小议13号车钩发生列车分离事故的原因及预防措施

小议13号车钩发生列车分离事故的原因及 预防措施 铁路是我国主要运输方式,在国民经济中起着非常重要的作用,是国民经济的先导。运行稳定性是现代铁道车辆的一个主要性能指标。长期以来,货物列车车钩分离事故一直干扰着铁路运输的正常秩序,特别是近年来货物列车提速重载战略实施后,这一问题变得尤为突出,已成为影响铁路运输正常秩序的重要因素之一。要从根本上解决货车车钩的分离问题,必须首先找出事故的真正原因,然后对症找出相应的解决措施。高速、重载、安全是铁路货运列车的发展方向,列车车辆的连接是通过车钩缓冲装臵来完成的,该装臵由车钩、缓冲器、钩尾框,从板等零部件组成。在钩尾框内依次装有前从板、缓冲器和后从板,借助钩尾销把车钩和钩尾框连成一个整体,从而便车辆具有连挂、牵引和缓冲三种功能。货车车辆在运用中,发生较为频繁的一类故障是车辆在运用中发生车钩分离,这类车辆故障发生具有突发性、随机性,危害性大。本文着重介绍了我国货车车钩的发展、车钩类型、组成、作用及材质,货车车辆在运用中的故障解车进行了调查分析。对铁路货车安全运行中能遇到各种各样的不利于因素进行深入挖掘,提出具体解决方法,同时分析了如何改进车钩为保证运输生产正常进行,促进铁路跨越式提速发展, 为铁路运输事业提供优质高效的服务,最大限度地提高我国铁路安全运输的整体经济效益。 一、分析货车车钩的类型 1、货车车钩的分类 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。 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C63和C63A型列车的车辆上。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。 二、分析货车车钩的组成及作用 车钩的组成: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臵,也就是车钩三态:锁闭位臵、开锁位臵、全开位臵。 锁闭位臵—车钩的钩舌被钩锁铁挡住不能向外转开的位臵。两个车辆连挂在一起时车钩就处在这种位臵。开锁位臵——即钩锁铁被提起,钩舌只要受到拉力就可以向外转开的位臵。摘钩时,只要其中一个车钩处在开锁位臵,就可以把两辆连挂在一起的车分开。全开位臵——即钩舌已经完全向外转开的位臵。当两车需要连挂时,只要其中一个车钩处在全开位臵,与另一辆车钩碰撞后就可连挂。 三、影响车辆连挂可靠性的因素 以13号上作用式车钩为例,一般车钩组装后,钩腔内壁、钩舌尾部、钩锁铁综合横向间隙为6.5mm一8mm。此间隙过小会影响锁铁自由落锁以及车钩正常的三态作用;横向间隙过大,车辆在运行中由于振动会使锁铁晃动,带动上锁销杆脱离上防跳台,使车钩失去防跳性能而开锁。另外,横向间隙过大,当列车在调速瞬间钩舌对锁铁有一个较大的冲击力,易使锁铁由于受到冲击载荷的影响而产生裂纹或者断裂,从而直接影响车钩连挂的可靠性。 1、车钩的横向间隙是由以下几方面的间隙累积的结果:一是钩舌尾部与钩腔配合面的间隙;二是钩舌锁面与锁铁配合面的间隙;三是锁铁与钩腔配合面的间隙。三者之和就是车钩的横向间隙。