劉　嘉, 羅世輝， 馬衛(wèi)華, 伍泓樺

(1　西南交通大學(xué)　牽引動力國家重點實驗室， 成都 610031；2　中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司　機(jī)械動力工程設(shè)計研究院， 成都 610031)

HXD1型機(jī)車主要承擔(dān)大秦線2萬t重載組合列車牽引任務(wù)，較好地適應(yīng)了重載運輸?shù)男枨?，但渡板變形問題一直未得到很好的解決。實際調(diào)研發(fā)現(xiàn)，故障主要集中發(fā)生于大秦線147 km等彎道處。從渡板變形部位來看，碰撞發(fā)生在列車通過彎道時，一節(jié)機(jī)車的渡板與另一節(jié)機(jī)車端部在列車縱向沖動力的作用下車鉤將產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)行為[1-2]，車鉤的偏轉(zhuǎn)將使得車鉤力產(chǎn)生橫向分力，兩節(jié)機(jī)車發(fā)生較大的橫向錯位，引起渡板碰撞。重聯(lián)機(jī)車渡板的變形表明機(jī)車在運行過程中，有出現(xiàn)緩沖器失效、車鉤尾框變形、二系吸收元件裂損等機(jī)車故障的可能，同時帶來一定安全隱患，嚴(yán)重時甚至可能引發(fā)列車脫軌[3]。所以重聯(lián)渡板的變形情況必須引起相關(guān)人員的高度重視。

國內(nèi)外的研究中，王璐科[4]采用疊加法分析了重聯(lián)機(jī)車過小半徑曲線時的狀態(tài),分析了渡板發(fā)生大的相對橫向位移的原因。李明明[5]通過分析柔性重聯(lián)渡板的結(jié)構(gòu)及其運行環(huán)境，找出其故障原因，并提出了改進(jìn)方案。朱國輝[6]等人通過對車鉤緩沖裝置結(jié)構(gòu)分析，闡明了在列車縱向沖動力作用下，13B型車鉤擺角超限的形成機(jī)理，找到渡板變形的根本原因，以上都是基于結(jié)構(gòu)對該問題的理論分析。

文中主要通過動力學(xué)方法來研究渡板的變形問題，是基于對重載列車鉤緩裝置行為與其對列車的運行性能影響的研究。陽光武等將鉤緩裝置簡化為只有單一轉(zhuǎn)動自由度的直桿，研究列車曲線通過時車鉤偏轉(zhuǎn)對列車的影響[7]；El-Sibaie提出大車鉤擺角在縱向壓力下會影響列車運行安全性[8]；Cole等研究了不同鉤緩裝置下列車的車鉤力與車鉤緩沖器的參數(shù)對列車的影響[9-10]。以上的研究將鉤緩裝置簡化為線性彈簧阻尼系統(tǒng)或?qū)④囥^的影響以力的形式輸入列車模型，不能實時研究鉤緩裝置的運行性能，也不能對車鉤運動進(jìn)行限制。許自強(qiáng)等在此基礎(chǔ)上建立了考慮車鉤自由擺角、緩沖器部分阻抗特性、車鉤止擋的鉤緩動力學(xué)子模型，將此模型輸入列車模型，分析了列車電制動工況安全問題，并研究了車鉤的運行行為與緩沖器阻抗特性對機(jī)車動力學(xué)的影響[11]。

1　理論分析

1.1　HXD1型機(jī)車渡板碰撞的理論分析

根據(jù)實際調(diào)研情況發(fā)現(xiàn)，中部機(jī)車渡板發(fā)生碰撞變形時，基本都有以下特征：一是列車運行至曲線路段；二是中部機(jī)車重聯(lián)車鉤處于壓縮狀態(tài)；三是中部機(jī)車受到縱向沖動的瞬間。

