張志超，王 磊，李 谷，儲(chǔ)高峰，祖宏林，杜瑞濤

（1. 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司機(jī)車車輛研究所，北京 100081；2. 中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司機(jī)輛部，北京 100844）

長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)鐵路客運(yùn)列車分為機(jī)車頭部牽引普通客車和動(dòng)力分散動(dòng)車組2 類。為了提高運(yùn)輸效率和經(jīng)濟(jì)效益，我國(guó)在2018年研制了時(shí)速160 km 動(dòng)力集中復(fù)興號(hào)動(dòng)車組，通過(guò)一端為動(dòng)力車、另一端為控制車的方式，在國(guó)內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)了動(dòng)力集中動(dòng)車組的雙向駕駛，也突破了動(dòng)力車頭部牽引的固有方式［1-6］。當(dāng)控制車在主控位運(yùn)行時(shí)，動(dòng)力車通過(guò)在尾部頂推列車的方式為列車提供動(dòng)力。這種動(dòng)力車尾部頂推方式對(duì)優(yōu)化運(yùn)輸組織、解決實(shí)際運(yùn)輸問(wèn)題具有重要借鑒意義，例如：雙源動(dòng)力集中動(dòng)車組通過(guò)一端為電力動(dòng)力車、一端為內(nèi)燃動(dòng)力車的方式，解決電氣化和非電氣化鐵路的混合運(yùn)輸問(wèn)題；普通客運(yùn)列車通過(guò)尾部增加控制車的方式，可實(shí)現(xiàn)雙向駕駛功能。這些采用動(dòng)力車尾部頂推方式列車的運(yùn)行安全性問(wèn)題值得關(guān)注。

動(dòng)力車尾部頂推方式會(huì)使動(dòng)力車與拖車間的車鉤處于受壓狀態(tài)，車鉤在縱向壓力作用下如果發(fā)生水平偏轉(zhuǎn)，便會(huì)對(duì)車體產(chǎn)生一定的橫向分力，直接影響列車運(yùn)行穩(wěn)定性。在這種運(yùn)行方式下，動(dòng)力車牽引能力、車鉤穩(wěn)定能力等因素都會(huì)直接影響列車的動(dòng)力學(xué)性能和運(yùn)行安全性。雙源動(dòng)力集中動(dòng)車組動(dòng)力車的牽引功率比時(shí)速160 km 動(dòng)力集中動(dòng)車組大1倍多，當(dāng)動(dòng)力車以較大功率頂推列車通過(guò)小半徑曲線、道岔側(cè)線時(shí)，產(chǎn)生的輪軌橫向作用也會(huì)較強(qiáng)，不利于列車的安全運(yùn)行。普通客運(yùn)列車通過(guò)15X 車鉤連接動(dòng)力車與拖車，15X 車鉤采用鉤尾扁銷、摩擦弧面實(shí)現(xiàn)穩(wěn)鉤，這與密接式車鉤存在明顯不同。裝備15X車鉤的動(dòng)力車在曲線上頂推列車運(yùn)行時(shí)，車鉤與前后連掛車體中心線容易呈“之”字形分布，車鉤偏轉(zhuǎn)角增大明顯，直接影響列車運(yùn)行安全性［7-9］。因此，有必要對(duì)動(dòng)力車尾部頂推方式下列車的動(dòng)力學(xué)性能和安全性問(wèn)題開(kāi)展研究。

