缩小货车车钩纵向间隙的研究.docx

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缩小货车车钩纵向间隙的研究

题目：

缩小货车车钩纵向间隙的研究

院系：

网络教育学院

专业：

车辆工程

姓名：

季红星

指导教师：

米彩盈

西南交通大学

网络教育学院

院系网络教育学院专业车辆工程

年级2005-5学号05922613姓名季红星

学习中心北京学习中心指导教师米彩盈

题目缩小货车车钩纵向间隙的研究

指导教师

评语

是否同意答辩过程分（满分20）

指导教师（签章）

评阅人

评语

评阅人（签章）

成绩

答辩组组长（签章）

年月日

毕业论文任务书

班级2005-5学生姓名季红星学号05922613

发题日期：

2007年9月17日完成日期：

2007年11月18日

题目缩小货车车钩纵向间隙的研究

1、本论文的目的、意义：

发展高速重载运输是我国提高铁路运输协运力、运量的主要手段，铁路运输力、运量的提高对我国铁路运输业的发展，乃至整个国民经济的发展都有着十分重要的意义。

然而，随着重载列车的重量不断加大以及列车编组长度不断增加和车速的不断提高，致使列车在运行过程中，前后车辆的速度增大，也将造成列加严重的纵向冲击。

这种冲击会产生很大的纵向车钩力，损坏货物，加剧钩缓等车辆部件的直接损伤和疲劳损坏，严重时造成车钩断裂，列车分离等事故。

缩小货车车钩纵向间隙对列车运行纵向动力学性能具有重要影响，是我国发展重载列车所不可回避的课题，也是实现铁路跨越式发展的需求之一。

学生应完成的任务:

对货物列车（特别是重载货物列车）在运行过程中产生的纵向力的分析研究，并根据国内外已有的关于纵向动力学方面的研究结果的基础上，论证减少F13车钩纵向间隙的必要性及可行性。

2、论文各部分内容及时间分配：

（共9周）

第一部分查阅关于论文的相关资料，列出论文提纲，提交指导老师（2周）

第二部分论文写作，初稿形成，提交指导老师（4周）

第三部分论文修改、完成、定稿（3周）

评阅其答辩（周）

3、参考文献

1.张进德.我国铁路货车技术近期发展趋向商榷.铁道车辆.2001.

2.马大炜.关于5000t级重载列车车钩力的研究.铁道车辆.1995.

3.范佩鑫，陈成元.重载组合列车纵向动力学的实验研究及理论分析.西南交通大学学报.1999.

4.严隽玺.车辆工程.中国铁道出版社.2003.

5.章音.车辆业务.中国铁道出版社.2003.

6.饶忠.列车制动.中国铁道出版社.2003.

