HXD2C型機車鉤尾框異常磨耗原因分析及改進措施

齊紅瑞，周子偉，陳再剛

(1.中車大同電力機車有限公司,山西大同 037038; 2.西南交通大學牽引動力國家重點實驗室,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。車鉤的作用是實現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行中由于機車牽引力的變化或在起動、制動及調車作業時,車輛相互碰撞而引起的縱向沖擊和振動的作用?？梢?車鉤緩沖裝置使機車具備連掛、牽引和緩沖的功能,是機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,隨著我國重載運輸的不斷發展,對重載技術的高度重視[2],大量研究人員針對新型緩沖裝置及其動力學進行了研究[3-6],然而,針對緩沖裝置運營過程中出現的問題卻研究甚少。車鉤緩沖裝置在列車運行過程中受力復雜,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[12],且異常磨耗現象頻發[13-15]。鉤尾框異常磨損會縮短鉤尾框的實際使用壽命[16-19],增大機車的檢修維護成本,甚至導致鉤尾框斷裂[20],嚴重影響列車的正常安全運行。

截至2020年11月,統計中車大同電力機車有限公司配屬新鄉機務段的HXD2C型機車鉤尾框磨耗情況,針對能追溯到新造機車就裝車使用的鉤尾框進行調查發現,中車大同公司承修C5修時的335個鉤尾框框身均存在異常磨耗現象,平均磨耗量為1.39 mm/100萬km;C5修后普查返廠的73個鉤尾框框身平均磨耗量為5.92 mm/100萬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?？梢?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域

為查明鉤尾框框身異常磨耗的原因,2021年1月通過與鄭州局和新鄉機務段溝通協調,選擇普查時測量鉤尾框框身磨耗到限的典型固定重聯機車HXD2C0334和0335號機車為測試對象,在鄭州局管內侯月線上開展列車動力學線路跟蹤測試,該線路從上交站到翼城站約80 km區間為長大坡道,坡道多為10‰～13‰,曲線半徑多為400～800 m?；趧恿W測試結果,結合線路條件、列車運行數據(LKJ數據)綜合分析試驗機車鉤緩裝置出現前從板-預壓板上移或下移現象的原因。

1 線路試驗內容及方法

測試內容主要包括車鉤高度,車鉤受力狀態,車鉤橫向、垂向擺角,車鉤垂向位移,以及視頻監控前從板-預壓板與鉤尾框之間的間隙情況。

車鉤高度數據主要通過在試驗列車上線測試之前和測試結束返回檢修庫之后用車鉤重心高度測量尺[20]測量機車在空車狀態下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 車鉤高度測量

車鉤受力狀態通過在鉤身位置裝貼應變片獲得[21]。車鉤的橫向、垂向擺角以及垂向位移可通過在車鉤與車體之間加裝的拉線位移傳感器測得的位移數據通過幾何關系換算得出,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-預壓板與鉤尾框之間的間隙情況通過在車鉤緩沖裝置前從板-預壓板上下兩側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

整個測試列車的測點布置如圖6所示,圖中F表示車鉤受力情況測量點,S1～S10為拉線位移傳感器,C1～C4為攝像頭布置點;本次試驗列車編組方式如圖7所示,在侯月線區間共進行6趟往返測試。表1為6趟試驗記錄,由于本次試驗是在不影響列車正常運營的情況下進行的,所以列車載重在實際運營情況中各趟次各不相同,0335和0334號機車各有為本務的情況。

表1 試驗記錄

圖6 試驗列車測點布置

圖7 試驗列車編組方式

2 試驗結果統計及分析

6趟試驗結束之后,根據列車的線路跟蹤動力學測試結果、線路條件和列車運行數據等對試驗結果進行統計分析。

2.1 結果統計分析

在測試開始前及測試結束后分別對0335和0334號機車Ⅱ端車鉤高度進行測量,測量結果如表2所示。由表2可知,試驗開始前由于安裝車鉤時的人為因素不可避免地造成車鉤存在高度差,即0335號機車Ⅱ端車鉤初始高度低于0334號機車車鉤,且試驗機車0335 Ⅱ端車鉤高度在6趟試驗結束后下降15 mm,而試驗機車0334 Ⅱ端車鉤高度基本不變。