导致车钩横向间隙超过规定的原因主要有以下四个方面: ( 1 ) 车钩、钩舌、锁铁存在较大的制造误差。不同的厂家生产的不同配件组装在同一套车钩上,这种误差效应会更加显著。 ( 2 ) 钩腔、钩舌尾部、锁铁之间的配合面磨耗后未施行焊修或恢复原型。 ( 3 ) 钩舌锁面、锁铁磨耗后未加工恢复原型尺寸。 ( 4) 钩腔、钩舌尾部,锁铁都磨耗至最低限度( 但不超限) ,同时被选配在同一车钩内。 2、车钩纵向间隙是指沿车辆长度方向的车钩移动量。车钩的纵向间隙主要包括车钩牵引突缘与钩舌牵引突缘间的间隙,钩舌护销突缘与车钩护销台间的间隙,钩舌圆销与钩耳间的间隙。车辆牵引时,主要依靠牵引突缘来传递纵向牵引力,当车钩处于受压状态时,主要由钩舌冲击突肩与钩体冲击突肩相接触来传递冲击力。车钩的纵向间隙对车辆连挂可靠性的影响程度主要表现为两个方面: ( 1 ) 车钩纵向间隙是否合理将直接影响车钩在牵引连挂时各受力点力的合理分配,如果力的分配不合理,会导致车钩强度较薄弱的配件发生裂损或折断; ( 2 ) 车钩的纵向间隙过大易造成锁铁在牵引连挂时的冲击的振动,带动上锁销杆及上锁销从上防跳台脱出,使车钩失去防跳作用。 3、检修时,只注重防跳间隙而忽略了锁铁坐入量,在车辆运行时发生振动,引起锁铁上下窜动,带动上锁销杆脱离防跳台,致使防跳性能失效,破坏了车辆连挂时闭锁的可靠性。主要原因有以下两点: ( 1 ) 采用堆焊锁铁承台,使锁铁坐人量人为减少,不符合锁铁坐入量不能小于45mm的规定; ( 2 ) 锁铁加修不当使其重心上移,导致锁铁不能正确坐在钩舌推铁坐锁面上,从而使锁铁不能正位,产生向前倾斜的现象。 四、分析货车车钩分离的原因 1、分析货车车钩分离的原因 从2010年11月一2011年8月兰新线共发生3起13号车钩分离事故。为了深入探讨13号车钩分离的原因,以便采取相应措施,特对乌西车辆段管辖区段内近两年发生的车钩自动分离情况进行了统计分析。调查、分析这些故障事故原因都是由于13号车钩分离造成的。乌西车辆段有1起为钩锁铁移动量大;2起为钩锁铁防跳失效;性能不良。 最近,在本人工作检修库钩缓作业区看到了一些换下来的不合格配件。分析了兰新线上13号车钩发生分离的原因,主要是磨耗超限及维修不良等造成的,当然也有很多其他因素,例如设计不合理、铸造缺陷,人为因素等都是造成车钩分离的原因之一,在下面的介绍中为您一一介绍。 (1).列车纵向力作用导致钩锁铁的跳动上移 列车运行中机车引力是由车钩缓冲器装臵进行传递,影响列车纵向力的主要因素是机车牵引工况变化,列车在起动、停车或调速的过程中都会使列车车辆间产生较大的纵向冲击力,尤其是机车紧急制动时产生的纵向冲击力最大,而此纵向冲击力主要集中在车钩和缓冲器之间。当前,部分货物列车司机在进站停车时为了防止列车冒出信号,往往采用两次停车,由此造成列车由高速运行到制动减速停车,紧接着在车辆未完全停稳的情况下又起动列车,车钩及缓冲器经受了 快速拉伸变化过程,承受了较大的纵向冲击力,导致车钩剧烈冲击,致使车钩钩锁铁发生跳动,此时车钩最易发生自动分离。而从2010年发生的车钩自动分离现状的调查,75%的自动分离是在列车进站停车或起动时发生的,由此也证实了车钩在较大的列车纵向冲击下,极易发生钩锁铁跳动上移造成车钩自动分离。 (2).