何永强，陈章，周坤，王开云，吕凯凯，周义昌

挡肩式车钩自由摆角对重载机车制动安全性能的影响

何永强1,3，陈章1,3，周坤*,2，王开云2，吕凯凯2，周义昌2

（1.大功率交流传动电力机车系统集成国家重点实验室，湖南 株洲 412001；2.西南交通大学 牵引动力国家重点实验室，四川 成都 610031；3.中车株洲电力机车有限公司，湖南 株洲 412001）

对于采用挡肩式车钩的机车而言，较大的车钩自由摆角将产生过大的横向分力，威胁机车的行车安全性。本文对挡肩式车钩的稳钩机理进行了理论分析，建立了重载机车动力学模型和挡肩式102车钩的动力学模型，计算分析了在车钩自由摆角为6°、7°、8°时的车钩稳定性与机车安全性，并研究了二系悬挂横向刚度对车钩稳定性的影响。研究结果表明，在纵向压钩力作用下，车钩自由摆角为6°、7°时重载机车可满足直线运行安全要求；当车钩自由摆角为8°、纵向压钩力为1200 kN时，由于车钩挡肩力过大，车钩出现失稳现象；适当增大机车二系悬挂横向刚度，可提高车钩稳定性与机车行车安全性。

重载机车；挡肩式车钩；行车安全性；车钩自由摆角；二系悬挂横向刚度

我国现已开通的2万吨铁路运输列车，主要采用的是“1＋1”编组方式。由于其编组长、轴重大，且受空气传递波速的限制，在空气制动时，将产生很大的纵向冲动。列车纵向动力学仿真计算结果及线路试验表明，由列车纵向冲动引起的纵向压钩力可在2000 kN以上，且最大压钩力一般都出现在中部机车[1]。此外，重载机车采用的挡肩式102车钩在运输过程中由于制动作用会发生挡肩磨耗，造成车钩自由角进一步增大，在大纵向压钩力下，若车钩自由角过大，易导致车钩失稳、轮轴横向力超标等现象，甚至导致机车脱轨。由此表明，车钩摆角对列车运行安全性的影响也日趋明显。

文献[2-3]分析了制动状态下，不同的车钩箱安装位置误差对机车动态性能的影响；文献[4]分析了挡肩式车钩和摩擦式车钩的稳钩机理，并指出挡肩式车钩可承受更大的纵向压钩力；文献[5-9]对摩擦式车钩与机车的相互作用关系作了深入研究，分析了车体悬挂参数、车钩结构参数对机车运行稳定性的影响，并有效地结合试验确保结论的可靠性；文献[10]运用机车车辆－轨道耦合动力学理论，分析了车钩自由角为3°时纵向压力对机车轨道系统的动力学性能影响；文献[11]分析了车辆通过曲线时的车钩偏转情况，认为S型曲线是连挂车辆通过曲线最困难的工况；文献[12-13]通过对实际钩头轮廓曲线进行数据离散，从而建立起具有完整钩头轮廓面的车钩模型，在此基础上分别对曲线上的车钩偏转行为以及车钩自由角与机车参数匹配关系进行了深入研究。

本文以某型重载机车与挡肩式102车钩为研究对象，分析纵向压钩力作用下6°、7°、8°车钩自由角对机车运行性能的影响，以及重载机车二系悬挂横向刚度对车钩稳定性的影响。

1 102车钩稳钩机理

如图1所示，102型车钩结构主要由车钩、缓冲器、钩尾框、从板等组成，其中车钩钩尾销两侧设有挡肩结构，在车钩挡肩与前从板接触时提供止挡力限制车钩的进一步偏转。

图1 102型车钩结构图

列车在受压状态下，机车车体和连挂车钩会发生偏转，偏转后的状态如图2所示。

当纵向压力较小时，车钩偏转后的横向分力主要由机车一、二系悬挂装置承担，并最终传递到轮轨处；当纵向压力较大时，机车自身的稳钩能力不足，需要依靠挡肩与复原块接触产生复原力矩，从而保证车钩的受力平衡。

Fx、Fy为钩尾销处的纵、横向分力；Fc为挡肩力；hx、hy、hc分别为力Fx、Fy、Fc的力偶臂；α为车体转角；β为车钩相对于车体的转角（以下简称为车钩转角）；γ为车钩相对于轨道中心线的转角

在纵向压钩力作用下，车钩与车体将发生转动，而车体中心横向位移较小（可忽略不计），仍处于轨道中心线上附近。由几何关系可知，之间应满足以下关系式：

式中：为车体相对转向架的横向位移，mm；L为车辆定距的一半，mm；L为机车两端钩尾销纵向距离的一半，mm；为车钩长度的一半，mm。

当纵向压钩力较小时，车钩未发生挡肩接触，主要依靠机车自身的一、二系悬挂来维持车钩稳定，这种稳钩能力也称为机车自稳钩能力；当纵向压钩力较大时，机车自稳钩能力将不足以维持车钩的平衡，车钩将继续偏转；当车钩挡肩与前从板发生接触后，由于缓冲器阻力的作用，前从板不会发生转动，车钩挡肩开始发挥稳钩作用，阻止车钩转角进一步增加。由式（1）～式（3）可知，当车钩转角等于自由摆角时，车体转角与车体相对转向架的横向位移也可随之确定。

