HXD2C型機(jī)車鉤尾框異常磨耗原因分析及改進(jìn)措施

齊紅瑞，周子偉，陳再剛

(1.中車大同電力機(jī)車有限公司,山西大同 037038; 2.西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610031)

引言

車鉤緩沖裝置主要由車鉤、緩沖器、鉤尾框、從板等零部件組成,如圖1所示。車鉤的作用是實(shí)現(xiàn)車輛和車輛之間相互連掛和傳遞牽引力及沖擊力,并使車輛之間保持一定的安全距離;緩沖器則起著緩和列車在運(yùn)行中由于機(jī)車牽引力的變化或在起動(dòng)、制動(dòng)及調(diào)車作業(yè)時(shí),車輛相互碰撞而引起的縱向沖擊和振動(dòng)的作用。可見(jiàn),車鉤緩沖裝置使機(jī)車具備連掛、牽引和緩沖的功能,是機(jī)車走行部最基本也是最重要的組合部件之一[1]。

圖1 100型車鉤緩沖裝置

近年來(lái),隨著我國(guó)重載運(yùn)輸?shù)牟粩喟l(fā)展,對(duì)重載技術(shù)的高度重視[2],大量研究人員針對(duì)新型緩沖裝置及其動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了研究[3-6],然而,針對(duì)緩沖裝置運(yùn)營(yíng)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題卻研究甚少。車鉤緩沖裝置在列車運(yùn)行過(guò)程中受力復(fù)雜,車鉤高度難以控制[7-10],緩沖裝置故障突顯[11],特別是鉤尾框檢修周期長(zhǎng)[12],且異常磨耗現(xiàn)象頻發(fā)[13-15]。鉤尾框異常磨損會(huì)縮短鉤尾框的實(shí)際使用壽命[16-19],增大機(jī)車的檢修維護(hù)成本,甚至導(dǎo)致鉤尾框斷裂[20],嚴(yán)重影響列車的正常安全運(yùn)行。

截至2020年11月,統(tǒng)計(jì)中車大同電力機(jī)車有限公司配屬新鄉(xiāng)機(jī)務(wù)段的HXD2C型機(jī)車鉤尾框磨耗情況,針對(duì)能追溯到新造機(jī)車就裝車使用的鉤尾框進(jìn)行調(diào)查發(fā)現(xiàn),中車大同公司承修C5修時(shí)的335個(gè)鉤尾框框身均存在異常磨耗現(xiàn)象,平均磨耗量為1.39 mm/100萬(wàn)km;C5修后普查返廠的73個(gè)鉤尾框框身平均磨耗量為5.92 mm/100萬(wàn)km。C5修后鉤尾框框身的平均磨耗量是從新造到C5修平均磨耗量的4.26倍。可見(jiàn),由于鉤尾框硬度從表面向中心層逐漸下降,隨著磨耗量的增加,磨耗速率加劇。并且90%以上的異常磨耗都發(fā)生在鉤尾框框身的上部,如圖2所示。

圖2 鉤尾框框身異常磨耗區(qū)域

為查明鉤尾框框身異常磨耗的原因,2021年1月通過(guò)與鄭州局和新鄉(xiāng)機(jī)務(wù)段溝通協(xié)調(diào),選擇普查時(shí)測(cè)量鉤尾框框身磨耗到限的典型固定重聯(lián)機(jī)車HXD2C0334和0335號(hào)機(jī)車為測(cè)試對(duì)象,在鄭州局管內(nèi)侯月線上開(kāi)展列車動(dòng)力學(xué)線路跟蹤測(cè)試,該線路從上交站到翼城站約80 km區(qū)間為長(zhǎng)大坡道,坡道多為10‰～13‰,曲線半徑多為400～800 m?；趧?dòng)力學(xué)測(cè)試結(jié)果,結(jié)合線路條件、列車運(yùn)行數(shù)據(jù)(LKJ數(shù)據(jù))綜合分析試驗(yàn)機(jī)車鉤緩裝置出現(xiàn)前從板-預(yù)壓板上移或下移現(xiàn)象的原因。

1 線路試驗(yàn)內(nèi)容及方法

測(cè)試內(nèi)容主要包括車鉤高度,車鉤受力狀態(tài),車鉤橫向、垂向擺角,車鉤垂向位移,以及視頻監(jiān)控前從板-預(yù)壓板與鉤尾框之間的間隙情況。

車鉤高度數(shù)據(jù)主要通過(guò)在試驗(yàn)列車上線測(cè)試之前和測(cè)試結(jié)束返回檢修庫(kù)之后用車鉤重心高度測(cè)量尺[20]測(cè)量機(jī)車在空車狀態(tài)下Ⅱ端的車鉤鉤舌的水平中心線距鋼軌面的高度獲得,如圖3所示。

