0 引  言

    中国铁路重载技术的发展已进入世界先进行列。重载是当今铁路货运的发展方向，是提高铁路货运能力的有效途径[1]。随着列车自重加载重的重量增大,列车在启动和制动时，车钩缓冲装置之间的的纵向力随之增大，这将对列车牵引和制动时的纵向冲动产生影响。牵引制动的不同步则会产生较大的纵向冲击，而在车钩型号和牵引速度的不同情况下其冲击状态是不同的。文献[2]利用“牵引电算软件”机车数据库和线路数据库，建立了重载列车运行仿真计算模型，对大秦线重载列车牵引制动以及列车操纵进行了仿真。文献[3]分析了我国重载列车试验研究的方法，研究分析了大秦线上重载列车的提速脱轨等试验。

    本文利用列车空气制动与纵向动力学联合仿真系统[4-7]，建立重载列车纵向动力学模型。建模时，忽略横向力和垂向力的影响，只考虑纵向作用力。分析51节（机车+50车辆）编组，不同车钩型号、不同初速度在牵引、制动和惰行三种工况下，列车纵向车钩力的变化。

1 列车纵向动力学模型及缓冲器特性

将列车抽象为一个多质点的质量弹簧阻尼系统，每节车辆模型化为一个集中质量，任意车辆(机车)受力如图1所示。

图1 单个车辆受力图

Fig.1  Single vehicle force diagram

每个车辆力平衡方程式为[8]:

   ()

式中为列车中包含的机车车辆总数；为第节车的惯性力；为第对车钩的车钩力；为第节车的运行阻力；为第节车所受的制动力；为牵引力或动力制动力；为第节车所受的坡道阻力。

车钩缓冲器装置是列车编组中重要组成部件，连接相邻车辆，用于传递牵引力、制动力，并缓和列车纵向冲动的装置[9]。

图2 车钩缓冲装置示意图

Fig.2  Coupling buffer schematic diagram

表1 三种缓冲器特性参数

Tab.1 Three kinds of buffer characteristic parameters

    本文就是根据上述三种缓冲器参数，建立不同的模型，利用重载列车纵向动力学进行仿真分析，分别研究不同型号车钩在牵引、制动和惰行三种工况下的最大车钩力，然后单独分析HM-2型车钩，在不同初速度下，牵引、制动和惰行工况的最大车钩力。其中最大车钩力是压钩和拉钩状态下车钩力的最大绝对值，惰行工况是车辆既无牵引力，也没有制动力，在惯性作用下滑行。本文所计算的工况，机辆总数为51，机车数目为1。

2 计算仿真分析

2.1牵引工况不同车钩型号车钩力对比

    本次讨论列车车钩缓冲装置在列车牵引工况下，列车纵向力的变化。计算工况：机车初速度20km/h，车钩间隙15mm，车钩初始状态为压钩，列车牵引60s。对比HM—1型、HM—2型、MT—2型三种车钩的纵向车钩力，并单独对比HM—2型车钩的拉钩力、压钩力，如图示。 

（a）纵向拉钩力对比

 （b）HM—2拉钩力、压钩力对比

图3不同车钩型号车钩力对比

Fig.3 Coupling force contrast of different coupling model 

表2 不同车钩型号车钩力对比

Tab.2 Coupling force contrast of different coupling model

    从图3中可以看出，三种车钩变化趋势大体相同。1-50节车按照从前到后的顺序，最大车钩力依次递减，三种类型的车钩压钩力全为零，头车车钩拉钩力最大，尾车车钩拉钩力最小。其中MT-2型车钩拉钩力最大为343.2766kN，HM-2型车钩拉钩力最小，为214.0794 kN。

2.2牵引工况不同初速度车钩力对比

    列出运行的初速度不同，得到的车钩力也不同。下面分别比较列车以20km/h、30km/h、40km/h三个初速度运行时，HM-2型车钩的最大车钩力。本次计算机车牵引60s，车钩初始间隙为15mm，初始状态为压钩。

（a）三种初速度纵向车钩力

 （b）30km/h/拉钩力、压钩力比较

图4不同初速度下车钩力对比

Fig.4 Coupling force contrast at different speed

表3 不同初速度下车钩力对比

Tab.3 Coupling force contrast at different speed

    由以上结果可知：列车在不同初速度下，最大车钩力由前向后依次递减，最大车钩产生在头车，因此，第一节车最易出现断钩。速度为20km/h产生的车钩力最小，速度为40km/h产生的车钩力最大，可见，初速度越高，头车产生的最大车钩力越大。

