齐红瑞，周子伟，陈再刚

(1.中车大同电力机车有限公司,山西大同 037038; 2.西南交通大学牵引动力国家重点实验室,成都 610031)

引言

车钩缓冲装置主要由车钩、缓冲器、钩尾框、从板等零部件组成,如图1所示。车钩的作用是实现车辆和车辆之间相互连挂和传递牵引力及冲击力,并使车辆之间保持一定的安全距离;缓冲器则起着缓和列车在运行中由于机车牵引力的变化或在起动、制动及调车作业时,车辆相互碰撞而引起的纵向冲击和振动的作用。可见,车钩缓冲装置使机车具备连挂、牵引和缓冲的功能,是机车走行部最基本也是最重要的组合部件之一[1]。

图1 100型车钩缓冲装置

近年来,随着我国重载运输的不断发展,对重载技术的高度重视[2],大量研究人员针对新型缓冲装置及其动力学进行了研究[3-6],然而,针对缓冲装置运营过程中出现的问题却研究甚少。车钩缓冲装置在列车运行过程中受力复杂,车钩高度难以控制[7-10],缓冲装置故障突显[11],特别是钩尾框检修周期长[12],且异常磨耗现象频发[13-15]。钩尾框异常磨损会缩短钩尾框的实际使用寿命[16-19],增大机车的检修维护成本,甚至导致钩尾框断裂[20],严重影响列车的正常安全运行。

截至2020年11月,统计中车大同电力机车有限公司配属新乡机务段的HXD2C型机车钩尾框磨耗情况,针对能追溯到新造机车就装车使用的钩尾框进行调查发现,中车大同公司承修C5修时的335个钩尾框框身均存在异常磨耗现象,平均磨耗量为1.39 mm/100万km;C5修后普查返厂的73个钩尾框框身平均磨耗量为5.92 mm/100万km。C5修后钩尾框框身的平均磨耗量是从新造到C5修平均磨耗量的4.26倍。可见,由于钩尾框硬度从表面向中心层逐渐下降,随着磨耗量的增加,磨耗速率加剧。并且90%以上的异常磨耗都发生在钩尾框框身的上部,如图2所示。

图2 钩尾框框身异常磨耗区域

为查明钩尾框框身异常磨耗的原因,2021年1月通过与郑州局和新乡机务段沟通协调,选择普查时测量钩尾框框身磨耗到限的典型固定重联机车HXD2C0334和0335号机车为测试对象,在郑州局管内侯月线上开展列车动力学线路跟踪测试,该线路从上交站到翼城站约80 km区间为长大坡道,坡道多为10‰～13‰,曲线半径多为400～800 m。基于动力学测试结果,结合线路条件、列车运行数据(LKJ数据)综合分析试验机车钩缓装置出现前从板-预压板上移或下移现象的原因。

1 线路试验内容及方法

测试内容主要包括车钩高度,车钩受力状态,车钩横向、垂向摆角,车钩垂向位移,以及视频监控前从板-预压板与钩尾框之间的间隙情况。

车钩高度数据主要通过在试验列车上线测试之前和测试结束返回检修库之后用车钩重心高度测量尺[20]测量机车在空车状态下Ⅱ端的车钩钩舌的水平中心线距钢轨面的高度获得,如图3所示。

图3 车钩高度测量

车钩受力状态通过在钩身位置装贴应变片获得[21]。车钩的横向、垂向摆角以及垂向位移可通过在车钩与车体之间加装的拉线位移传感器测得的位移数据通过几何关系换算得出,拉线位移传感器布置如图4所示。

图4 拉线位移传感器的布置

前从板-预压板与钩尾框之间的间隙情况通过在车钩缓冲装置前从板-预压板上下两侧附近车体上固定安装摄像头获得,如图5所示。

图5 摄像头布置情况

整个测试列车的测点布置如图6所示,图中F表示车钩受力情况测量点,S1～S10为拉线位移传感器,C1～C4为摄像头布置点;本次试验列车编组方式如图7所示,在侯月线区间共进行6趟往返测试。表1为6趟试验记录,由于本次试验是在不影响列车正常运营的情况下进行的,所以列车载重在实际运营情况中各趟次各不相同,0335和0334号机车各有为本务的情况。