圖3 車鉤高度測(cè)量

車鉤受力狀態(tài)通過(guò)在鉤身位置裝貼應(yīng)變片獲得[21]。車鉤的橫向、垂向擺角以及垂向位移可通過(guò)在車鉤與車體之間加裝的拉線位移傳感器測(cè)得的位移數(shù)據(jù)通過(guò)幾何關(guān)系換算得出,拉線位移傳感器布置如圖4所示。

圖4 拉線位移傳感器的布置

前從板-預(yù)壓板與鉤尾框之間的間隙情況通過(guò)在車鉤緩沖裝置前從板-預(yù)壓板上下兩側(cè)附近車體上固定安裝攝像頭獲得,如圖5所示。

圖5 攝像頭布置情況

整個(gè)測(cè)試列車的測(cè)點(diǎn)布置如圖6所示,圖中F表示車鉤受力情況測(cè)量點(diǎn),S1～S10為拉線位移傳感器,C1～C4為攝像頭布置點(diǎn);本次試驗(yàn)列車編組方式如圖7所示,在侯月線區(qū)間共進(jìn)行6趟往返測(cè)試。表1為6趟試驗(yàn)記錄,由于本次試驗(yàn)是在不影響列車正常運(yùn)營(yíng)的情況下進(jìn)行的,所以列車載重在實(shí)際運(yùn)營(yíng)情況中各趟次各不相同,0335和0334號(hào)機(jī)車各有為本務(wù)的情況。

表1 試驗(yàn)記錄

圖6 試驗(yàn)列車測(cè)點(diǎn)布置

圖7 試驗(yàn)列車編組方式

2 試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)及分析

6趟試驗(yàn)結(jié)束之后,根據(jù)列車的線路跟蹤動(dòng)力學(xué)測(cè)試結(jié)果、線路條件和列車運(yùn)行數(shù)據(jù)等對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2.1 結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析

在測(cè)試開(kāi)始前及測(cè)試結(jié)束后分別對(duì)0335和0334號(hào)機(jī)車Ⅱ端車鉤高度進(jìn)行測(cè)量,測(cè)量結(jié)果如表2所示。由表2可知,試驗(yàn)開(kāi)始前由于安裝車鉤時(shí)的人為因素不可避免地造成車鉤存在高度差,即0335號(hào)機(jī)車Ⅱ端車鉤初始高度低于0334號(hào)機(jī)車車鉤,且試驗(yàn)機(jī)車0335 Ⅱ端車鉤高度在6趟試驗(yàn)結(jié)束后下降15 mm,而試驗(yàn)機(jī)車0334 Ⅱ端車鉤高度基本不變。

表2 車鉤高度統(tǒng)計(jì)

圖8所示為6趟試驗(yàn)從新南場(chǎng)出發(fā)時(shí)刻0335和0334號(hào)機(jī)車Ⅱ端鉤緩裝置鉤尾框與前從板-預(yù)壓板之間間隙的視頻監(jiān)控情況。從圖8中可以看出,0335號(hào)機(jī)車從第1趟到第4趟Ⅱ端鉤尾框與前從板-預(yù)壓板之間間隙越來(lái)越小,第5趟出發(fā)時(shí)刻較第4趟有較大幅度回落,第6趟較第5趟前從板-預(yù)壓板上升明顯;0334號(hào)機(jī)車Ⅱ端鉤尾框與前從板-預(yù)壓板之間間隙在前4趟中依次略有下降,第5趟和第6趟稍有上升?？梢?jiàn),0334號(hào)機(jī)車與0335號(hào)機(jī)車Ⅱ端鉤尾框與前從板-預(yù)壓板之間間隙變化情況相反。

通過(guò)視頻監(jiān)控對(duì)前從板-預(yù)壓板在短時(shí)間內(nèi)上移比較明顯的11個(gè)典型時(shí)段和下移比較明顯的2個(gè)典型時(shí)段進(jìn)行統(tǒng)計(jì),如表3所示。11個(gè)前從板-預(yù)壓板上移典型時(shí)段中有9個(gè)時(shí)段(1～7,9～10)處于高坡路段,最大坡道為13.0‰,且該9個(gè)時(shí)段試驗(yàn)機(jī)車均處于下坡階段,并且要經(jīng)過(guò)小半徑曲線路段,最小曲線半徑為400 m,在長(zhǎng)大下坡道線路上機(jī)車需要較大電制動(dòng)力進(jìn)行調(diào)速,車鉤受到較大壓鉤力;另外,2個(gè)時(shí)段在非大坡道線路上機(jī)車電制動(dòng)力也較大,車鉤受到較大壓鉤力,其值基本與大坡道路段試驗(yàn)機(jī)車車鉤所受壓鉤力相當(dāng)。在出現(xiàn)車鉤上移現(xiàn)象時(shí)段,0335號(hào)機(jī)車車鉤具有較大橫向偏轉(zhuǎn)角,最大達(dá)5.87°,且車鉤都處于低頭狀態(tài),最大垂向偏轉(zhuǎn)角達(dá)2.93°。前從板-預(yù)壓板下移的2個(gè)典型時(shí)段列車都處于爬坡過(guò)程中,最大坡度為11.2‰,此時(shí)需要較大的牽引力,車輛經(jīng)過(guò)小半徑曲線(最小為450 m),車鉤橫向擺角最大值為4.99°,垂向擺角為2.43°。