國(guó)外早在20世紀(jì)90年代就已經(jīng)研發(fā)了動(dòng)力集中動(dòng)車組［10］，例如德國(guó)ICE1/ICE2、意大利ETR500、法國(guó)TGV-A 等，這些動(dòng)力集中動(dòng)車組大多是1 臺(tái)動(dòng)力車牽引列車，也有前后2 臺(tái)動(dòng)力車推挽方式牽引列車，亦或1臺(tái)動(dòng)力車尾部頂推列車。國(guó)內(nèi)2018年成功研制速度160 km·h-1動(dòng)力集中動(dòng)車組，楊豆豆等［4，6］建立速度160 km·h-1動(dòng)力集中動(dòng)車組不同牽引方式和重聯(lián)方式下的動(dòng)力學(xué)模型，計(jì)算發(fā)現(xiàn)動(dòng)車組在直線線路上以尾部頂推方式運(yùn)行時(shí)與頭部牽引方式運(yùn)行時(shí)的安全性差異不大。總體來(lái)看，針對(duì)動(dòng)力車尾部頂推方式下列車的運(yùn)行安全性問(wèn)題研究還很少見(jiàn)到，已有研究也僅針對(duì)直線工況分析了動(dòng)力車尾部頂推方式的列車安全性問(wèn)題，針對(duì)更為危險(xiǎn)的曲線工況的相關(guān)研究并未涉及。

本文建立包括1 臺(tái)動(dòng)力車、2 節(jié)拖車以及密接式車鉤、15X 車鉤的動(dòng)力車尾部頂推方式列車動(dòng)力學(xué)模型，其中采用多邊形接觸方法模擬15X車鉤鉤尾弧面、鉤尾銷與銷孔的接觸摩擦作用；計(jì)算分析曲線線路上車鉤類型、動(dòng)力車頂推力大小對(duì)列車動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的影響規(guī)律，深入研究動(dòng)力車尾部頂推方式下動(dòng)力集中列車的動(dòng)力學(xué)性能和運(yùn)行安全性。

1 鉤緩裝置結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

對(duì)于動(dòng)力車尾部頂推列車，動(dòng)力車與連掛拖車的鉤緩裝置對(duì)縱向壓鉤力作用下列車的穩(wěn)定性和安全性具有重要影響。目前，時(shí)速160 km 動(dòng)力集中動(dòng)車組的動(dòng)力車與拖車間采用密接式鉤緩裝置連接，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。緩沖器一端連接車鉤鉤體，另一端通過(guò)橡膠鉤尾銷連接于車體，鉤體和緩沖器整體具有水平轉(zhuǎn)動(dòng)和垂向轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度，水平復(fù)原彈簧盒和支承彈簧盒分別起到回復(fù)車鉤水平和垂向轉(zhuǎn)動(dòng)的作用。

圖1 密接式鉤緩裝置結(jié)構(gòu)示意圖

除此以外，普通客運(yùn)列車中機(jī)車與連掛拖車之間會(huì)采用15X 鉤緩裝置連接其結(jié)構(gòu)如圖2所示。該車鉤主要裝備于客運(yùn)電力機(jī)車，其結(jié)構(gòu)形式與重載機(jī)車用100 型車鉤類似，主要依靠鉤尾摩擦弧面實(shí)現(xiàn)車鉤的受壓穩(wěn)定性。該鉤緩裝置主要由鉤頭、鉤體、鉤尾銷、鉤尾框、緩沖器、前從板、擺動(dòng)吊桿等組成。在縱向壓鉤力作用下，車鉤通過(guò)鉤尾圓弧面與前從板圓弧面相抵?jǐn)D壓緩沖器傳遞縱向力，同時(shí)鉤尾2 個(gè)圓弧面間的接觸摩擦作用還能提供阻止車鉤偏轉(zhuǎn)的回復(fù)力矩，起到穩(wěn)鉤作用。除此以外，車鉤鉤尾扁銷與鉤尾框的梨形孔在車鉤偏轉(zhuǎn)到一定角度后相抵，起到阻止車鉤進(jìn)一步偏轉(zhuǎn)的止擋作用。

圖2 15X鉤緩裝置結(jié)構(gòu)示意圖

2 壓鉤力作用下連掛車鉤準(zhǔn)靜態(tài)偏轉(zhuǎn)幾何關(guān)系

不同結(jié)構(gòu)形式的鉤緩裝置在縱向壓鉤力作用下會(huì)表現(xiàn)出不同的運(yùn)動(dòng)行為，進(jìn)而影響機(jī)車車輛的輪軌作用和動(dòng)力學(xué)性能?？v向壓鉤力作用下車鉤與車體在曲線線路上可能存在的2 種幾何關(guān)系分別如圖3和圖4所示。圖中：L1b和L2b分別為相互連掛的2個(gè)車體的轉(zhuǎn)向架定距；L1c和L2c分別為前后車鉤安裝點(diǎn)的縱向距離；α1和α2分別為前后車鉤與車體中心線的夾角；β1和β2分別為相互連掛2個(gè)車體中點(diǎn)和曲線線路圓心的連線與車鉤連掛點(diǎn)和曲線線路圓心連線的夾角；R為曲線半徑。