大秦線開行的重載組合列車中部重聯(lián)機(jī)車主要配備13A型車鉤，13A型車鉤在從板與鉤尾間設(shè)置了摩擦弧面。在摩擦面的作用下，如果兩個面間有相對運動或相對運動趨勢則會有相應(yīng)的動摩擦或靜摩擦力f產(chǎn)生。這個摩擦力的作用就是阻止車鉤發(fā)生偏轉(zhuǎn),提供穩(wěn)鉤力矩。列車運行至曲線路段時，兩節(jié)中部機(jī)車之間形成一定的夾角，若此時重聯(lián)車鉤受縱向沖動力F，會產(chǎn)生一個沿車體橫向的分力F′通過車鉤緩沖裝置作用于車體，使兩節(jié)車體間產(chǎn)生橫向錯位，車鉤偏轉(zhuǎn)角α進(jìn)一步增大，特別是當(dāng)中部機(jī)車受到縱向沖動的瞬間，可能產(chǎn)生車體嚴(yán)重錯位。

圖1　鉤緩裝置受力分析

1.2　渡板碰撞臨界條件分析

渡板邊角變形主要是重聯(lián)機(jī)車在運行中，渡板與車體后端部發(fā)生碰撞卷邊，即：渡板A圓弧1和圓弧2分別與機(jī)車B端點1和端點2發(fā)生碰撞；渡板B圓弧1和圓弧2分別與機(jī)車A端點1和端點2發(fā)生碰撞。各點位置由圖2所示，由渡板尺寸及機(jī)車位置關(guān)系可知初始狀態(tài)車體端點與對應(yīng)圓心的距離為450 mm，確定車體端點與對應(yīng)渡板圓弧圓心兩點之間的距離小于渡板圓弧半徑250 mm即為發(fā)生碰撞的臨界條件。

圖2　重聯(lián)機(jī)車渡板

2　動力學(xué)計算分析

2.1　列車動力學(xué)模型

2.1.1縱向動力學(xué)方程和TDEAS軟件介紹

列車中各車輛間沿軌道方向相互運動產(chǎn)生的振動響應(yīng)屬于列車縱向動力學(xué)研究范疇。當(dāng)以車鉤力分布規(guī)律為分析重點時，可忽略車輛的橫、垂向運動，僅考慮車輛的縱向伸縮自由度[12]。將機(jī)車車輛看作剛體，受力如圖3所示。

因此列車縱向動力學(xué)運動方程寫為：

miXi″=Fci-1-Fci-Fwi+FTEi-FDBi-FBi

(1)

式中mi為第i輛車的質(zhì)量；Xi″為第i輛車的加速度；Fci為第i對車鉤的車鉤力；Fwi為運行總阻力(包括：運行阻力、空氣阻力、坡道阻力和曲線阻力等)；FTEi為牽引力；FDBi為機(jī)車電制動力；FBi為空氣制動力。

TDEAS縱向動力學(xué)仿真軟件是西南交通大學(xué)牽引動力國家重點試驗室機(jī)輛所相關(guān)研究人員以列車縱向動力學(xué)、列車牽引制動和列車能耗等理論為基礎(chǔ)開發(fā)的動力學(xué)及能量仿真平臺[13]。將機(jī)車車輛基本參數(shù)、機(jī)車牽引制動特性曲線、鉤緩裝置特性、機(jī)車操控和線路狀況等條件導(dǎo)入軟件，則可以仿真模擬列車運行。

圖3　機(jī)車車輛受力分析

2.1.2列車編組模型

仿真模擬采用的列車編組模式為：2臺HXD1型電力機(jī)車，‘1+1’編組牽引2萬t，即1臺主控機(jī)車+105輛C80貨車+1臺從控機(jī)車+105輛C80貨車+可控列尾裝置。根據(jù)實際試驗測試結(jié)果的概率統(tǒng)計分析，LOCOTROL裝備的主控機(jī)車與從控機(jī)車之間的操縱動作通常存在3～4 s的延遲時間[14]，本次仿真中部機(jī)車滯后時間設(shè)置為3.5 s。鉤緩裝置均采用牽引桿與16號17號連鎖車鉤并用(3車一組)，配備MT-2緩沖器。