表1 试验记录

图6 试验列车测点布置

图7 试验列车编组方式

2 试验结果统计及分析

6趟试验结束之后,根据列车的线路跟踪动力学测试结果、线路条件和列车运行数据等对试验结果进行统计分析。

2.1 结果统计分析

在测试开始前及测试结束后分别对0335和0334号机车Ⅱ端车钩高度进行测量,测量结果如表2所示。由表2可知,试验开始前由于安装车钩时的人为因素不可避免地造成车钩存在高度差,即0335号机车Ⅱ端车钩初始高度低于0334号机车车钩,且试验机车0335 Ⅱ端车钩高度在6趟试验结束后下降15 mm,而试验机车0334 Ⅱ端车钩高度基本不变。

表2 车钩高度统计

图8所示为6趟试验从新南场出发时刻0335和0334号机车Ⅱ端钩缓装置钩尾框与前从板-预压板之间间隙的视频监控情况。从图8中可以看出,0335号机车从第1趟到第4趟Ⅱ端钩尾框与前从板-预压板之间间隙越来越小,第5趟出发时刻较第4趟有较大幅度回落,第6趟较第5趟前从板-预压板上升明显;0334号机车Ⅱ端钩尾框与前从板-预压板之间间隙在前4趟中依次略有下降,第5趟和第6趟稍有上升。可见,0334号机车与0335号机车Ⅱ端钩尾框与前从板-预压板之间间隙变化情况相反。

通过视频监控对前从板-预压板在短时间内上移比较明显的11个典型时段和下移比较明显的2个典型时段进行统计,如表3所示。11个前从板-预压板上移典型时段中有9个时段(1～7,9～10)处于高坡路段,最大坡道为13.0‰,且该9个时段试验机车均处于下坡阶段,并且要经过小半径曲线路段,最小曲线半径为400 m,在长大下坡道线路上机车需要较大电制动力进行调速,车钩受到较大压钩力;另外,2个时段在非大坡道线路上机车电制动力也较大,车钩受到较大压钩力,其值基本与大坡道路段试验机车车钩所受压钩力相当。在出现车钩上移现象时段,0335号机车车钩具有较大横向偏转角,最大达5.87°,且车钩都处于低头状态,最大垂向偏转角达2.93°。前从板-预压板下移的2个典型时段列车都处于爬坡过程中,最大坡度为11.2‰,此时需要较大的牵引力,车辆经过小半径曲线(最小为450 m),车钩横向摆角最大值为4.99°,垂向摆角为2.43°。

表3 典型时段0335号试验机车各状态参数统计

2.2 上移典型时段6

以0335号机车Ⅱ端在典型时段6的视频监控及车钩状态为例进行详细展示。图9展示了前从板-预压板发生明显上移前-后视频监控截屏;图10展示了该时段试验机车车钩横向和垂向摆角、垂向位移;图11展示了该时段0335号机车经过的线路实际纵断面、曲线与里程变化。可见,在该典型时段0335号机车Ⅱ端车钩一直处于低头状态,且持续承受压钩力作用,说明列车行驶在该连续长大下坡道上时在持续使用电制动进行列车调速,车钩由于压钩力的持续作用导致车钩在横向和垂向上偏向一侧。