圖3 車鉤異側(cè)偏轉(zhuǎn)幾何關(guān)系

圖4 車鉤同側(cè)偏轉(zhuǎn)幾何關(guān)系

圖3中，車鉤與2 個(gè)車體中心線呈“八”字形分布，縱向壓鉤力對(duì)臨近車體的橫向分力都是指向曲線外軌方向，且2 個(gè)車鉤相對(duì)各自車體的偏轉(zhuǎn)方向相反，這種車鉤偏轉(zhuǎn)方式可定義為“異側(cè)偏轉(zhuǎn)”。密接式車鉤鉤尾通過(guò)橡膠關(guān)節(jié)連接，在曲線線路上受壓鉤力作用時(shí)會(huì)處于異側(cè)偏轉(zhuǎn)狀態(tài)。

圖4中，車鉤與2 個(gè)車體中心線呈“之”字形分布，縱向壓鉤力作用于前端車體的橫向分力指向曲線外軌，而作用于后端車體的橫向分力指向曲線內(nèi)軌，且2 個(gè)車鉤相對(duì)各自車體的偏轉(zhuǎn)方向相同，這種車鉤偏轉(zhuǎn)方式可稱之為“同側(cè)偏轉(zhuǎn)”。15X 車鉤鉤尾的圓弧結(jié)構(gòu)決定了它在曲線上受壓時(shí)無(wú)法保持異側(cè)偏轉(zhuǎn)狀態(tài)，會(huì)呈現(xiàn)同側(cè)偏轉(zhuǎn)狀態(tài)。

假設(shè)動(dòng)力車與拖車的每個(gè)轉(zhuǎn)向架中心線均始終保持在軌道中心線上，且不考慮車體搖頭運(yùn)動(dòng)，根據(jù)圖3的幾何關(guān)系可知

式中：l為車鉤長(zhǎng)度。

式（1）中，β1與β2之和為2 個(gè)車體中點(diǎn)與曲線線路圓心連線的夾角，是由動(dòng)力車和拖車的結(jié)構(gòu)與線路參數(shù)決定。由此可知，對(duì)于密接式車鉤異側(cè)偏轉(zhuǎn)而言，車鉤與前后車體準(zhǔn)靜態(tài)相對(duì)偏轉(zhuǎn)角的和等于定值，系統(tǒng)處于水平穩(wěn)定狀態(tài)，理論上只要滿足假設(shè)條件，車鉤偏轉(zhuǎn)角不會(huì)超過(guò)該定值。而實(shí)際上，隨著縱向壓鉤力的增大，車體會(huì)發(fā)生搖頭偏轉(zhuǎn)，前后轉(zhuǎn)向架中心線也可能會(huì)偏離軌道中心線，2 個(gè)車鉤偏轉(zhuǎn)角之和會(huì)有增大，帶來(lái)一定的整車橫向側(cè)傾風(fēng)險(xiǎn)。

對(duì)于15X 車鉤異側(cè)偏轉(zhuǎn)，根據(jù)圖4幾何關(guān)系可知

由式（2）可知，車鉤異側(cè)偏轉(zhuǎn)時(shí)前后車鉤與車體中心線的夾角之差保持定值β1+β2，理論上來(lái)說(shuō)每個(gè)車鉤的偏轉(zhuǎn)角是不受限制的，可以無(wú)限增大，只需保持二者差值為定值即可。從這個(gè)角度來(lái)說(shuō)，這種偏轉(zhuǎn)方式相對(duì)于異側(cè)偏轉(zhuǎn)不夠穩(wěn)定，車鉤會(huì)以較大的偏轉(zhuǎn)角將前端拖車推向外軌，增大其輪軌作用和安全性；而將后端動(dòng)力車頂向內(nèi)軌，使輪軌作用減弱。

