重載組合列車中間機車13aqkx50鉤緩系統(tǒng)承壓能力仿真研究

重載組合列車中間機車13aqkx50鉤緩系統(tǒng)承壓能力仿真研究

0組合列車試驗隨著鐵路的高速運輸，其在世界經(jīng)濟中的地位日益鞏固。作為運能擴展的重要手段,組合列車技術已在世界范圍內得到了廣泛應用。2003年以來,我國大秦線逐步開行了組合1萬t列車、組合1.5萬t列車、組合2萬t列車,今后還將開行組合3萬t列車和組合4萬t列車。然而,組合列車的編組形式及動力集中的因素使得重載機車的工作環(huán)境更加復雜,特別是中間機車。數(shù)次列車脫軌事故及重載列車線路試驗也表明:中間機車是重載列車安全問題的薄弱環(huán)節(jié)之一。本文以HXD1八軸機車為研究對象,研究機車配備不同特性鉤緩系統(tǒng)時中間機車的承壓能力。113車輛的橫向動態(tài)特性分析HXD1八軸機車采用的13A/QKX100鉤緩系統(tǒng)如圖1所示,與普通圓銷鉤緩系統(tǒng)(如FT、LAF鉤緩系統(tǒng))相比,獨特之處在于13A車鉤通過鉤尾框上鉤尾銷孔的特殊外形與鉤尾銷形成車鉤擺角止擋,而非圓銷鉤緩系統(tǒng)采用的鉤肩擺角限制方式。另一不同之處在于13A車鉤鉤尾與前從板間形成一對摩擦弧面,其對車鉤的動態(tài)行為形成限制,這是其他圓銷車鉤所不具有的特征。當13A/QKX100鉤緩系統(tǒng)承受拉力時,車鉤力傳遞順序為:鉤頭—鉤扁銷—鉤尾框—緩沖器—前從板—底架。此時車鉤力由鉤尾框傳向從板,所以鉤尾與前從板間的摩擦面沒有相互作用。但當其承受縱向壓力時,車鉤壓力傳遞順序為:鉤頭—鉤尾弧面—前從板弧面—緩沖器—底架。鉤尾框基本不承力,只是當前從板在壓力作用下與車鉤進一步移動時扁銷帶動鉤尾框一起移動,此時扁銷和尾框承力均很小。也就是說,此時車鉤力主要通過鉤尾直接傳遞給從板。綜合上述分析可知,當13A/QKX100鉤緩系統(tǒng)承受縱向壓力時在從板與鉤尾間的摩擦弧面作用下,如果2個面間有相對運動或相對運動趨勢則會有相應的動摩擦或靜摩擦力產(chǎn)生。而這個摩擦力的作用是阻止兩者之間相對運動的發(fā)生,以此提供穩(wěn)鉤作用力矩。如果在車鉤發(fā)生偏轉的初始階段就向車鉤施加一個摩擦穩(wěn)鉤力矩則可以很好地限制車鉤擺角的進一步增大,從而實現(xiàn)較優(yōu)的鉤緩系統(tǒng)動態(tài)特性,降低鉤緩系統(tǒng)對機車動力學性能的不良影響,增強機車的承壓能力。2緩沖器模型的建立緩沖器建模時將緩沖器的加載與卸載特性定義為2個緩沖器行程的函數(shù)fu(x)、fl(x)。2個函數(shù)中均考慮車鉤間隙、初壓力、剛性沖擊等因素。再為緩沖器遲滯特性定義一個切換速度ev,由此可建立如圖2所示的緩沖器模型。如圖3所示為鉤緩系統(tǒng)模型原理圖。由于車鉤間隙在緩沖器模型中已有考慮,則可假設相連掛的兩車鉤為一直桿。假設車鉤與從板直接相連且只有z軸旋轉的相對自由度,從板通過緩沖器與車體相連,且只具有x向位移自由度。在A、B兩點處用擺角止擋特性及庫侖摩擦力元進行約束,形成如圖3所示的鉤緩系統(tǒng)模型。3相關系統(tǒng)仿真動力學仿真模型由1臺HXD1八軸機車及2節(jié)C80貨車模型組成。模型編組方式采用貨車+機車+貨車模式。各機車、車輛之間采用鉤緩系統(tǒng)相互連接,且與貨車相連的鉤緩系統(tǒng)采用17號/MT-2特性系統(tǒng)。仿真工況設為列車以60km/h的速度在設有德國高干譜的平直道上行駛,機車由第2s開始實施電制動,制動力經(jīng)10s后達到最大值后保持,共計算20s。機車制動力最大值57.5kN/軸。