既有鐵路2萬噸重載列車貨車鉤緩系統(tǒng)縱向動力特性試驗研究

摘要：針對某既有線路開行2萬噸重載列車的實際需求，通過現(xiàn)場試驗測試列車典型貨車斷面鉤緩系統(tǒng)的縱向動力特性，獲取列車運行過程中各測試斷面車鉤力和緩沖器縱向位移的動態(tài)特性和分布特征，結(jié)果表明：列車全線試驗運行過程中，各測試貨車斷面的最大拉鉤力、壓鉤力分別出現(xiàn)在53位、161位貨車處，緩沖器最大正向、負向位移分別出現(xiàn)在53位、79位貨車處。總體而言，列車前1/2范圍內(nèi)測試貨車的最大拉鉤力、緩沖器縱向正向位移更大，而后1/2范圍的測試貨車的最大壓鉤力、緩沖器負向縱向位移更大。通常情況下，縱向拉鉤力/壓鉤力越大，緩沖器的最大縱向正向/負向位移也相對較大，但緩沖器位移最大的車位并不與車鉤力最大的車位嚴格對應，主要原因在于各測試貨車所配置緩沖器的服役狀態(tài)可能存在較大的離散性。

關(guān)鍵詞：既有鐵路；2萬噸重載列車；鉤緩系統(tǒng)；縱向動力特性；試驗研究

中圖分類號：U270.1+1 文獻標志碼：A doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2024.11.007

文章編號：1006-0316 （2024） 11-0049-07

Experimental Study on the Longitudinal Dynamic Characteristics"of the Wagon Coupler/Buffer System of"20 000-tonne Heavy-Haul Trains"on"an Existing Railway

ZHAO Dedong

（ CHN Energy Xinshuo Railway Co.， Ltd.， Hohhot 010000， China ）

Abstract：In response to the actual demand for the operation of the 20"000-tonne heavy-haul trains on an existing line， the longitudinal dynamic characteristics of the typical wagon section of the"train are"tested through on-site tests."The dynamic characteristics and distribution characteristics of the coupler force and longitudinal buffer displacement of each test section during the train operation are identified."The results show that during the full line test operation of the train， the maximum pulling and compressive coupler forces occurs"at the 53rd and 161st wagons， respectively， and the maximum positive and negative buffer displacements occurs"at the 53rd and 79th wagons， respectively."Overall， the maximum coupler force and buffer positive displacement of the wagons within the first half of the train are greater， while the maximum coupler force and buffer negative displacement of the wagons within the second half of the train are greater. In general， the greater the maximum pulling/compressive coupler force， the greater the maximum positive/negative displacement of the buffer. However， the position with the maximum buffer displacement does not strictly correspond to the position with the maximum coupler force. The main reason is that the service condition of the buffer configured for each tested"wagon may exhibit comparatively great discreteness.

Key words：existing railway；20"000-tonne heavy-haul train；coupler/buffer system；longitudinal dynamic characteristics；experimental study

為滿足日益增長的鐵路貨運需求，我國重載列車逐漸朝著長編組、大軸重方向發(fā)展，其在長期運營過程中的動力學問題不斷暴露，而且大多與縱向沖動存在直接或間接關(guān)系^[1-2]。鉤緩系統(tǒng)作為傳遞車間縱向動態(tài)相互作用的直接部件，其服役條件十分惡劣。因此，揭示重載列車在復雜運營條件下的縱向沖動特性以及 鉤緩系統(tǒng)的受力特性十分必要，現(xiàn)有的相關(guān)研究工作主要是從仿真分析和試驗研究兩個角度開展。

通過仿真分析的手段，可以較為系統(tǒng)、便捷地研究重載列車的縱向沖動特性以及鉤緩系統(tǒng)的受力特征。王宏宇^[3]基于縱向動力學理論，對比分析了貨車分別采用車鉤、兩連掛和三連掛3種連接方式下，萬噸列車在長大下坡道上循環(huán)制動過程中的縱向沖動特征；胡曉宇等^[4]通過建立列車縱向動力學模型，仿真分析了2萬噸重載組合列車采用不同動力配置方式下的縱向沖動水平，并從減低列車在長大下坡道循環(huán)制動過程中縱向沖動水平的角度提出了較優(yōu)的動力配置方式；魏偉等^[5]基于空氣制動與縱向動力學聯(lián)合仿真方法，分析了2萬噸重載組合列車在某線路長大下坡道運行過程中將原來循環(huán)制動的四把閘優(yōu)化到兩把閘通過的可行性；王蒙等^[6]利用列車縱向動力學仿真系統(tǒng)，仿真分析了3萬噸列車各種編組模式的車鉤力水平，提出了車鉤力最優(yōu)的編組方案；針對重載列車縱向沖動作用下的車體錯位和車鉤橫向失穩(wěn)現(xiàn)象，GUO等^[7]通過理論仿真分析揭示了