3 動(dòng)力集中動(dòng)車組動(dòng)力學(xué)模型

為了深入研究車鉤類型、動(dòng)力車頂推力水平對(duì)列車動(dòng)力學(xué)性能的影響，建立9節(jié)編組動(dòng)力集中動(dòng)車組的動(dòng)力學(xué)模型，其中尾部動(dòng)力車及與其相鄰的2 節(jié)拖車均采用三維動(dòng)力學(xué)模型，其余拖車采用具有1個(gè)自由度的單質(zhì)點(diǎn)模型，尾部動(dòng)力車與相鄰?fù)宪囍g分別采用密接式或15X鉤緩裝置連接，整個(gè)模型通過(guò)子結(jié)構(gòu)方法構(gòu)建，如圖5所示。

圖5 列車動(dòng)力學(xué)模型

模型計(jì)算時(shí)，動(dòng)力車牽引力采用在輪軸處施加電機(jī)扭矩的方式模擬，即在每條輪對(duì)中心點(diǎn)施加1個(gè)與前進(jìn)方向相同的扭矩，同時(shí)在構(gòu)架相應(yīng)位置上施加反向扭矩模擬牽引電機(jī)扭矩引起的軸重轉(zhuǎn)移；軌道不平順采用實(shí)測(cè)得到的軌道幾何不平順。

3.1 動(dòng)力車子結(jié)構(gòu)模型

動(dòng)力車簡(jiǎn)化為由車體、構(gòu)架、輪對(duì)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元、牽引桿、軸箱等質(zhì)量體和彈簧、減振器、橡膠關(guān)節(jié)等元件構(gòu)成的多剛體模型。該模型中，一系懸掛剛度包括由一系彈簧、軸箱拉桿提供的3 個(gè)方向剛度，一系懸掛垂向阻尼由一系垂向減振器提供；二系懸掛包括鋼簧提供的3個(gè)方向剛度、橫向止擋剛度，垂向、橫向和抗蛇行減振器提供的3 個(gè)方向阻尼；電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元采用架懸式，通過(guò)3個(gè)吊掛點(diǎn)安裝于構(gòu)架上；空心軸通過(guò)六連桿機(jī)構(gòu)分別與車輪、牽引電機(jī)連接；牽引杠通過(guò)橡膠關(guān)節(jié)連接于車體和構(gòu)架上。整個(gè)動(dòng)力車子結(jié)構(gòu)模型共計(jì)150 個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度。

3.2 拖車子結(jié)構(gòu)模型

拖車子結(jié)構(gòu)模型由車體、構(gòu)架、輪對(duì)、軸箱和一系懸掛、二系懸掛組成，一系懸掛剛度包括由一系彈簧、轉(zhuǎn)臂橡膠節(jié)點(diǎn)提供的3個(gè)方向剛度，一系懸掛垂向阻尼由一系垂向減振器提供，二系懸掛包括空氣彈簧提供的3個(gè)方向剛度、橫向止擋剛度以及橫向、抗蛇行減振器提供的阻尼。整個(gè)拖車子結(jié)構(gòu)模型共計(jì)50個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度。

3.3 鉤緩裝置子結(jié)構(gòu)模型

密接式和15X鉤緩裝置子結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型如圖6所示。

圖6 鉤緩裝置子結(jié)構(gòu)模型

對(duì)于密接式鉤緩裝置，2 個(gè)相互連掛車鉤假設(shè)為直桿，通過(guò)緩沖器力元連接于虛擬從板，相對(duì)于從板僅具有縱向自由度。前后虛擬從板相對(duì)車體具有搖頭和點(diǎn)頭自由度，通過(guò)施加扭轉(zhuǎn)力矩來(lái)模擬鉤尾橡膠圓銷的扭轉(zhuǎn)剛度。