2.1.3多體動力學(xué)模型

通過SIMPACK多體動力學(xué)軟件，建立13A型車鉤+QKX100緩沖器連接的中部機(jī)車動力學(xué)模型，各彈簧及減振器均按實際結(jié)構(gòu)建模，并充分考慮了減振器、輪軌接觸的非線性特性。列車模型中，與機(jī)車相鄰的貨車采用的詳細(xì)模型，這是因為簡化貨車只考慮了單一縱向自由度，不會發(fā)生搖頭或點頭運動，影響與之相連車鉤的偏轉(zhuǎn)角度，而詳細(xì)模型貨車車體具有6個方向的自由度，在運行時可以真實的反應(yīng)出車鉤的運行行為。鉤緩裝置的建模充分考慮鉤尾摩擦特性，鉤肩、鉤銷止擋特性，膠泥緩沖器在加載、卸載曲線上考慮初壓力、最大行程、最大阻抗力、吸收率及緩沖器壓死后的剛性沖擊等特性[15]。

圖4　中部重聯(lián)機(jī)車模型

2.2　線路條件設(shè)置

大秦線147 km處于一個長大下坡，最大坡度-11‰，曲線半徑800 m。選取130～160 km為仿真區(qū)間，最大高度差198 m。仿真模型具體線路設(shè)置如圖5、圖6，其中直線和圓曲線之間設(shè)置60 m緩和曲線，起到過渡連接作用，在直線上曲率、超高均為0，而在圓曲線上曲率、超高是一個穩(wěn)定值。緩和曲線的存在，可以避免曲率和超高的突變。

圖5　大秦線100～200 km高度差

圖6　大秦線100～200 km曲率

2.3　仿真結(jié)果

2.3.1縱向動力學(xué)仿真

大秦線130～160 km區(qū)間機(jī)車牽引運行速度和中部機(jī)車車鉤的受力情況如圖7和圖8所示。

由圖7可知，列車以60 km/h速度進(jìn)入K130，經(jīng)過一小段爬坡后進(jìn)入長大下坡，電制動力從0%增加至80%并一直保持，此時列車在沿坡道方向的重力分力大于電制動力和運行阻力之和，列車速度迅速增加，在K144+700處，速度增加至75 km/h。此時施加減壓量為70 kPa的空氣制動。列車經(jīng)過一段空走后速度迅速降低，在K147+300處緩解，緩解時速度約為59 km/h。此后速度略微下降后回升，且受緩解后列車縱向沖動影響，列車運行速度也出現(xiàn)小幅度波動。

圖8為通過TDEAS軟件縱向動力學(xué)仿真得到的列車中部機(jī)車車鉤受力情況。在K146處，施加減壓量為70 kPa的空氣制動后，車鉤力迅速增大。在K147處緩解后，由于中部機(jī)車緩解信號滯后和前部列車充氣較快，導(dǎo)致前部列車先緩解，造成瞬間較大的拉鉤力。在緩解信號給出約20 s后，壓鉤力達(dá)到最大，出現(xiàn)在C109車鉤，即中部機(jī)車與貨車相連車鉤，最大值達(dá)到970 kN。此后列車?yán)^續(xù)受縱向沖動傳遞影響，車鉤力振蕩變小。

圖7　列車運行速度

圖8　中部機(jī)車車鉤受力

2.3.2多體動力學(xué)仿真

圖9為大秦線縱向動力學(xué)仿真車鉤力時間歷程，在Simpack軟件中模擬該縱向沖動，其時間歷程參考圖9中1 030～1 070 s的變化曲線，給列車設(shè)置一個正弦波縱向壓力，壓鉤力最大值970 kN，計算時間40 s。

圖10為機(jī)車端點和對應(yīng)渡板圓弧圓心距離的時間歷程，由圖可知，機(jī)車A端點1與渡板B圓心1的距離和渡板A圓心2與機(jī)車B端點2的距離變化趨勢類似；渡板A圓心1與機(jī)車B端點1的距離和機(jī)車A端點2與渡板B圓心2的距離變化趨勢類似。

圖9　車鉤力時間歷程

圖10　機(jī)車端點和對應(yīng)渡板 圓心距離的時間歷程

圖11為重聯(lián)車鉤偏轉(zhuǎn)角時間歷程，當(dāng)t<12 s時，車鉤1的車鉤偏轉(zhuǎn)角不大，因此4條曲線記錄的距離呈減小趨勢主要是由于壓鉤力增大，造成的緩沖器壓縮行程變大引起的。當(dāng)12