兩者之間的關(guān)系，并提出了提高車鉤橫向穩(wěn)定性的控制措施；吳鍵等^[8-10]通過數(shù)據(jù)調(diào)研和仿真分析，揭示了縱向沖動作用下車鉤垂向分離的產(chǎn)生機理與關(guān)鍵影響因素，并提出了提高車鉤垂向穩(wěn)定性的防控對策。

由于重載列車運營條件十分復雜且車輛狀態(tài)存在較大的離散性，理論仿真往往難以全面反映其實際運行條件下的動力特性，因此，通過現(xiàn)場試驗研究對重載列車的縱向沖動特性和鉤緩系統(tǒng)的受力特征進行評估是不可缺少的環(huán)節(jié)。邵軍等^[11]通過現(xiàn)場測試，分析了重載機車運行安全性與線路工況、車鉤力狀態(tài)以及車鉤轉(zhuǎn)角的相互影響關(guān)系，提出了列車通過小半徑曲線的再生制動力建議；楊文平^[12]通過車輛動力學及軌道動力學試驗研究，提出了某重載鐵路既有線萬噸列車提速對列車通過曲線的穩(wěn)定性及其輪軌動態(tài)相互作用的影響；徐倩等^[13]進行了萬噸和2萬噸重載列車的運行試驗，提出了列車中不同位置貨車的車鉤力以及車體縱向加速度值的分布規(guī)律；GE等^[14]通過對某線路運行的2萬噸重載組合列車開展多次跟蹤測試，得出了中部機車在復雜運行情況下車鉤力和車鉤擺角的分布規(guī)律。

本文針對某既有線路擬開行2萬噸重載列車的實際需求，通過對某趟2萬噸重載列車試驗運行過程中關(guān)鍵貨車斷面的縱向車鉤力和緩沖器位移進行跟蹤測試，掌握其縱向動力特性，以期為該線路后續(xù)正式開行2萬噸重載列車提供數(shù)據(jù)支撐。

1 試驗情況介紹

本節(jié)簡要介紹試驗列車的編組方式、機車車輛類型、線路條件、運行工況以及測點布置情況。

1.1 列車編組方式與機車車輛類型

試驗列車采取“十二軸機車+108輛C₈₀重車+八軸機車+108輛C₈₀重車+可控列尾”的編組方式。試驗機車、貨車的現(xiàn)場照片如圖1所示。其中，八軸機車的最大軸功率為9600 kW，十二軸機車的最大軸功率為14"400 kW。機車車輛軸重、車鉤緩沖器類型等其他典型參數(shù)如表1所示。

1.2 試驗線路條件與列車運行工況

本次試驗的線路區(qū)段為某線路的兩個車站之間（分別記為A、B），車站A與車站B之間的線路長度約55 km左右。試驗列車在上行線（即重車線）運行，該區(qū)段內(nèi)的上坡道最大坡度為4‰，下坡道最大坡度為-12‰，最小曲線半徑為R600 m。

試驗列車運行前，首先在A站完成編組，然后起動運行至B站后停車。運行過程中，列車的典型試驗工況包括坡道起動、主控機車過分相前后牽引/電制動力施加、常用制動停車以及下坡道空電配合調(diào)速等，各試驗工況下列車所處區(qū)段的線路條件、運行速度區(qū)間等相關(guān)信息如表2所示。其中，工況3中列車施加空氣制動的初速度約41 km/h，工況6中列車施加空氣制動和緩解的初速度分別約為68 km/h、 """"58 km/h。

1.3 測點布置情況

在2萬噸列車中共選取了10處貨車斷面，分別為第1位（斷面1）、25位（斷面25）、53位（斷面53）、79位（斷面79）、107位（斷面107）、109位（斷面109）、133位（斷面133）、161位（斷面161）、187位（斷面187）、和215位（斷面215）貨車，測試了各斷面的車鉤力以及緩沖器縱向位移。其中，車鉤力通過測力車鉤測試，緩沖器縱向位移通過拉線位移傳感器測試，現(xiàn)場測點布置情況如圖2所示。

2 測試結(jié)果分析

2.1 車鉤力測試結(jié)果

本節(jié)對2萬噸列車在上述不同試驗工況下的縱向車鉤力測試結(jié)果進行分析，評估不同測試斷面縱向車鉤力的分布情況。

首先介紹典型測試斷面車鉤力的時域測試結(jié)果動態(tài)變化情況。圖3分別給出了工況1（坡道起動試驗）、工況6（下坡道空電配合調(diào)速試驗）下斷面1和斷面109貨車縱向車鉤力的測試結(jié)果時程圖。