對(duì)于15X鉤緩裝置，同樣不考慮車鉤鉤頭之間相對(duì)水平轉(zhuǎn)角，將其簡(jiǎn)化為直桿，從板通過(guò)緩沖器與車體相連接，且僅具有縱向自由度，車鉤相對(duì)前后從板具有縱向、橫向和水平轉(zhuǎn)動(dòng)3 個(gè)方向自由度，鉤尾弧面與從板弧面摩擦接觸、鉤尾銷與銷孔接觸連接關(guān)系采用多邊形接觸方法來(lái)建立。該多邊形接觸方法［11-13］是介于點(diǎn)接觸方法和有限元接觸方法之間的一種折中方法，其基本思想為：將剛體表層假設(shè)為彈性區(qū)域，采用多邊形建模并借助多邊形判定接觸區(qū)域，在彈性界面通過(guò)彈性基礎(chǔ)模型計(jì)算求解彈性力。假設(shè)剛體表面由1 層厚度為b的均質(zhì)彈性層覆蓋，忽略彈性層的切向應(yīng)力，其接觸剛度k可根據(jù)法向位移un和壓力pn得到，為

式中：υ為材料的泊松比，這里假設(shè)υ＜0.45；E為材料的彈性模量。

2 個(gè)接觸體的接觸剛度ks可假設(shè)為2 個(gè)彈性體接觸剛度k1和k2的串聯(lián)形式，即

則2 個(gè)接觸體表面第i個(gè)接觸單元的法向接觸力Fni和切向力Fti分別為

式中：Asi為第i個(gè)接觸單元的有效接觸面積；uni為第i個(gè)接觸單元的壓入深度；μ為摩擦系數(shù)；vti為接觸面相對(duì)速度；vf為靜摩擦臨界速度。

緩沖器特性采用具有遲滯特性的非線性模型，其加載和卸載阻抗特性曲線不一致。將緩沖器加載與卸載特性定義為以其行程x為變量的加載函數(shù)Fu(x)和卸載函數(shù)Fl(x)，通過(guò)它們不僅可以考慮車鉤緩沖器在拉鉤力和壓鉤力作用下都是受壓的性質(zhì)，而且可以考慮車鉤間隙、緩沖器初壓力、底架剛性沖擊等因素。定義切換速度ve為緩沖器阻抗力在加載函數(shù)和卸載函數(shù)間切換的臨界速率，從而避免緩沖器在加載和卸載之間轉(zhuǎn)換時(shí)其阻抗力發(fā)生跳躍。并且引入符號(hào)函數(shù)sign(Δvx)，Δv為緩沖器行程變化速率，可以得到緩沖器數(shù)學(xué)模型［8，14］，為

4 列車動(dòng)力學(xué)性能

動(dòng)力車與拖車主要?jiǎng)恿W(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。另外，密接式車鉤鉤尾銷回轉(zhuǎn)剛度為500 N·m·rad-1；15X車鉤鉤尾弧面摩擦系數(shù)為0.25。

表1 動(dòng)力車與拖車主要計(jì)算參數(shù)表

一般機(jī)車車輛運(yùn)行安全性最不利線路工況為小半徑曲線，因此小半徑曲線疊加縱向壓鉤力作用便為分析動(dòng)力車尾部頂推方式下列車運(yùn)行安全性的最危險(xiǎn)工況，其中小半徑曲線選取動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)評(píng)價(jià)要求的典型R300 m 曲線：圓曲線長(zhǎng)度200 m，緩和曲線長(zhǎng)度60 m，圓曲線半徑300 m，超高0.12 m。列車通過(guò)速度為70 km·h-1。為了模擬不同縱向力下列車的勻速運(yùn)行，模型中不設(shè)置線路坡道，而是在列車前端施加與牽引力同樣大小的反向縱向力。對(duì)于動(dòng)力車尾部頂推方式下列車通過(guò)曲線工況，需重點(diǎn)關(guān)注動(dòng)力車導(dǎo)向輪對(duì)和相鄰?fù)宪嚨妮嗆壛桶踩灾笜?biāo)，因此，后面以連掛車鉤、動(dòng)力車1 軸、相鄰?fù)宪?軸和4軸為主要分析對(duì)象。