备注

指导教师：

年月日

审批人：

年月日

诚信承诺

一、本论文是本人独立完成；

二、本论文没有任何抄袭行为；

三、若有不实，一经查出，请答辩委员会取消本人答辩资格。

　　　　　　　　　　　　　　　承诺人（钢笔填写）：

年　　月　　日

目录

摘要···························································（Ⅰ）

Abstract····························································（Ⅱ）

第一章：

绪论························································

（1）

1.1--引言··························································

（1）

1.2--货车车钩的现状研究············································

（2）

1.2.1--车钩的定义··············································

（2）

1.2.2--车钩的定义·············································（3）

1.2.3--车钩的发展历程··········································（3）

1.3--列车纵向动力学研究历史及现状··································（3）

1.4--缩小车钩纵向间隙的意义和重要性································（5）

第二章：

缩小13号车钩纵向间隙的必要性····························（6）

2.1--缩小13号车钩纵向间隙的必要性·································（6）

2.2--车钩的纵向间隙对列车纵向冲击力的影响··························（7）

2.3--运行安全对列车纵向冲击力的限制································（9）

第三章：

缩小13号车钩的纵向间隙的可行性··························（12）

3.1--缩小13号车钩的纵向间隙的技术可行分析·························（12）

3.2--缩小13号车钩的主要技术指标···································（13）

3.3--缩小13号车钩的纵向间隙的经济可行性分析·······················（14）

第四章：

小间隙车钩动力学性能分析·································（15）

4.1--小间隙车钩对列车启动工况的影响································（15）

4.2--小间隙车钩对列车常用制动工况的影响····························（17）

4.3--小间隙车钩对列车紧急制动工况的影响····························（19）

4.4--小间隙车钩对列车缓解工况的影响································（22）

结束语····························································（26）

致谢····························································（27）

参考文献·····························································（28）

摘要

综合国内外重载列车的科研成果，并行重载列车需要解决很多技术问题，结合我国线路机车车辆的具体情况，其中最为重要的是如何降低重载列车运行过程中产生的纵向冲击力，以保证列车的运行安全，减少车辆零部件的损坏。

车辆配件的损坏又直接影响到车辆运行的安全系数，不但缩短了车辆及其个别配件的使用寿命，而且又费工费时，增加工人劳动工作量；还缩短了车辆的运转周期，给铁路运输造成不必要的经济损失。

车辆的纵向间隙是影响列车纵向冲击力的6大因素中较为重要的因素，车辆的纵向间隙主要集中在车钩缓冲装置上，而车钩的形状又是绝对性的因素；车辆纵向间隙可造成列车的纵向力成几倍的增减，因此，缩小车辆的纵向间隙可极大幅度地降低列车的纵向冲击力。

通过分析13号车钩纵向间隙的所产生的纵向冲击以及车钩纵向间隙对货车车钩纵向冲击力的影响，并根据计算机模拟和样板实验的结果以及对13号小间隙防脱车钩的纵向动力学性能分析研究，通过比较各个车钩间隙下列车最大纵向车钩力和列车最大加速度的数值，得出小间隙车钩在列车启动工况、常用制动工况、紧急制动工况、缓解工况的纵向动力学性能都较原有车钩性能优异的结论。

并在此基础上掌握列车最大纵向力的数值及分布，找出降低最大纵向力的方法，保证重载列车安全、平稳运行。

总之，减少13号车钩纵向间隙不仅是高速、重载列车安全运行的需要，也是制动系统、车辆缓冲装置等部件进行优化设计的需要。

关键词：

车钩   纵向间隙分析研究

Abstract

Theheavyhaultrainsandforeignresearchresults,Parallelladentrainsneedtoresolvemanytechnicalproblems,LinerollingstockinlightofChina'sspecificconditions.Oneofthemostimportantishowtoreduceheavytraintheprocessofverticalimpact,inordertoensurethesafeoperationoftrains,reducevehiclepartsdefects.Thedamagedvehicleaccessoriesalsodirectlyaffectsthesafetyfactorofvehicleoperation,thevehicleswillnotonlyshortenthelifeofitsindividualparts,butalsoforthetime-consuming,laborworkersincreasedworkload;alsoshortenedthecycleoftheoperationofvehicles,nottocreaterailtransportthenecessaryeconomiclosses.Theverticalclearancevehicleisaffectedtrainslongitudinalimpactofthesixmajorfactorinthemoreimportantfactors,theverticalclearancevehiclesmainlyconcentratedinthebufferdevicecoupler,andtheshapeiscouplerabsolutefactorverticalclearancevehiclescancausethetrainlongitudinalchangesseveraltimesintoforce,therefore,narrowverticalclearancevehiclescanbeverysubstantiallyreducethelongitudinalimpactofthetrain.