圖3（a）展示了工況1下車鉤力的動態(tài)變化情況，從圖中可以看出，在坡道起動工況下，車鉤力也逐漸增大然后在小范圍內(nèi)波動。牽引工況下斷面1的車鉤力大于斷面109的車鉤力，這是由于斷面1、斷面109的貨車分別直接受到主、從控機車的牽引，主控機車的牽引力大于從控機車。此外，從控機車除了牽引斷面1貨車外，還對其前部貨車進行頂推，從而導致斷面109貨車并不能獲取從控機車發(fā)揮的所有牽引力。圖3（b）給出了工況6下車鉤力的動態(tài)變化情況，由圖可知，在坡道空電配合調(diào)速試驗工況下，斷面1與斷面109的貨車車鉤力在320～400 s之間均有拉（正）、壓（負）轉(zhuǎn)變過程，主要原因在于此時列車開始進行空氣制動緩解。此外，斷面109的車鉤力比斷面1的車鉤力幅值更大，且波動情況也更為劇烈。

為對比列車全線試驗運行過程中各貨車測試斷面最大車鉤力的分布情況，圖4給出了拉鉤力、壓鉤力的統(tǒng)計結(jié)果。

從圖4（a）中可以看出，總體而言，列車前1/2范圍的貨車拉鉤力更大，后1/2范圍的貨車拉鉤力稍小，且列車中最大拉鉤力主要分布在列車中前部位置。最大拉鉤力出現(xiàn)在斷面53處，其值約為1438 kN，其次為斷面107處，其值約為1380 kN。由圖4（b）可知，試驗過程中的最大壓鉤力約為1650 kN，出現(xiàn)在斷面161處，且列車后1/2范圍的貨車壓鉤力普遍大于前1/2范圍貨車的壓鉤力。

2.2 緩沖器位移測試結(jié)果

本節(jié)對2萬噸試驗列車各貨車測試斷面的緩沖器縱向位移測試結(jié)果進行分析，評估其在上述不同試驗工況的分布情況。

圖5以工況1（坡道起動試驗）與工況6（下坡道空電配合調(diào)速試驗）為例，分別給出了斷面1和斷面109的貨車緩沖器縱向位移測試結(jié)果的時域測試結(jié)果。

從圖5（a）中可以看出，在工況1下，斷面1位和斷面109的貨車緩沖器縱向位移從0開始逐漸增大，然后趨于穩(wěn)定，且斷面1緩沖器的最大位移大于斷面109的緩沖器位移。由圖5（b）可知，在工況6下，斷面109的緩沖器縱向位移相較斷面1的波動情況更加劇烈且幅值也更大，主要原因在于斷面109的貨車車鉤的整體受力較大且變化趨勢更加復雜。此外，斷面1與斷面109的緩沖器縱向位移在320～400 s之間均出現(xiàn)了一次明顯的正向波動，這是由于在緩解過程中車鉤受到了拉鉤沖擊力。

圖6給出了列車全線試驗運行過程中各測試貨車斷面緩沖器最大正向、負向縱向位移的統(tǒng)計結(jié)果。其中，正向位移主要對應緩沖器的受拉狀態(tài)，負向位移主要對應于緩沖器的受壓狀態(tài)。

從圖6中可以看出，緩沖器正向最大位移出現(xiàn)在斷面53處，其值約為32 mm，且列車前1/2范圍貨車緩沖器最大縱向位移總體大于后1/2范圍的貨車；各測試貨車斷面的緩沖器負向最大位移出現(xiàn)在斷面79處，其值約為28 mm，且除斷面79之外，列車前1/2范圍內(nèi)的貨車緩沖器最大縱向位移總體小于后1/2范圍的貨車。

2.3 統(tǒng)計結(jié)果分析

為對比車鉤力與緩沖器縱向位移最大值的對應關(guān)系，圖7給出了各測試斷面的最大拉鉤力、壓鉤力以及緩沖器縱向最大正向、負向位移的統(tǒng)計情況。

可以看出，總體而言，縱向拉鉤力/壓鉤力越大，緩沖器縱向最大正向/負向位移也相對較大。值得注意的是，緩沖器最大位移出現(xiàn)的車位并不與最大車鉤力出現(xiàn)的車位嚴格對應，主要原因在于緩沖器結(jié)構(gòu)十分復雜，內(nèi)部存在眾多沖強非線性的摩擦元件，且其各零部件之間存在一定的縱向間隙，導致各貨車所配置緩沖器的服役狀態(tài)可能存在較大的離散性。