4.1 動(dòng)力車無(wú)頂推力時(shí)

假設(shè)在R300 m 曲線上不考慮動(dòng)力車頂推力作用，計(jì)算分別采用密接式車鉤和15X車鉤時(shí)列車動(dòng)力學(xué)響應(yīng)。無(wú)縱向力作用下采用2 種車鉤時(shí)動(dòng)力車1 軸、拖車4 軸的車鉤偏轉(zhuǎn)角和輪軌橫向力時(shí)程曲線分別如圖7和圖8所示。從圖7和圖8可知：采用2 種不同車鉤的列車在無(wú)縱向力作用下通過(guò)小半徑曲線時(shí)，2 種車鉤在緩和曲線區(qū)段均會(huì)出現(xiàn)同側(cè)偏轉(zhuǎn)，在圓曲線區(qū)段則均會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的異側(cè)偏轉(zhuǎn)，但15X車鉤的偏轉(zhuǎn)角要大于密接式車鉤，這是因?yàn)槊芙邮杰囥^鉤尾銷縱向距離大于15X車鉤，小曲線通過(guò)時(shí)后鉤會(huì)分擔(dān)更多的車鉤偏轉(zhuǎn)。但是，盡管車鉤偏轉(zhuǎn)角存在差異，由于無(wú)縱向車鉤力，采用不同車鉤列車的輪軌力響應(yīng)并無(wú)明顯差異。

圖7 采用不同車鉤列車在無(wú)縱向力作用時(shí)車鉤偏轉(zhuǎn)角

圖8 采用不同車鉤列車在無(wú)縱向力作用時(shí)輪軌橫向力

4.2 動(dòng)力車有頂推力時(shí)

4.2.1 采用密接式車鉤

動(dòng)力車采用密接式車鉤與拖車連掛，假設(shè)動(dòng)力車在R300 m 曲線上分別施加不同的頂推力，使連掛車鉤的縱向壓鉤力在100～350 kN 范圍內(nèi)按照50 kN 等間隔增大，分別計(jì)算不同縱向力作用下密接式車鉤前鉤、后鉤的偏轉(zhuǎn)角，其波形如圖9所示。從圖9可知：隨著縱向壓鉤力的增大，車鉤在緩和曲線區(qū)段的同側(cè)偏轉(zhuǎn)會(huì)逐漸加劇，車鉤偏轉(zhuǎn)角逐漸增大，最大值約為4.3°；進(jìn)入圓曲線以后，受線路曲線的影響，連掛車鉤會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)楫悅?cè)偏轉(zhuǎn)狀態(tài)，此時(shí)車鉤偏轉(zhuǎn)角基本不隨縱向壓鉤力增大；另外，當(dāng)縱向壓鉤力較大時(shí)，密接式車鉤在直線區(qū)段也會(huì)發(fā)生同側(cè)偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象，并且會(huì)持續(xù)這一狀態(tài)，其車鉤偏轉(zhuǎn)角數(shù)值均在3°以內(nèi)，處于較低水平。

圖9 不同縱向壓鉤力下密接式車鉤偏轉(zhuǎn)角

不同縱向力作用下動(dòng)力車1 軸輪軌橫向力如圖10 所示。從圖10 可知：動(dòng)力車的輪軌橫向力受縱向壓鉤力影響較小，縱向壓鉤力在200 kN 及以下時(shí)隨著縱向壓鉤力的增大1軸輪軌橫向力基本保持不變，而當(dāng)縱向壓鉤力較大時(shí)反而會(huì)隨著壓鉤力的增大呈現(xiàn)小幅減小的現(xiàn)象，這主要是由于施加在動(dòng)力車輪軸的牽引力增大會(huì)使輪軌縱向蠕滑占比增大，一定程度上減弱橫向蠕滑作用，使輪軌橫向作用減弱。