2.4　機(jī)車橫向安全性分析

機(jī)車運行時，在線路、車輛狀態(tài)等多種因素的影響下，可能會導(dǎo)致脫軌，評定防止車輪脫軌的安全指標(biāo)為脫軌系數(shù)。研究4個導(dǎo)向輪對，最大脫軌系數(shù)為0.38，小于TB/T 2360-1993《鐵道機(jī)車動力學(xué)性能試驗鑒定方法及評定標(biāo)準(zhǔn)》對脫軌系數(shù)的限值0.9。同樣用該標(biāo)準(zhǔn)評價輪軸橫向力，過大的輪軸橫向力，會導(dǎo)致軌距加大，造成軌距不平順。仿真得到的最大輪軸橫向力為62 kN，小于標(biāo)準(zhǔn)限值116 kN。

輪重減載率是指輪重的減載量與左右側(cè)車輪平均輪重的比值。計算結(jié)果最大值為0.45，小于《鐵道車輛動力學(xué)性能評定和試驗鑒定規(guī)范》規(guī)定車輛輪重減載率的限值0.65。

圖11　重聯(lián)車鉤偏轉(zhuǎn)角時間歷程

圖12　彎道處渡板碰撞示意圖

指標(biāo)脫軌系數(shù)輪重減載率輪軸橫向力/kN標(biāo)準(zhǔn)限值0.90.65116仿真結(jié)果0.380.4562

2.5　縱向沖動對車體橫向錯位的影響

圖13為在相同仿真條件不同縱向沖動力下渡板圓心到對應(yīng)車體端點的最小距離和重聯(lián)車鉤偏轉(zhuǎn)角。隨著縱向沖動增大，車鉤偏轉(zhuǎn)角呈增大趨勢，車體橫向錯位越嚴(yán)重，達(dá)到最大自由偏轉(zhuǎn)角后不再增加。由圖還可以看出，在曲線半徑800 m的彎道處，當(dāng)縱向沖動力為920 kN時，渡板圓心到對應(yīng)車體端點的最小距離為碰撞臨界值250 mm，縱向沖動力大于920 kN時，渡板將發(fā)生碰撞。

圖13　渡板圓心到車端最小距離和車鉤偏轉(zhuǎn)角

2.6　制動操作方式的影響

在大秦線130～160 km區(qū)段，采用同樣的計算條件，列車在K146長大下坡空氣制動時，列車管減壓量從70 kPa減小到50 kPa，列車中部機(jī)車的車鉤力歷程如圖14。

圖14　中部機(jī)車車鉤受力

此操縱方式也可保證列車正常運行通過該區(qū)段，整個運行過程中車鉤的最大壓鉤力為806 kN，小于渡板碰撞的臨界縱向沖動力920 kN，可見減小空氣制動的減壓量可有效控制縱向沖動，從而避免渡板發(fā)生碰撞。

3　結(jié)　論

(1) HXD1型機(jī)車渡板變形故障主要發(fā)生于長大下坡的彎道路段，以大秦線130～160 km區(qū)間為典型路段進(jìn)行仿真分析，列車通過該區(qū)間時實施調(diào)速制動，仿真結(jié)果表明采用常用的最小列車管減壓量50 kPa調(diào)速制動時，中部機(jī)車最大車鉤力為806 kN，未發(fā)生渡板碰撞；而增大調(diào)速制動時的減壓量，將發(fā)生更大的縱向沖動，可引起渡板發(fā)生碰撞；

(2) 仿真計算得到大秦線147 km處以70 kPa的減壓量調(diào)速制動，最大車鉤力為970 kN，中部機(jī)車脫軌系數(shù)0.38，輪重減載率0.45，輪軸橫向力62 kN，以上機(jī)車運行安全性指標(biāo)滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

(3) 列車制動緩解時產(chǎn)生的縱向沖動是引起渡板碰撞的主要原因。在曲線半徑800 m的彎道，渡板碰撞的臨界縱向沖動力為920 kN，更大的縱向沖動將會引起渡板碰撞；

(4) 列車操縱方法對縱向沖動的影響較大，通過優(yōu)化制動操作等方法可減小2萬t重載列車通過困難路段時縱向沖動，從而減小機(jī)車的橫向錯位避免渡板碰撞變形，可通過本文的研究方法對碰撞進(jìn)行預(yù)測。