Throughanalysisonthe13thcouplerverticalspacegeneratedbythelongitudinalimpactandcouplerverticalclearanceofgoodsvehiclescouplerverticalimpactof,andinaccordancewithcomputersimulationandtheexperimentalresultsandthemodelofthe13thsmallspace-couplerfromthelongitudinaldynamicsPerformanceAnalysisresearch,bycomparingvariouscouplerlargestverticalclearanceunderthetrainandthetraincouplerofthelargestaccelerationwiththe35-couplerthatsmallgapinthetrainstartedworkingconditions,whichareoftenusedbrakingconditions,emergencybrakingconditions,themitigationconditionsarelongitudinaldynamicperformancecoupleroutstandingperformancecomparedwiththepreviousconclusions.Onthisbasis,thelargestlongitudinalforcetrainmasterNumericalanddistribution,reducethemaximumverticalforcetoidentifywaystoensurethatheavytrainsecurity,stableoperation.

Inshort,thereductiononthe13thcouplerverticalclearanceisnotonlyhigh-speed,heavy-dutytrainsafeoperationandtheneedsforbrakingsystems,vehiclecomponentssuchasbufferdeviceoptimizeddesignneeds.

Keywords:

coupler;verticalclearance;analysis;research

第一章绪论

1.1引言

发展高速重载运输是我国提高铁路运输运力、运量的主要手段。

铁路运输运力、运量的提高对我国铁路运输业的发展，乃至整个国民经济的发展都有着十分重要的意义。

2000年在北京召开的重载运输委员会会议上，就再次提出“重载、密度、高速”的货车发展方向。

然而，一方面，由于重载列车的重量大，在变化工况时将会产生更大的动态车钩力。

另一方面，随着列车编组长度增加和车速的提高，当列车处于过渡工况时，前部车辆和后部车辆的速度差增大，也将造成更加严重的纵向冲击。

这种冲击通常会产生很大的纵向车钩力，损坏货物，加剧钩缓等车辆部件的直接损伤和疲劳损坏，严重时造成车钩断裂，列车分离等行车事故。

据北京、上海铁路局及广州铁路集团公司的不完全统计，重载提速后的1998年各杆件和钩缓的裂纹发生率较1997年同期有较大幅度的增加。

车钩间隙的存在使处于变化工况的车辆在外力作用下增加了一段无阻尼加速进程，使车辆相对速度增加，车辆间冲撞作用力加剧。

这就是通常所说的“间隙效应”。

可见，车钩间隙的变化是影响列车纵向冲击力的重要因素。

20世纪70年代后期美国铁路在联运中采用了关节式车钩，运用表明除了可以更加有效的利用车轴的承载能力外（平均每车一台转向架），还发现由于车体的自由间隙减小，列车的运营条件得到了明显的改善，而且因列车间隙效应造成的装载货物损坏状况也得到了缓减，为了使其它普通编组的列车也获得类似的改进，从1990年开始美国在独立支承的车体之间广泛使用小间隙或无间隙车钩。

美国铁路的运用表明缩小车钩纵向间隙可以明显改善列车运行的动力学性能。

为此，我们试图利用列车动力学方法，建立一个用来评价车钩间隙对列车动力学性能影响的列车动力学模型，分析减小车钩间隙对列车动力学性能的影响。

综上所述，并行重载列车需要解决很多技术问题，其中最为重要的是如何降低重载列车运行过程中产生的纵向冲击力，以保证列车的运行安全，减少车辆零部件的损坏。

车辆配件的损坏又直接影响到车辆运行的安全系数，不但缩短了车辆及其个别配件的使用寿命，而且又费工费时，增加工人劳动工作量；还缩短了车辆的运转周期，给铁路运输造成不必要的经济损失。

车辆的纵向间隙是影响列车纵向冲击力的6大因素中较为重要的因素，车辆的纵向间隙主要集中在车钩缓冲装置上，而车钩的形状又是绝对性的因素；车辆纵向间隙可造成列车的纵向力成几倍的增减，因此，缩小车辆的纵向间隙可极大幅度地降低列车的纵向冲击力。