表2 車鉤高度統計

圖8所示為6趟試驗從新南場出發時刻0335和0334號機車Ⅱ端鉤緩裝置鉤尾框與前從板-預壓板之間間隙的視頻監控情況。從圖8中可以看出,0335號機車從第1趟到第4趟Ⅱ端鉤尾框與前從板-預壓板之間間隙越來越小,第5趟出發時刻較第4趟有較大幅度回落,第6趟較第5趟前從板-預壓板上升明顯;0334號機車Ⅱ端鉤尾框與前從板-預壓板之間間隙在前4趟中依次略有下降,第5趟和第6趟稍有上升?？梢?0334號機車與0335號機車Ⅱ端鉤尾框與前從板-預壓板之間間隙變化情況相反。

通過視頻監控對前從板-預壓板在短時間內上移比較明顯的11個典型時段和下移比較明顯的2個典型時段進行統計,如表3所示。11個前從板-預壓板上移典型時段中有9個時段(1～7,9～10)處于高坡路段,最大坡道為13.0‰,且該9個時段試驗機車均處于下坡階段,并且要經過小半徑曲線路段,最小曲線半徑為400 m,在長大下坡道線路上機車需要較大電制動力進行調速,車鉤受到較大壓鉤力;另外,2個時段在非大坡道線路上機車電制動力也較大,車鉤受到較大壓鉤力,其值基本與大坡道路段試驗機車車鉤所受壓鉤力相當。在出現車鉤上移現象時段,0335號機車車鉤具有較大橫向偏轉角,最大達5.87°,且車鉤都處于低頭狀態,最大垂向偏轉角達2.93°。前從板-預壓板下移的2個典型時段列車都處于爬坡過程中,最大坡度為11.2‰,此時需要較大的牽引力,車輛經過小半徑曲線(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 典型時段0335號試驗機車各狀態參數統計

2.2 上移典型時段6

以0335號機車Ⅱ端在典型時段6的視頻監控及車鉤狀態為例進行詳細展示。圖9展示了前從板-預壓板發生明顯上移前-后視頻監控截屏;圖10展示了該時段試驗機車車鉤橫向和垂向擺角、垂向位移;圖11展示了該時段0335號機車經過的線路實際縱斷面、曲線與里程變化?？梢?在該典型時段0335號機車Ⅱ端車鉤一直處于低頭狀態,且持續承受壓鉤力作用,說明列車行駛在該連續長大下坡道上時在持續使用電制動進行列車調速,車鉤由于壓鉤力的持續作用導致車鉤在橫向和垂向上偏向一側。