同時在兩端貨車外側車鉤鉤銷處施以不同幅值的縱向力,不斷加大中間機車所受縱向力。以行車方向為基準,與后端貨車相連的機車車鉤為受力最大的機車車鉤,機車第8輪對為離前述機車車鉤最近的機車輪對來作為主要考查對象。4車鉤接觸狀態(tài)的仿真分析為研究鉤緩系統(tǒng)特性對中間機車承壓能力的影響,首先分析鉤緩系統(tǒng)承壓時的動態(tài)行為。控制被考查車鉤所承受的縱向力為1600kN,分別考查鉤尾摩擦面摩擦系數(shù)=0.32與=0(沒有摩擦面)時機車車鉤轉角、車鉤力及鉤尾摩擦力的時間歷程,并將=0情況下車鉤自由角分別設定為3°、6°、9°時的仿真結果與=0.32時的仿真結果作對比。圖4、圖5分別為機車車鉤鉤尾摩擦力的時間歷程及幾種不同情況下車鉤轉角的時間歷程。從圖4、圖5中可以看出:13A車鉤在鉤尾摩擦力的作用下沒有發(fā)生明顯偏轉,而是在一個極小的幅值下實現(xiàn)了動態(tài)穩(wěn)定;而當車鉤沒有摩擦作用時,其車鉤轉角分別發(fā)生了不同程度的偏轉,偏轉角度都達到了最大自由角;由于車鉤止擋作用,當車鉤達到最大自由角時,車鉤擺角出現(xiàn)一定程度的振蕩(這里的3°、6°、9°是一個預設的參數(shù)值,即在計算過程中,假定車鉤偏轉無限接近預設值,以此來考察車鉤的穩(wěn)定性能)。圖6所示為4種情況下車鉤力的時間歷程,結合圖5分析可知,當車鉤發(fā)生偏轉時車鉤力會呈現(xiàn)出不穩(wěn)定狀態(tài),車鉤擺角越大車鉤力振蕩越厲害,而有摩擦面作用的13A/QKX100鉤緩系統(tǒng)的車鉤力則顯示極為平穩(wěn)。圖7所示為不同仿真工況下第8輪對輪橫向力的時間歷程。從圖中可以看出,在相當幅值的縱向力作用下,輪軸橫向力隨車鉤自由角的增大而增大,在鉤尾摩擦力作用下13A車鉤偏轉角度動態(tài)穩(wěn)定且幅值較小,故其輪軸橫向力較小,且呈動態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)。5車鉤自由角n誠然,機車安全性評估不能依靠單一評價指標來進行,但是輪軸橫向力是平直道工況中最具指示性的安全性指標,限于篇幅下面以第8輪對輪軸橫向力為指標分析中間機車承壓能力。首先分析=0時輪軸橫向力最大值隨車鉤自由角及縱向力幅值的變化情況。圖8所示為輪軸橫向力最大值三維映射圖,圖中縱向壓鉤力由600kN增大到2500kN,間隔計算20個點;車鉤自由角由1°增大到10°,間隔計算10個點。從圖8中可以看出,輪軸橫向力最大值隨縱向壓鉤力及車鉤自由角的增大而增大,但當車鉤自由角較小時輪軸橫向力相對于縱向力增大并不明顯,按輪軸橫向力不超過93kN的標準判定,當車鉤自由角小于等于6°時,中間機車可以承受大于2500kN的縱向壓力,當車鉤擺角分別為7°、8°、9°、10°時,中間機車可以分別承受2300kN、1900kN、1600kN、1200kN的縱向壓力。圖9所示為鉤尾摩擦系數(shù)=0.32時,機車承受2500kN縱向壓鉤力工況下車鉤擺角及機車第8軸輪軸橫向力時間的歷程。需要注意的是車鉤擺角單位的數(shù)量級為10E-2,也就是說仿真工況中車鉤擺角在一個極小的幅值下動態(tài)穩(wěn)定。從圖9中還可以看出,輪軸橫向力時間歷程表現(xiàn)為在時間軸上下動態(tài)變化,且輪軸橫向力最大值不超過25kN。仿真結果表明該工況下中間機車可承受大于2500kN的縱向壓力。6中間客車橫向力(1)當機車配備沒有摩擦穩(wěn)鉤作用的鉤緩系統(tǒng)時,中間機車輪軸橫向力最大值隨縱向壓鉤力及車鉤自由角的增大而增大,但當車鉤自由角較小時輪軸橫向力相對于縱向力的增大不明顯。(2)當機車配備沒有摩擦穩(wěn)鉤作用的鉤緩系統(tǒng)且車鉤自由角小于