对于整个连挂车钩而言，从图2中可看出，前后车钩钩尾销的纵向压力F形成偏转力矩，使车钩发生偏转，挡肩力F与钩尾销处的横向分力F共同产生稳钩力矩，以抵抗车钩的转动。由力矩平衡可知，此时：

随着纵向压钩力的增大，F产生的偏转力矩增大，由于车钩挡肩的作用，车钩转角保持不变，车体与转向架二系悬挂处的横向力及F也保持不变，因而F所提供的稳钩力矩随纵向压钩力的增大而维持恒定，此时车钩主要依靠挡肩力的增大来维持车钩的稳定，F与F的比值也将随之增大。当F与F的比值过大时，缓冲器阻抗力将不足以维持前从板的平衡，前从板将发生较大角度的转动，车钩也将发生失稳。

2 机车及102车钩仿真模型

本文运用SIMPACK软件，建立机车中部连挂的列车模型，即将机车放在中部，前后与货车相连。机车采用102车钩，货车采用16号车钩，通过在前后两节货车端部施加沿轨道切线方向的纵向力来模拟纵向压钩力，从而分析机车及102车钩在受压状态下的动力学性能。完整的列车模型如图3所示。

2.1 机车动力学模型

单台重载机车由两节机车通过102车钩连挂组成。每节机车共46个自由度，其中轮对6自由度、构架6自由度、电机1个点头自由度及车体6自由度。一系悬挂包含轴箱弹簧、一系横、垂向减振器、轴箱拉杆等；二系悬挂包括橡胶弹簧、二系横向减振器、二系止挡等。

2.2 102车钩缓冲装置模型

车钩可绕钩尾框在、轴两个方向转动，钩尾框相对于车体只有一个纵向自由度，前从板相对于车体有纵向和绕轴转动两个自由度。另外，车钩钩尾与前从板间建立挡肩接触模型。由于在直线上运行时两车钩钩舌间基本无相对转动，故将两连挂车钩考虑为一根直杆。车钩受压时，当车钩转角小于自由角时，车钩通过钩尾框作用于前从板上；当车钩转角大于自由角时，车钩钩肩与前从板上的复原块接触，产生复原力矩。前从板与车体间通过缓冲器连接，该型缓冲器行程38 mm，最大阻抗力4500 kN，具有行程短、阻抗力大的特性。

图3 机车中置列车模型

3 大车钩自由角机车运行性能分析

3.1 计算工况及评价标准

新造102车钩自由摆角一般在3.5°～5°之间，经过一段时间的运营后，挡肩处会发生磨耗，导致车钩自由角增大，可达到6°～8°。为分析挡肩磨耗后大车钩自由摆角对车钩稳定性能及机车运行安全性能的影响，分别考察在车钩自由角为6°、7°和8°条件下，机车的轮轴横向力、脱轨系数指标及车钩摆角、挡肩力指标。仿真中列车以80 km/h的速度在直线上运行，轨道谱采用美国六级谱。

根据文献[14]中对轮轴横向力计算限值的规定，对于本文重载机车而言，轮轴横向力的安全限值为97 kN；脱轨系数限值依据TB/T 2360－93《铁道机车动力学性能试验鉴定方法及评定标准》[15]规定取合格等级0.9。

3.2 不同车钩自由角下机车安全性能分析

如图4所示，在纵向压钩力1200 kN作用下，车钩自由摆角为6°、7°时，车钩转角均稳定在自由摆角，机车轮轴横向力最大值分别为50.68 kN、55.37 kN，脱轨系数最大值分别为0.23、0.27，均小于安全限值，满足行车要求。

图4 当纵向压钩力为1200 kN时，不同车钩自由角下各动力学指标的时域图

随着车钩自由摆角的增大，挡肩力显著增加，当自由角为7°时，挡肩力最大值649.13 kN，相比于车钩自由角为6°时增加了64 kN，而轮轴横向力与脱轨系数的增加幅度不大。当车钩自由摆角为8°时，在24 s附近轮轴横向力、车钩转角等开始明显上升，之后轮轴横向力与脱轨系数最大值达到97.97 kN、0.41，车钩转角最大值达到11°。这是由于车钩自由摆角较大时，车钩挡肩力相比于纵向压钩力也较大，使前从板发生较大角度转动，导致车钩出现失稳趋势。