3 結(jié)論

針對某既有線路開行2萬噸重載組合列車的實際需求，通過現(xiàn)場試驗測試分析了某趟試驗列車運行過程中典型貨車斷面鉤緩系統(tǒng)的關(guān)鍵縱向動力學參數(shù)的動態(tài)特性與分布特征，測試指標包括車鉤力和緩沖器縱向位移，主要結(jié)論如下：

（1）列車全線試驗運行過程中，各測試貨車斷面的最大拉鉤力、壓鉤力分別出現(xiàn)在斷面53、161處，最大拉鉤力約為1438 kN，最大壓鉤力約為1650 kN?？傮w而言，列車前1/2范圍內(nèi)測試貨車的拉鉤力比后1/2范圍內(nèi)的測試貨車的拉鉤力更大，而后1/2范圍的測試貨車的壓鉤力比前1/2范圍內(nèi)測試貨車的壓鉤力更大。

（2）列車全線試驗運行過程中，各測試貨車斷面的緩沖器的最大正向、負向位移分別出現(xiàn)在斷面53、79處，正向最大位移約為32 mm，負向最大位移約為28 mm。總體來看，列車前1/2范圍內(nèi)測試貨車緩沖器的正向最大縱向位移大于后1/2范圍內(nèi)的測試貨車，而后1/2范圍內(nèi)測試貨車緩沖器的負向最大縱向位移大于前1/2范圍內(nèi)的測試貨車。

（3）總體而言，縱向拉鉤力/壓鉤力越大，緩沖器的正向/負向最大縱向位移也相對較大。值得注意的是，緩沖器位移最大的車位并不與車鉤力最大的車位嚴格對應，主要原因在于各貨車配置緩沖器的服役狀態(tài)可能存在較大的離散性。

參考文獻：

[1]翟婉明，趙春發(fā). 現(xiàn)代軌道交通工程科技前沿與挑戰(zhàn)[J]. 西南交通大學學報，2016，51（2）：209-226.

[2]王開云，閤鑫，陳清華，等. 重載列車系統(tǒng)動力學研究進展[J]. 應用力學學報，2023，40（5）.

[3]王宏宇. 貨車連掛方式對萬噸重載列車循環(huán)制動過程縱向沖動影響分析[J]. 機械，2020，47（2）：25-30.

[4]胡曉宇，閤鑫，周占松，等. 動力配置對2萬噸重載列車縱向沖動的影響研究[J]. 四川輕化工大學學報（自然科學版），2022，35（4）：18-25.

[5]魏偉，張益銘. 2萬噸重載組合列車操縱優(yōu)化研究[J]. 鐵道機車車輛，2021，41（4）：35-40.

[6]王蒙，魏偉，張淵，等. 3萬噸列車編組方案車鉤力研究[J]. 機械，2023，50（5）：65-70.

[7]GUO L，WANG K，CHEN Z，et al. Analysis of the car body stability performance after coupler jack-knifing during braking[J]. Vehicle system dynamics，2018，56（6）：900-922.

[8]吳鍵，凌亮，郝崇杰，等. 空緩條件下兩萬噸重載列車中部機車車輛縱垂向沖動仿真分析[J]. 機械，2020，47（10）：53-59.

[9]凌亮，吳鍵，周坤，等. 長大重載列車中部機車跳鉤機理與防控對策[J]. 交通運輸工程學報，2021，21（6）：310-320.

[10]WU J，LING L，ZHOU K，et al. Coupler separation of slave locomotive in a 20，000-tonne combined heavy-haul train during air-braking release[J]. Vehicle System Dynamics，2023，61（11）：2761-2789.

[11]邵軍，張志超，姚小沛. 縱向力作用下重載機車運行安全性試驗[J]. 機車電傳動，2017（1）：89-93.

[12]楊文平. 提速條件下萬噸重載列車通過曲線的車輛穩(wěn)定性及輪軌動態(tài)相互作用試驗研究[J]. 中國測試，2023，49（S1）：241-246.

[13]徐倩，王悅明，倪純雙. 重載列車縱向沖動分布試驗研究[J]. 中國鐵道科學，2013，34（4）：77-83.

[14]GE X，LING L，CHEN Z，et al. Experimental assessment of the dynamic performance of slave control locomotive couplers in 20，000-tonne heavy-haul trains[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，Part F：Journal of Rail and Rapid Transit，2021，235（10）：1225-1236.

作者簡介：趙得東（1982－），男，甘肅白銀人，工程師，主要從事機車檢修管理工作，E-mail：1782060149@qq.com。