表3 典型時(shí)段0335號(hào)試驗(yàn)機(jī)車各狀態(tài)參數(shù)統(tǒng)計(jì)

2.2 上移典型時(shí)段6

以0335號(hào)機(jī)車Ⅱ端在典型時(shí)段6的視頻監(jiān)控及車鉤狀態(tài)為例進(jìn)行詳細(xì)展示。圖9展示了前從板-預(yù)壓板發(fā)生明顯上移前-后視頻監(jiān)控截屏;圖10展示了該時(shí)段試驗(yàn)機(jī)車車鉤橫向和垂向擺角、垂向位移;圖11展示了該時(shí)段0335號(hào)機(jī)車經(jīng)過(guò)的線路實(shí)際縱斷面、曲線與里程變化。可見(jiàn),在該典型時(shí)段0335號(hào)機(jī)車Ⅱ端車鉤一直處于低頭狀態(tài),且持續(xù)承受壓鉤力作用,說(shuō)明列車行駛在該連續(xù)長(zhǎng)大下坡道上時(shí)在持續(xù)使用電制動(dòng)進(jìn)行列車調(diào)速,車鉤由于壓鉤力的持續(xù)作用導(dǎo)致車鉤在橫向和垂向上偏向一側(cè)。

圖9 鉤尾框與前從板-預(yù)壓板間隙情況截屏

圖10 車鉤擺角和垂向位移隨時(shí)間變化關(guān)系

圖11 公里標(biāo)K66+419～K30+033區(qū)段實(shí)際縱斷面、曲線與里程

2.3 車鉤受力分析

車鉤的鉤尾通過(guò)鉤尾銷安裝在鉤尾框里面,由于車鉤頭部分較重,在安裝車鉤時(shí)可通過(guò)在均衡梁處的磨耗板來(lái)調(diào)節(jié)車鉤的高度。我國(guó)鐵道車輛有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定[22]:機(jī)車車鉤緩沖裝置裝車后,其車鉤的水平中心線距軌面的高度為880 mm(±10 mm)。根據(jù)2.1節(jié)車鉤高度統(tǒng)計(jì)可知,由于車輪輪緣磨耗,測(cè)試機(jī)車0335和0334的初始車鉤高度低于880 mm(±10 mm),且通過(guò)分別測(cè)量鉤舌中心和均衡梁支撐點(diǎn)對(duì)應(yīng)鉤身中心與軌面距離,測(cè)得結(jié)果為車鉤初始狀態(tài)稍微低頭。如圖12所示,當(dāng)試驗(yàn)機(jī)車車鉤處于低頭狀態(tài)且受到壓鉤力作用時(shí),理論上兩個(gè)車鉤受到擠壓時(shí)會(huì)因鉤舌面共形而對(duì)中,即兩連掛車鉤在受到壓鉤力作用時(shí)會(huì)自動(dòng)對(duì)中。而實(shí)際情況卻是由于車鉤在使用過(guò)程中會(huì)因?yàn)闆_擊受力而產(chǎn)生磨耗,導(dǎo)致連掛車鉤鉤舌共形面發(fā)生變化。如圖13所示,0335號(hào)機(jī)車車鉤是放置很久的測(cè)力車鉤,裝上之前并沒(méi)有任何磨耗痕跡,在試驗(yàn)結(jié)束之后發(fā)現(xiàn)其鉤舌上部分產(chǎn)生磨耗,而鉤舌其他地方?jīng)]有產(chǎn)生磨耗,說(shuō)明試驗(yàn)機(jī)車在運(yùn)行過(guò)程中,車鉤受壓時(shí)主要是鉤舌上部與連掛車鉤接觸受力。因此,0335號(hào)機(jī)車Ⅱ端車鉤在列車制動(dòng)過(guò)程中將承受斜向下的壓鉤力F,由于均衡梁的支承作用,前從板將受到來(lái)自于車鉤壓鉤力垂向上的作用分力而產(chǎn)生上移,與之相反的是,0334號(hào)機(jī)車車鉤承受斜向上的車鉤壓力。所以,0334號(hào)機(jī)車鉤緩裝置Ⅱ端鉤尾框與前從板-預(yù)壓板之間間隙變化情況與0335號(hào)機(jī)車鉤緩裝置相反。