圖10 動(dòng)力車1軸輪軌橫向力（密接式車鉤）

不同縱向力作用下拖車4 軸輪軌垂向力和橫向力的波形如圖11 所示。從圖11 可知，由于拖車4軸輪對(duì)緊鄰后部動(dòng)力車，它的輪軌力和運(yùn)行安全性指標(biāo)受縱向壓鉤力影響較大，隨著尾部動(dòng)力車頂推力的增大，車鉤對(duì)拖車后端指向外軌側(cè)的橫向分力也逐漸增大，加劇了4軸輪軌力作用，隨著壓鉤力的增大，拖車4軸的左右輪增減載會(huì)逐漸加劇，輪軌橫向力也明顯增大。

圖11 拖車4軸輪軌力（密接式車鉤）

4.2.2 采用15X車鉤

將第4.2.1 小節(jié)中動(dòng)力車車鉤由密接式車鉤換成15X 車鉤，同樣R300 m 曲線工況下計(jì)算不同縱向力作用下的列車動(dòng)力學(xué)響應(yīng)。不同縱向力作用下15X 車鉤前鉤、后鉤的偏轉(zhuǎn)角波形如圖12 所示。從圖12 可知：隨著縱向壓鉤力的增大，車鉤在緩和曲線區(qū)段的同側(cè)偏轉(zhuǎn)會(huì)逐漸加劇，車鉤偏轉(zhuǎn)角增大幅度明顯大于密接式車鉤，最大值達(dá)7.0°；進(jìn)入圓曲線以后，在縱向壓鉤力較小的情況下，連掛車鉤主要受線路曲線的影響而呈異側(cè)偏轉(zhuǎn)狀態(tài)，且此時(shí)車鉤偏轉(zhuǎn)角隨縱向壓鉤力增大基本保持不變，但是當(dāng)縱向壓鉤力較大（350 kN）時(shí)，連掛車鉤在緩和曲線的同側(cè)偏轉(zhuǎn)狀態(tài)會(huì)持續(xù)到圓曲線區(qū)段（如圖中綠線所示）；另外，當(dāng)壓鉤力增大到一定程度，15X 車鉤在直線區(qū)段也會(huì)發(fā)生同側(cè)偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象，并且如果無(wú)線路條件影響，車鉤偏轉(zhuǎn)角會(huì)一直增大至動(dòng)力車二系橫向止擋或車鉤鉤尾扁銷發(fā)揮作用，且明顯大于同樣工況下的密接式車鉤偏轉(zhuǎn)角。

圖12 不同縱向壓鉤力下15X車鉤偏轉(zhuǎn)角

不同縱向力作用下動(dòng)力車1 軸輪軌橫向力的波形如圖13 所示。從圖13 可知：動(dòng)力車輪軌作用力受縱向壓鉤力影響較小，隨著縱向壓鉤力的增大，1 軸輪軌橫向力在200 kN 及以下時(shí)基本保持不變，而當(dāng)壓鉤力較大時(shí)，反而會(huì)隨著壓鉤力的增大呈現(xiàn)小幅減小的現(xiàn)象，這一現(xiàn)象與采用密接式車鉤時(shí)相同。其主要原因有2 點(diǎn)：①動(dòng)力車輪軸所施加的牽引力增大會(huì)使輪軌縱向蠕滑占比增大，一定程度上減弱輪軌橫向作用；②牽引力較大時(shí)連掛車鉤同側(cè)偏轉(zhuǎn)，后鉤對(duì)動(dòng)力車的橫向分力會(huì)指向軌道內(nèi)側(cè)，這會(huì)利于動(dòng)力車曲線通過(guò)，減弱輪軌橫向作用。

圖13 動(dòng)力車1軸輪軌橫向力（15X車鉤）

不同縱向力作用下拖車4 軸輪軌垂向力、橫向力的波形如圖14 所示。從圖14 可知：對(duì)于拖車，依然是緊鄰后部動(dòng)力車的4軸輪軌力和運(yùn)行安全性指標(biāo)受縱向壓鉤力影響明顯，隨著尾部動(dòng)力車頂推力的增大，連掛車鉤前鉤對(duì)拖車后端指向外軌側(cè)的橫向分力也逐漸增大，加劇了4軸輪軌力作用，拖車4軸的左右輪增減載會(huì)逐漸加劇，輪軌橫向作用力也明顯增大，并且與圖11 所示的密接式車鉤相比，輪軌力增幅更為顯著。