1.2货车车钩的现状研究

1.2.1车钩的定义

车钩是用来实现机车和车辆或车辆和车辆之间的连挂，传递牵引力及冲击力，并使车辆之间保持一定距离的车辆部件。

车钩由钩头，钩身、钩尾三个部分组成、车钩前端粗大的部分称为钩头，在钩头内装有钩舌、钩舌销，锁提销，钩舌推铁和钩锁铁。

车钩后部称为钩尾，在钩尾上开有垂直扁锁孔，以便与钩尾框联结。

为了实现挂钩或摘钩，使车辆连接或分离，车钩具有以下三种位置，也就是车钩三态：

锁闭位置——车钩的钩舌被钩锁铁挡住不能向外转开的位置。

两个车辆连挂在一起时车钩就处在这种位置。

开锁位置——即钩锁铁被提起，钩舌只要受到拉力就可以向外转开的位置。

摘钩时，只要其中一个车钩处在开锁位置，就可以把两辆连挂在一起的车分开。

全开位置——即钩舌已经完全向外转开的位置。

当两车需要连挂时，只要其中一个车钩处在全开位置，与另一辆车钩碰撞后就可连挂。

旋转车钩的构造与普通车钩不同，钩尾开有锁孔，钩尾销与钩尾框的转动套连接。

钩尾端面为一球面，顶紧在带有凹球面的前从板上。

当钩头受到扭转力矩作用时，钩身连同尾销以及转动套一起转动。

旋转车钩现在只安装在专为大秦铁路运煤单元组合列车设计的车辆上。

这种车辆的一端装设旋转车钩，另一端装设固定车钩，整列车上每组连接的两个车钩，两两相互搭配。

当满载煤炭的车辆进入卸煤区的翻车机位时，翻车机带动车辆翻转180度，将煤炭倾倒出来。

旋转车钩可以使车辆翻转卸货时不摘钩连续作业，缩短了卸货作业时间。

密接式车钩一般在高速铁路和地下铁道的车辆上使用。

它的体积小、重量轻、两车钩连挂后各方向的相对移动量很小，可实现真正的“密接”；同时，对提高制动软管、电气接头自动对接的可靠性极为有利。

缓冲器用来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。

缓冲器有耗散车辆之间冲击和振动的功能，从而减轻对车体结构和装载货物的破坏作用。

缓冲器的工作原理是借助于压缩弹性元件来缓和冲击作用力，同时在弹性元件变形过程中利用摩擦和阻尼吸收冲击能量。

根据缓冲器的结构特征和工作原理，一般缓冲器可分为：

摩擦式缓冲器、橡胶式缓冲器和液压缓冲器等。

摩擦缓冲器由前、后两部分组成，前部为螺旋弹簧（客车用）或环弹簧（货车用），后部为内、外环弹簧，彼此以锥面相配合，两部分之间有弹簧座板分隔。

螺旋弹簧用来缓和冲击作用力，环弹簧两滑动斜面间的摩擦力用来起到吸收能量的作用。

当缓冲器受力压缩时，使各环相互挤压，这时外环弹簧中就储存了大部分的冲击能量；同时各内外环簧的斜面之间因相互摩擦而将一部分冲击能变成热能。

当外力除去后，各环簧之间又产生摩擦，将所储存能量的一部分再一次转变为摩擦热能而消散，因而起到了缓冲和减振的作用。

橡胶缓冲器的头部为楔块摩擦部分，由三个形状完全相同且带倾斜角的楔块，压头和箱体等部分组成，楔块介于压头与箱体之间，整个缓冲器封闭在箱体内。

橡胶缓冲器是借助橡胶分子内摩擦和弹性变形起到缓和冲击和消耗能量作用的。

为了增大缓冲器容量，在头部装有金属摩擦部分，借助三个带有倾角的楔块，在受压时与箱体及压头间各接触斜面产生相对位移，因摩擦而消耗冲击能量。

1.2.2车钩的分类

车钩按开启方式分为上作用式及下作用式两种。

通过车钩钩头上部的提升机构开启的叫上作用式（一般货车大都采用此式）；借助钩头下部推顶杠杆的动作实现开启的叫下作用式（客车采用）。

车钩按其结构类型分为螺旋车钩、密接式自动车钩、自动车钩及旋转车钩等。