圖9 鉤尾框與前從板-預壓板間隙情況截屏

圖10 車鉤擺角和垂向位移隨時間變化關系

圖11 公里標K66+419～K30+033區段實際縱斷面、曲線與里程

2.3 車鉤受力分析

車鉤的鉤尾通過鉤尾銷安裝在鉤尾框里面,由于車鉤頭部分較重,在安裝車鉤時可通過在均衡梁處的磨耗板來調節車鉤的高度。我國鐵道車輛有關標準規定[22]:機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2.1節車鉤高度統計可知,由于車輪輪緣磨耗,測試機車0335和0334的初始車鉤高度低于880 mm(±10 mm),且通過分別測量鉤舌中心和均衡梁支撐點對應鉤身中心與軌面距離,測得結果為車鉤初始狀態稍微低頭。如圖12所示,當試驗機車車鉤處于低頭狀態且受到壓鉤力作用時,理論上兩個車鉤受到擠壓時會因鉤舌面共形而對中,即兩連掛車鉤在受到壓鉤力作用時會自動對中。而實際情況卻是由于車鉤在使用過程中會因為沖擊受力而產生磨耗,導致連掛車鉤鉤舌共形面發生變化。如圖13所示,0335號機車車鉤是放置很久的測力車鉤,裝上之前并沒有任何磨耗痕跡,在試驗結束之后發現其鉤舌上部分產生磨耗,而鉤舌其他地方沒有產生磨耗,說明試驗機車在運行過程中,車鉤受壓時主要是鉤舌上部與連掛車鉤接觸受力。因此,0335號機車Ⅱ端車鉤在列車制動過程中將承受斜向下的壓鉤力F,由于均衡梁的支承作用,前從板將受到來自于車鉤壓鉤力垂向上的作用分力而產生上移,與之相反的是,0334號機車車鉤承受斜向上的車鉤壓力。所以,0334號機車鉤緩裝置Ⅱ端鉤尾框與前從板-預壓板之間間隙變化情況與0335號機車鉤緩裝置相反。

圖12 車鉤低頭狀態時受力分析

圖13 0335機車Ⅱ端車鉤鉤舌磨耗

2.4 原因分析

由于試驗重聯機車車鉤初始高度不一致,即0335機車車鉤初始高度偏低,且由于車鉤頭部偏重,導致車鉤在運行過程中處于低頭狀態;列車運行在連續下坡道時,需要通過制動進行調速,車鉤將長時間承受較大壓鉤力作用;由于0335車鉤頭部有下沉趨勢,在運動過程中,車鉤頭部受力會瞬時向下運動,車鉤尾部就會對前從板產生向上的作用力,導致前從板向上運動;前從板與緩沖器預壓板之間靠摩擦接觸,車鉤壓力越大,摩擦力就越大,緩沖器就會跟隨前從板向上運動。鉤尾框和前從板-預壓板的整體上移又將進一步使鉤頭高度降低,加大車鉤垂向傾角。如此循環,上移量經過累加后,造成前從板-預壓板與鉤尾框上部產生接觸,鉤尾框與前從板-預壓板接觸后,車鉤受到拉力,帶動鉤尾框與前從板-預壓板發生縱向相對位移,從而產生磨耗。本文針對的HXD2C型機車鉤尾框異常磨耗的研究方法及原因分析結果同樣適用于分析其他機車鉤尾框異常磨耗問題。

3 改進措施

根據上述分析,為避免鉤尾框異常磨耗影響列車安全運行,可通過以下措施進行緩解。

(1)在前從板與前從板座之間、前從板與鉤尾框上、下壁之間、前從板與緩沖器預壓板之間涂抹潤滑劑,當鉤尾框與前從板-預壓板接觸摩擦時,利用潤滑劑過渡,減輕鉤尾框磨耗,同時,可以使前從板垂向活動更容易,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動距離,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,避免車鉤過渡低頭導致超限,如圖15所示。

圖15 鉤尾框與車鉤箱頂板間隙(單位:mm)

4 結論

針對HXD2C鉤尾框異常磨耗問題,通過調研與線路跟蹤測試,并選取車鉤緩沖裝置前從板-預壓板發生明顯上移的11個典型時段和下移的2個典型時段的測試、運行數據與線路條件進行統計分析,主要結論如下。

(1)試驗列車在長大下坡線路上處于制動工況,且當車鉤處于低頭狀態時,緩沖裝置因持續受到壓鉤力作用導致前從板-預壓板相對鉤尾框上移,并出現持續累加的現象。

(2)試驗列車在大上坡道線路處于牽引工況時,緩沖裝置因持續受到拉鉤力,出現前從板-預壓板下移現象。

(3)通過在鉤尾框與前從板-預壓板之間涂抹潤滑劑,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-預壓板與鉤尾框產生直接接觸,從而緩解鉤尾框異常磨耗。