不平顺测试样本见文献。后面分析条件均与之相同。仿真计算时,假设机车在直线运行的最高制动初始速度为80km·h-1(2万t重载机车实际最高运用速度),车钩最大自由角分别为3°与4°。计算出的轮轴横向力的结果如图1所示。可见,车钩最大自由角为3°工况时,轮轴横向力的最大值为65kN,小于安全合格限值79.3kN,满足安全运行要求;当车钩自由角增加到4°工况时,轮轴横向力迅速增加,其值多数大于80kN,最大值为130kN是车钩自由角3°工况的2倍,大大超出了安全合格限值,不再满足安全运行要求。2种条件下脱轨系数的计算结果如图2所示。车钩自由角为3°工况下,脱轨系数的最大值为0.45,小于限值1.0,如图2(a)所示。车钩自由角为4°工况下,脱轨系数明显大于车钩自由角3°工况时的计算值,且最大值为0.9,虽然小于限值1.0,但安全余量较小,如图2(b)所示。在轮轴横向力作用下,轨距将发生改变,车钩自由角为3°和4°工况下轨距动态变化的时间历程如图3所示。可见,当车钩自由角为3°工况时,轨距动态变化较小,轨距动态扩大量最大值为3mm;当车钩自由角增加到4°工况时,轨距动态变化非常明显,轨距动态扩大量普遍为6mm,最大值为14mm,是前者的4倍之多,这会对重载机车的安全行车不利。在整个直线运行过程中,2种工况下的左侧轮轨动态接触状态如图4所示。可见,当车钩自由角为3°工况时,左侧轮轨接触点分布正常,较均匀,未出现轮轨根部接触现象,也没有出现爬轨的现象。当车钩自由角为4°工况时,轮轨接触点分布出现了异常现象,在某些时刻,轮缘和钢轨侧面接触,出现了车轮爬轨的现象,极易发生机车脱轨事故,对安全行车构成危险。2种工况下的右侧轮轨动态接触变化情况如图5所示。可见:在车钩自由角3°工况下,右侧轮轨接触点分布很均匀,所有接触点均在车轮踏面和钢轨顶面区域;在车钩自由角4°工况下,右侧轮轨接触点非常集中,分布范围较小,易形成局部磨耗。针对车钩最大自由角为5°工况下的轮轨动态安全性能,也进行了仿真计算与分析,结果表明,当车钩自由角由4°增加到5°时,所有轮轨安全性能指标将进一步增加,轮轴横向力和脱轨系数超限,不再满足安全运行要求,其他安全性指标的余量较小,轮轨接触点分布出现了异常现象,左侧轮缘和钢轨侧面接触,出现了车轮爬轨的现象,并且发生的频率次数较多,右侧轮轨接触点非常集中,易于形成局部磨耗。由于篇幅所限,本文不再给出详细的计算结果。2制动初始速度对轨距动态扩大的影响前节讨论了制动初始速度为80km·h-1时车钩自由角对轮轨动态安全性能的影响规律,下面分析车钩最大自由角取3°、制动初始速度变化时重载机车的轮轨动态安全性能。轮轴横向力随制动初始速度变化的关系如图6所示。可见,在车钩自由角3°工况下,随着制动初始速度的提高,轮轴横向力明显增加,例如:制动初始速度70和90km·h-1条件下的轮轴横向力分别为62和113kN,后者几乎是前者的2倍。另外,当制动初始速度低于82km·h-1时轮轴横向力低于合格限值,满足安全运行要求;当制动初始速度高于82km·h-1后,轮轴横向力均超出了合格限值,不满足安全运行要求。轨距动态扩大对安全行车极为不利。在本节给出的计算条件下,轨距动态扩大量随速度的变化如图7所示。可见:当车钩自由角为3°工况时,随着制动初始速度的提高,轨距动态扩大明显,在制动初始速度70km·h-1时为2.5mm,而在制动初始速度90km·h-1时为5mm,后者比前者增加了1倍。3hxd2车钩改进为了适应我国重载铁路的发展,满足大秦铁路开行万t及2万t重载列车的需要,北车集团大同电力机车有限责任公司与法国阿尔斯通公司进行联合设计,合作研制了HXD2型大功率交流传动货运电力机车,该机车初期采用了益达—法维莱(FTA)车钩。但在2万t重载列车的运用过程中发现,在常用全制动过程中,从控机车受到纵向车钩压力,相邻2台机车的车钩力很大,同时车钩与车体之间产生约12°的自由转角,使前导轴产生了很大的横向力,不利于重载列车安全运营。随后对该车钩进行了大量的室内外试验研究,并进行了改进设计。从2008年7月15日后,HXD2机车装配DFC—E100车钩,改进后的车钩自由转角不超过3°。该车钩投入运营后,重载列车的运营安全性得到了很大的提高。实践效果与本文的理论分析吻合良好。4车钩最大自由角小,轮轨距不断(1)在相同制动初始速度条件下(80km·h-1):当车钩最大自由角为3°工况时,重载机车的轮轨动态安全性指标均满足运行要求,轨距动态扩大量较小,轮轨接触点分布正常;当车钩最大自由角为4°工况时,则轮轴横向力不能满足安全运行要求,轨距动态扩大量非常明显,出现了轮缘和钢轨侧面接触、