螺旋车钩使用最早，但因缺点较多已被淘汰，密接式自动车钩多为高速铁路车辆所用。

中国除在大秦铁路重载单元列车上使用旋转车钩外，现一律采用自动车钩。

所谓自动车钩，就是先将一个车钩的提杆提起后，再用机车拉开车辆或与另一车辆车钩碰撞时，能自动完成摘构或挂钩的动作的车钩。

1.2.3车钩的发展历程

中国铁道部门1956年确定1、2号车钩为标准型车钩。

但随着列车速度的提高和牵引吨位的增加，又于1957、1965年先后设计制造了15号车钩和13号车钩。

客车使用15号车钩，货车则逐步用13号车钩代替2号车钩。

13号车钩作为我国铁路货车用主型车钩，在今后相当长时间内仍然占主导地位。

除了大秦线单元列车之外，我国95%以上的货车装用了13号车钩。

1.3列车纵向动力学研究历史及现状

铁路在世界经济发展过程中所起的作用是不言而喻的。

如今铁路网近乎遍全世界的每一个角落，它仍是功能和效率最高的重载货物运输的主要方式。

采用铁道车辆运输的基本思想是用带轮缘的钢轮在钢轨上运行，以此同时实现支承、导向和牵引。

自从1825年火车开始实验运行直至现在还沿用着这种思想。

然而在这貌似简单的事实背后，却隐含着这种运动在动力学方面的复杂性。

可以这样说，全世界的铁路工业都是十分保守的，这种保守在使铁路成为最安全的运输方式的同时，也制约着铁路的发展速度。

采用现代分析方法研究互相连接的车辆间相互作用力等纵向动力学问题也是从20世纪六、七十年代才开始的。

由于高速度和更大装载能力的要求，带来了诸如磨损、稳定性方面的新问题，迫使全世界的铁路工作者以更加系统和根本的方法来解决这些问题。

在影响列车运行的诸多因素中，列车运行所产生的纵向力是不容忽视的一方面。

这种纵向力会引起缓冲器破损，严重时，曲线上纵向力可将车辆拉离曲线内侧造成列车脱轨。

此外，部件的磨损程度和疲劳破坏也随着纵向力的增大而显增加。

纵向力对列车的运行性能也有明显的影响。

基于对以上问题的考虑，美国专门制定了轨道列车动力学研究项目，研究车钩断裂、列车内部冲动及其的脱轨、曲线通过性能恶化、部件磨损和疲劳破损等问题。

通过对列车纵向系统研究，来较好的制定列车编组和列车操纵指南，以便改善列车运行的稳和可靠性。

此外，前苏联也在列车纵向动力学领域做了许多工作。

他们同样采用提高列车运行速度和增加列车牵引重量两个基本手段提高运量。

前苏联借鉴美国、加拿大、澳大利亚、巴西等国的经验，开行超重列车，单编重量在10000~15000吨，使用组合列车可达15000~20000吨。

随着列车载重的增加，车辆连接装置的纵向力随之增大，在调车作业、列车启动、调速等过渡工况时纵向力增大到最大，这是危险工况。

列车动力学就是要研究在上述工况条件下各个系统参数对最大力的影响。

前苏联最开始采用假设同型号编组车辆编组，连接装置不存在间隙，连接装置的挠力特性为线性。

通过以上假设建立起的线性微分方程组可以解析求解，并可以用来研究过渡工况的主要特点。

另外，前苏联也有用杆件线性振动理论研究若干车辆组成的混编列车的某些过渡工况，在这种模型中，将相同型号和载重的列车划分为一组，每组车辆认为是一个均质杆，通过列出各个杆件之间的连接条件，建立微分方程组。

这样列出的方程极为复杂，只有系统杆件较少时才能求解。

同时前苏联的学者提出将列车作为集中连接的变截面杆系的研究方法。

当考虑车辆的连接装置中存在的间隙时，列车为非线性系统，同时再考虑缓冲器挠力特性的非线性，在研究列车过渡工况时