圖14 拖車4軸輪軌力（15X車鉤）

5 列車運(yùn)行安全性

連掛車鉤前鉤偏轉(zhuǎn)角、動(dòng)力車脫軌系數(shù)最大值隨縱向壓鉤力變化曲線如圖15 和圖16 所示。從圖15 和圖16 可知：2 種車鉤偏轉(zhuǎn)角均隨縱向壓鉤力增大而增大，且15X車鉤偏轉(zhuǎn)角明顯大于密接式車鉤，這與2 種車鉤的長(zhǎng)度、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)不同有直接關(guān)系；采用不同車鉤時(shí)，動(dòng)力車各軸脫軌系數(shù)最大值及其隨縱向力的變化規(guī)律相差不大，均在安全限度值［15］以內(nèi)，1軸和2軸脫軌系數(shù)最大值均隨縱向力增大而先增大后減小，3 軸脫軌系數(shù)最大值基本隨縱向力增大逐漸增大，其在縱向壓鉤力較大時(shí)仍然增大的原因是1 軸因縱向蠕滑力增大而減弱的輪軌橫向作用需要通過(guò)增大3軸輪軌橫向作用彌補(bǔ)。

圖15 前鉤偏轉(zhuǎn)角最大值隨縱向壓鉤力變化曲線

圖16 動(dòng)力車脫軌系數(shù)最大值隨縱向壓鉤力變化曲線

拖車脫軌系數(shù)、輪軸橫向力最大值隨縱向壓鉤力變化曲線分別如圖17 和圖18 所示。從圖17 和圖18 可知：采用不同車鉤時(shí)，拖車車輛運(yùn)行安全性指標(biāo)均在限度值［15］以內(nèi)，最大值隨著縱向壓鉤力的增大逐漸增大，當(dāng)縱向壓鉤力較大時(shí)采用15X車鉤的脫軌系數(shù)增大更為明顯，其最大值在350 kN壓鉤力時(shí)已經(jīng)接近或者超過(guò)了1軸。這說(shuō)明縱向壓鉤力對(duì)列車運(yùn)行安全性的影響在動(dòng)力車裝用15X車鉤時(shí)會(huì)更為顯著，在動(dòng)力車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和車鉤選型時(shí)一定要充分考慮這一問(wèn)題。

圖17 拖車脫軌系數(shù)最大值隨縱向壓鉤力變化曲線

圖18 拖車輪軸橫向力最大值隨縱向壓鉤力變化曲線

6 結(jié) 論

（1）密接式車鉤與15X車鉤不同的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了它們?cè)谇€受壓時(shí)會(huì)表現(xiàn)出不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，密接式車鉤與前后車體間會(huì)呈現(xiàn)相對(duì)穩(wěn)定的異側(cè)偏轉(zhuǎn)，而15X車鉤則會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定的同側(cè)偏轉(zhuǎn)。

（2）建立的列車動(dòng)力學(xué)模型包括密接式車鉤和基于多邊形接觸方法的15X車鉤子結(jié)構(gòu)，能夠較好模擬曲線線路動(dòng)力車尾部頂推方式下的列車動(dòng)力學(xué)響應(yīng)。

（3）曲線線路動(dòng)力車尾部頂推方式下，車鉤類型對(duì)動(dòng)力車的輪軌力與運(yùn)行安全性指標(biāo)影響較小，但對(duì)拖車車輛存在一定影響，采用15X車鉤時(shí)拖車4 軸輪軌橫向力和運(yùn)行安全性指標(biāo)明顯大于采用密接式車鉤。

（4）曲線線路動(dòng)力車尾部頂推方式下，車鉤偏轉(zhuǎn)角、動(dòng)力車與拖車的運(yùn)行安全性指標(biāo)均隨著縱向壓鉤力的增大而出現(xiàn)一定增大，且采用15X 車鉤時(shí)，其增幅較為明顯。