2.3制动工况不同车钩型号车钩力对比

    列车制动时，纵向将产生冲击力。将HM—1型、HM—2型、MT—2型车钩进行仿真计算，对比列车在制动工况下的最大车钩力。

(a) 拉钩力比较

       (b) 压钩力取绝对值

(c) HM—2型车钩拉钩力、压钩力比较

(d) HM—2车钩拉钩力、压钩力取绝对值

图5 不同车钩型号车钩力对比

Fig.5 Coupling force contrast of different coupling model

表4 不同车钩型号车钩力对比

Tab.4 Coupling force contrast of different coupling model

    三种车钩的最大车钩力都是压钩力，产生的位置都是在尾车。拉钩力都是在11号车以后趋于稳定值，压钩力按从前往后的顺序逐渐增大。

2.4制动工况不同初速度车钩力对比

    以不同的速度制动时，列车的纵向冲动也不同。比较初速度分别为30km/h、40km/h、50km/h时，制动工况下的最大车钩力。

(a) HM-2型车钩拉钩力比较

     (b) HM-2型车钩压钩力取绝对值

(c) HM-2型车钩30km/h拉钩力、压钩力

(d) HM-2型车钩拉、压钩力取绝对值

图6不同初速度下车钩力对比

Fig.6 Coupling force contrast at different speed

表5 不同初速度下车钩力对比

Tab.5 Coupling force contrast at different speed

    制动过程中，压钩力的绝对值比拉钩力大很多，最大压钩力产生在尾车，因此，尾车最易出现断钩现象。随着初速度的增加，最大车钩力也随之增大。

2.5惰行工况不同车钩型号车钩力对比

    惰行即列车既不受牵引力，也不受制动力，在惯性作用下，自由前行。

图7 不同车钩型号车钩力对比

Fig.7 Coupling force contrast of different coupling model

表6 不同车钩型号最大车钩力对比

Tab 6 Coupling force contrast of different coupling model

    各车辆之间只有压钩力，没有拉钩力，对三种型号车钩，产生最大车钩力的位置不同，整个列车车钩力呈波动变化。

2.6惰行工况不同初速度车钩力对比

    列车的速度直接影响到列车能否按照规定的时间完成作业。下面分析列车在惰行工况HM-2型车钩不同初速度对车钩力的影响。

图8不同初速度下车钩力对比

Fig.8 Coupling force contrast at different speed

表7 不同初速度下车钩力对比

Tab.7 Coupling force contrast at different speed

初速度越大，产生的最大车钩力也越大，列车中的位置也越靠后。

3 结论

1）牵引工况，只产生拉钩力，没有压钩力，HM-2型车钩受力最小，建议列车编组时采用。头车车钩力最大，易出现断钩现象。

2）制动工况，压钩力比拉钩力大很多，尾车车钩力最大，易出现断钩现象。

3）惰行工况，最大车钩力均不到30 kN，各车辆之间车钩力存在差异，并且没有呈现一定规律，只在一定范围内波动。

4）三种工况下，最大车钩力都是随着速度的增大而逐渐增加。因此，在列车实际运行中，初速度都不宜设的太大，以免出现断钩。

参考文献：

[1] 严隽耄，翟婉明，陈清等.重载列车系统动力学[M].北京:中国铁道出版社，2003.

[2] 王启铭.大秦线2万t重载组合列车试验研究[J].铁道机车车辆，2008，28(6):8－10.

[3] 马大炜.重载列车及其试验研究—我国重载列车的实验研究(上，中，下) [J].铁道车辆，1999，37(4，5，6).

[4] 魏伟.列车空气制动系统仿真的有效性[J]. 中国铁道科学. 2006, 27(5):104-109.

[5] 魏伟,李文辉. 列车空气制动系统数值仿真[J]. 铁道学报. 2003, 25(1):38-42

[6] 陆文飞,张有忱.列车纵向冲动仿真建模的研究[J].机电工程.2007,24(3):48-50.

[7] 孟先全. 车钩缓冲装置动态特性研究[D].四川成都：西南交通大学，2011.

[8] 魏伟,张东芹,张军.重载列车纵向冲动机理及参数影响[J]. 大连交通大学学报,2011,32(1):1~6.

[9] 杨俊杰,刘建新,罗世辉,封全保. 重载组合列车机车车钩稳定控制试验[J].西南交通大学学报,2009,44(6):882~886.