圖12 車鉤低頭狀態(tài)時(shí)受力分析

圖13 0335機(jī)車Ⅱ端車鉤鉤舌磨耗

2.4 原因分析

由于試驗(yàn)重聯(lián)機(jī)車車鉤初始高度不一致,即0335機(jī)車車鉤初始高度偏低,且由于車鉤頭部偏重,導(dǎo)致車鉤在運(yùn)行過(guò)程中處于低頭狀態(tài);列車運(yùn)行在連續(xù)下坡道時(shí),需要通過(guò)制動(dòng)進(jìn)行調(diào)速,車鉤將長(zhǎng)時(shí)間承受較大壓鉤力作用;由于0335車鉤頭部有下沉趨勢(shì),在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,車鉤頭部受力會(huì)瞬時(shí)向下運(yùn)動(dòng),車鉤尾部就會(huì)對(duì)前從板產(chǎn)生向上的作用力,導(dǎo)致前從板向上運(yùn)動(dòng);前從板與緩沖器預(yù)壓板之間靠摩擦接觸,車鉤壓力越大,摩擦力就越大,緩沖器就會(huì)跟隨前從板向上運(yùn)動(dòng)。鉤尾框和前從板-預(yù)壓板的整體上移又將進(jìn)一步使鉤頭高度降低,加大車鉤垂向傾角。如此循環(huán),上移量經(jīng)過(guò)累加后,造成前從板-預(yù)壓板與鉤尾框上部產(chǎn)生接觸,鉤尾框與前從板-預(yù)壓板接觸后,車鉤受到拉力,帶動(dòng)鉤尾框與前從板-預(yù)壓板發(fā)生縱向相對(duì)位移,從而產(chǎn)生磨耗。本文針對(duì)的HXD2C型機(jī)車鉤尾框異常磨耗的研究方法及原因分析結(jié)果同樣適用于分析其他機(jī)車鉤尾框異常磨耗問(wèn)題。

3 改進(jìn)措施

根據(jù)上述分析,為避免鉤尾框異常磨耗影響列車安全運(yùn)行,可通過(guò)以下措施進(jìn)行緩解。

(1)在前從板與前從板座之間、前從板與鉤尾框上、下壁之間、前從板與緩沖器預(yù)壓板之間涂抹潤(rùn)滑劑,當(dāng)鉤尾框與前從板-預(yù)壓板接觸摩擦?xí)r,利用潤(rùn)滑劑過(guò)渡,減輕鉤尾框磨耗,同時(shí),可以使前從板垂向活動(dòng)更容易,減小鉤尾框與前從板的相互作用力。

(2)在車鉤箱上端前部焊接前從板限位塊,如圖14所示,以限制前從板垂向向上運(yùn)動(dòng)距離,使前從板與鉤尾框框身(上部)之間保持間隙。

圖14 限位塊放置位置

(3)將鉤尾框框身與車鉤箱頂部限位板的間隙由14.5 mm改為7.5 mm,以減小鉤緩裝置整體上移,避免車鉤過(guò)渡低頭導(dǎo)致超限,如圖15所示。

圖15 鉤尾框與車鉤箱頂板間隙(單位:mm)

4 結(jié)論

針對(duì)HXD2C鉤尾框異常磨耗問(wèn)題,通過(guò)調(diào)研與線路跟蹤測(cè)試,并選取車鉤緩沖裝置前從板-預(yù)壓板發(fā)生明顯上移的11個(gè)典型時(shí)段和下移的2個(gè)典型時(shí)段的測(cè)試、運(yùn)行數(shù)據(jù)與線路條件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,主要結(jié)論如下。

(1)試驗(yàn)列車在長(zhǎng)大下坡線路上處于制動(dòng)工況,且當(dāng)車鉤處于低頭狀態(tài)時(shí),緩沖裝置因持續(xù)受到壓鉤力作用導(dǎo)致前從板-預(yù)壓板相對(duì)鉤尾框上移,并出現(xiàn)持續(xù)累加的現(xiàn)象。

(2)試驗(yàn)列車在大上坡道線路處于牽引工況時(shí),緩沖裝置因持續(xù)受到拉鉤力,出現(xiàn)前從板-預(yù)壓板下移現(xiàn)象。

(3)通過(guò)在鉤尾框與前從板-預(yù)壓板之間涂抹潤(rùn)滑劑,在車鉤箱上端前部焊接前從板限位塊,或者減小鉤尾框框身與車鉤箱頂部限位板的間隙等措施,避免前從板-預(yù)壓板與鉤尾框產(chǎn)生直接接觸,從而緩解鉤尾框異常磨耗。