如图5、图6所示，当纵向压钩力为2000 kN时，机车运行安全性满足要求。随着纵向压钩力的增加，轮轴横向力基本保持不变，而车钩挡肩力与纵向压钩力的比值呈现增加趋势，即车钩挡肩承担纵向压钩力的比重越来越大。另外，当车钩自由角由6°增加至7°时，车钩挡肩力占纵向压钩力比重显著增加。由上述分析可知，车钩自由摆角变大与纵向压钩力增加均会造成车钩挡肩力比重的增大，而车钩挡肩力比重过大时缓冲器阻抗力将不能维持前从板的平衡，车钩出现失稳，由此可说明8°大车钩自由摆角在1200 kN纵向压钩力下所出现的车钩失稳现象。

图5 不同自由角下轮轴横向力时域图

图6 不同压钩力下车钩挡肩力比重变化图

3.3 机车二系悬挂横向刚度对车钩稳定性影响

由3.2小节分析可知，当车钩自由角为8°、纵向压钩力1200 kN时，由于车钩钩肩承担较大部分纵向力，导致车钩转角增大发生失稳，轮轴横向力也随之增大。经分析可知，增大二系横向悬挂刚度及止挡刚度可减小挡肩力的承力大小，从而保证车钩在大自由角条件下的稳定性，但过大的二系横向刚度又会导致轮轴横向力增加。因此，现将二系横向悬挂刚度增至原机车的2、3、4倍，其他参数保持不变，仿真结果如图7所示。

由图7可得出，原参数机车8°车钩自由角在纵向压力为1200 kN时车钩发生失稳，轮轴横向力也在失稳后达到限值。将二系悬挂横向刚度增大至原参数的一倍后，机车轮轴横向力和脱轨系数显著降低，车钩转角也稳定在8°自由摆角。而继续增大二系横向刚度，车钩转角均能稳定于车钩自由摆角，而轮轴横向力和脱轨系数则不断增大，当二系悬挂横向刚度达到原机车4倍时，轮轴横向力再次接近限值，机车运行安全性裕量较小。由此可看出，适当提高二系悬挂横向刚度，从而避免车钩挡肩承受过大的纵向压力，可改善机车在较大车钩自由角条件下的运行安全性能。

4 结论

本文分析了挡肩式102车钩的稳钩原理，建立了机车动力学模型以及挡肩式钩缓装置力学模型，分析了压钩状态下大车钩自由角对机车运行性能的影响，并研究了车钩自由角为8°时机车二系悬挂横向刚度的匹配情况，分析结果表明：

（1）当车钩自由角为6°、7°时，车钩稳定性及重载机车直线运行安全性均较好，随着纵向压钩力的增加，轮轴横向力基本保持不变，而车钩挡肩力随之增大，且所占纵向压钩力的比重也越来越大；

图7 不同横向刚度下各动力学指标的时域图

（2）随着车钩自由角的增大，轮轴横向力及车钩挡肩力呈增大趋势。当车钩自由角为8°、纵向压钩力为1200 kN时，由于挡肩力比重过大导致车钩发生失稳，轮轴横向力也达到限值；

（3）适当增加二系悬挂横向刚度，可降低钩肩力的承力大小，提高大车钩自由角下的车钩稳定能力，保证列车的运行安全性。

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Influence of Free Angle of Coupler with Restoring Bump Stop on the Braking Safety of Heavy Haul Locomotive

HE Yongqiang1，CHEN Zhang1，ZHOU Kun2，WANG Kaiyun2，LV Kaikai2，ZHOU Yichang2

( 1.State Key Laboratory of Heavy Duty AC Drive Electric Locomotive Systems Integration, Zhuzhou 412001, China; 2.State Key Laboratory of Traction Power, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China; 3.CRRC Zhuzhou Locomotive Co.,Ltd., Zhuzhou 412001, China )

For locomotive using the coupler with restoring bump stop, larger coupler free angle will cause excessive lateral force, which affects the running stability of locomotive. The stabilizing mechanism of coupler was analyzed in this paper. A dynamic simulation model of heavy haul locomotive as well as 102 coupler with restoring bump stop was built to study the coupler stability and locomotive running safety with the coupler free angle equaling 6, 7 and 8 degrees respectively. The simulation results show that the locomotive service requirement is satisfied on straight track under the longitudinal pressure when coupler free angles equal to 6 and 7 degrees. When the coupler free angle is 8 degrees and the longitudinal pressure is 1200 kN, the coupler instability occurs, which is caused by the overlarge coupler shoulder force. The coupler stability and locomotive running safty would be improved by increasing the lateral stiffness of secondary suspension appropriately.

heavy haul locomotive；coupler with restoring bump stop；running safety；coupler free angle；lateral stiffness of secondary suspension

U292.92+1

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2020.12.004

1006－0316 (2020) 12－0022－06

2019－11－18

国家杰出青年科学基金（51825504）；大功率交流传动电力机车系统集成国家重点实验室开放课题（2017ZJKF07）

何永强（1979－），男，湖南新化人，高级工程师，主要研究方向为机车服役性技术。*通讯作者：周坤（1995－），男，山东济宁人，硕士研究生，主要研究方向为重载列车系统动力学，E-mail：zhou17828115036@163.com。