图9 钩尾框与前从板-预压板间隙情况截屏

图10 车钩摆角和垂向位移随时间变化关系

图11 公里标K66+419～K30+033区段实际纵断面、曲线与里程

2.3 车钩受力分析

车钩的钩尾通过钩尾销安装在钩尾框里面,由于车钩头部分较重,在安装车钩时可通过在均衡梁处的磨耗板来调节车钩的高度。我国铁道车辆有关标准规定[22]:机车车钩缓冲装置装车后,其车钩的水平中心线距轨面的高度为880 mm(±10 mm)。根据2.1节车钩高度统计可知,由于车轮轮缘磨耗,测试机车0335和0334的初始车钩高度低于880 mm(±10 mm),且通过分别测量钩舌中心和均衡梁支撑点对应钩身中心与轨面距离,测得结果为车钩初始状态稍微低头。如图12所示,当试验机车车钩处于低头状态且受到压钩力作用时,理论上两个车钩受到挤压时会因钩舌面共形而对中,即两连挂车钩在受到压钩力作用时会自动对中。而实际情况却是由于车钩在使用过程中会因为冲击受力而产生磨耗,导致连挂车钩钩舌共形面发生变化。如图13所示,0335号机车车钩是放置很久的测力车钩,装上之前并没有任何磨耗痕迹,在试验结束之后发现其钩舌上部分产生磨耗,而钩舌其他地方没有产生磨耗,说明试验机车在运行过程中,车钩受压时主要是钩舌上部与连挂车钩接触受力。因此,0335号机车Ⅱ端车钩在列车制动过程中将承受斜向下的压钩力F,由于均衡梁的支承作用,前从板将受到来自于车钩压钩力垂向上的作用分力而产生上移,与之相反的是,0334号机车车钩承受斜向上的车钩压力。所以,0334号机车钩缓装置Ⅱ端钩尾框与前从板-预压板之间间隙变化情况与0335号机车钩缓装置相反。

图12 车钩低头状态时受力分析

图13 0335机车Ⅱ端车钩钩舌磨耗

2.4 原因分析

由于试验重联机车车钩初始高度不一致,即0335机车车钩初始高度偏低,且由于车钩头部偏重,导致车钩在运行过程中处于低头状态;列车运行在连续下坡道时,需要通过制动进行调速,车钩将长时间承受较大压钩力作用;由于0335车钩头部有下沉趋势,在运动过程中,车钩头部受力会瞬时向下运动,车钩尾部就会对前从板产生向上的作用力,导致前从板向上运动;前从板与缓冲器预压板之间靠摩擦接触,车钩压力越大,摩擦力就越大,缓冲器就会跟随前从板向上运动。钩尾框和前从板-预压板的整体上移又将进一步使钩头高度降低,加大车钩垂向倾角。如此循环,上移量经过累加后,造成前从板-预压板与钩尾框上部产生接触,钩尾框与前从板-预压板接触后,车钩受到拉力,带动钩尾框与前从板-预压板发生纵向相对位移,从而产生磨耗。本文针对的HXD2C型机车钩尾框异常磨耗的研究方法及原因分析结果同样适用于分析其他机车钩尾框异常磨耗问题。

3 改进措施

根据上述分析,为避免钩尾框异常磨耗影响列车安全运行,可通过以下措施进行缓解。

(1)在前从板与前从板座之间、前从板与钩尾框上、下壁之间、前从板与缓冲器预压板之间涂抹润滑剂,当钩尾框与前从板-预压板接触摩擦时,利用润滑剂过渡,减轻钩尾框磨耗,同时,可以使前从板垂向活动更容易,减小钩尾框与前从板的相互作用力。

(2)在车钩箱上端前部焊接前从板限位块,如图14所示,以限制前从板垂向向上运动距离,使前从板与钩尾框框身(上部)之间保持间隙。

图14 限位块放置位置

(3)将钩尾框框身与车钩箱顶部限位板的间隙由14.5 mm改为7.5 mm,以减小钩缓装置整体上移,避免车钩过渡低头导致超限,如图15所示。

图15 钩尾框与车钩箱顶板间隙(单位:mm)

4 结论

针对HXD2C钩尾框异常磨耗问题,通过调研与线路跟踪测试,并选取车钩缓冲装置前从板-预压板发生明显上移的11个典型时段和下移的2个典型时段的测试、运行数据与线路条件进行统计分析,主要结论如下。

(1)试验列车在长大下坡线路上处于制动工况,且当车钩处于低头状态时,缓冲装置因持续受到压钩力作用导致前从板-预压板相对钩尾框上移,并出现持续累加的现象。

(2)试验列车在大上坡道线路处于牵引工况时,缓冲装置因持续受到拉钩力,出现前从板-预压板下移现象。

(3)通过在钩尾框与前从板-预压板之间涂抹润滑剂,在车钩箱上端前部焊接前从板限位块,或者减小钩尾框框身与车钩箱顶部限位板的间隙等措施,避免前从板-预压板与钩尾框产生直接接触,从而缓解钩尾框异常磨耗。