车钩防跳作用失效 为防止钩锁铁在列车纵向冲击力作用下跳动上移,车钩设有防跳装臵。13号上作用车钩在正常情况下通过上锁销防止钩锁铁跳动上移,但防跳装臵失效后,锁铁跳起上移时无约束和限制,即可发生自动分离。造成防跳作用失效的主要原因: <1>当前,钩腔防跳台磨耗无检测手段,检修中只能凭经验用肉眼估测,加之钩腔空间狭小不易加修,难以恢复原有的棱角,运用中钩腔内防跳台不断磨耗,失去防跳作用。 <2> 运行中上锁销防跳止端与钩腔防跳台不断接触磨耗,上锁销防跳止端失去原有的棱角,呈圆弧过渡,失去防跳作用。 <3>上锁销杆未进入或半进人防跳台,上锁销杆与车钩防跳台未处于防跳状态。 <4>由于钩舌、锁铁、上锁销杆、防跳台等部件磨耗,特别是各部件磨耗量均在允许的极限值时,组装后,就会产生8~10m m的累计间隙,加上原设计的装配间隙就会导致防跳 间隙过大,容易造成脱钩。 <5>钩锁铁立面或钩舌的钩锁承台磨耗,锁铁没有完全落位,上锁销虽然落下,但车钩防跳作用没有到位,车钩处于假闭锁。 <6>大部分13号车钩的使用年限较久,都有不同程度的磨耗,导致上锁销上移时该处不能有效阻档,防跳作用失效。 <7>从设计构造上看,由于上锁销定位凸檐的支点作用,使上锁销的下部的沉头铆钉沿着下锁销杆的腰形孔滑下。使上锁销防跳止端卡在钩腔上防跳台下方。同时,随着上锁销向钩腔后壁偏移,上锁销杆防跳台也随着偏移到钩腔后壁上防跳台的下方,从而起到防跳作用。但是车辆在运行中往往同时伴随着垂直振动、横向振动和纵向振动,在增速、减速时往往产生纵向冲击,从而造成上锁销及上锁销杆向前位移,使上锁销与下锁销杆形成的弓形变成直线形,整体脱离防钩腔上防跳台,失去防跳作用。闭锁尺寸超限受牵引力的影响,钩腕、钩舌外涨,钩耳变形,运行中的磨耗及加修调整闭锁尺寸焊修不合理等多种因素,导致车钩闭锁尺寸过大,超出运用限度,从而容易造成列车脱钩,特别是列车在弯道上高速运行时更加危险。 (3).车钩配件磨耗 车钩缓冲装臵由车钩、钩尾框、缓冲器、从板等部件组成,钩尾扁销将车钩及钩尾框连成一体,钩尾框内安装前从板、 缓冲器和后从板,钩舌将车辆之间连挂起来,这些配件的质量直接影响着列车安全运行。随着提速、重载列车的开行, 13号车钩强度不足的问题充分暴露出来,加之机车司机操作不当,以及车钩缓冲装臵本身配合间隙过大,相对增加了车钩的移动行程,造成列车纵向冲击力成倍增大,加速疲劳裂纹的扩展,甚至有时超出l 3号车钩的抗拉强度,造成钩舌、钩尾框、钩尾扁销、钩耳等部件折断,从而直接造成车钩分离。 <1>车钩钩腔内(上防跳台)与上锁销接触部位大部分都存在局部磨耗,有的虽经过加修但没有恢复到原形尺寸。 <2>锁销杆长度磨耗超限,锁铁挂钩磨耗超限。 <3>钩舌与钩锁铁座大部分己磨耗成斜面,部分钩锁铁立面存在磨耗。 (4).ST型缓冲器磨耗过限,运行车辆中车钩低头 运行车辆中车钩低头现象比较突出,尤其是装用ST型缓冲器的较多。ST型缓冲器的性能与车体纵向刚度、列车的总重、车辆的数目、机车的功率、制动机的性能、以及司机的操纵技术等多种因素有关。列车在运行中的启动、加速、制动,编组作业等等,都会对车钩缓冲器产生纵向冲击,长期使用造成部分牵引梁后从板座及sT型缓冲器后部磨耗,导致缓冲器在从板座间产生卡阻,使钩尾框上翘,造成钩头低头。 (5).上作用车钩钩提杆横动量过大 上作用车钩钩提杆是由安装在车体端板上的两个支座加以固定,但在现有车辆检修规章中对钩提杆横动量和支座安装没有具体的规定。当支座损坏后,有的没有及时修复,有的修复时没有按原形恢复,导致钩提杆的横动量过大,造成提杆在列车运行中受到外力作用后产生左 右窜动,提起上锁销打开车钩,最终发生车钩自动分离。 (6).车钩高互差过大 厂、段、辅修车钩高度限度为 870—890 mm,但有时因人的因素,个别新修竣车的车钩高度可能超过900mm,而运用较长时间的货车受钩托梁、磨耗板、钩尾扁销等部件的磨耗常常引起车钩下垂.钩高空车低于运用限度835 mm,重车低于运用限度815mm,加上有时空重车混编。造成车钩互差大于75mm。由于车辆性能差异、线路不平、列车运行速度高等多种因素造成车辆振动大,从而容易造成车钩脱钩。(7).钩提链松余量过小 由于种种原因,造成个别钩提链松余量小于厂、段、辅修车的限度4 5— 55 mm.以及在运行及装、卸过程中,造成车端部外涨,使钩提链松余量变得更小。列车在运行中,车钩受拉力,车钩外移;制动减速,车钩受压缩,车钩内移,尤其紧急制动时,列车后面的车钩内移量更大,这样车钩的内移或外移以及车钩的左右摆动均有可能由于钩提链松余量 过小直接提开车钩。 (8).人为因素导致车钩分离 要打开车钩,只有在停车状态下才能实现,而列车启动前通常要压钩,会使误打开的车钩再次锁闭;即使在列车启动前车钩未锁闭,列车刚开始运行时,车钩也会发生自动分离,这种情况识别较容易。因此,人为因素导致车钩自动分离的概率应该是很低的。 2、缩小13号车钩纵向间隙的必要性 我国的主型车钩为13号车钩,其纵向间隙为19. 5mm,对于5000t以上的重载列车来说,加上缓冲器的变形,可造成5m以上的累计间隙,从而使列车在冲动过程中车辆间隙产生很大的相对加速度。13号车钩的纵向间隙虽为19. 5mm,只占整个车辆的纵向间隙的较小部分,但是,其危害性却是很大的。由于很大的相对加速度,导致列车产生2一3倍的纵向冲击力,这种纵向冲击力是影响重载列车运行安全和车辆零部件损坏的重要原因之一。因此,通过缩小车辆的纵向间隙来降低列车的纵向冲击力是非常必要的。缩小13号车钩的纵向间隙是缩小车辆的纵向间隙的基本要求。 3、车钩的纵向间隙对列车纵向冲击力的影响 前苏联规定,对于一列有纵向间隙的列车,实行头部机车制动,受拉列车(车辆的车钩间隙为最大)的制动纵向冲击 力与受压列车(车辆的车钩间隙为最小)的制动纵向冲击力之比为制动力系数。制动力系数的大小是车辆的纵向间隙对列车纵向冲击力影响的倍数数值。 车辆的纵向间隙越大,受拉列车的制动冲击力越大。当车辆的纵向间隙在40-70mm时,列车的制动系数在1.9-3.0之间,这说明,车辆的纵向间隙造成列车的纵向冲击力以1.9-3.0的倍数增加。前苏联的研究还表明,当车辆的纵向间隙在40-50mm时,货物的最大加速度为1.2-1.6g,而当车辆的纵向间隙在70-80mm时,货物的最大加速度为 2.0-2. 5g。因此,车辆的纵向间隙是造成重载列车的制动纵向冲击力过大的重要原因。 美国和加拿大太平洋铁路公司为了降低重载列车的制动纵向冲击力,研制了第二代单元列车,将列车总重为12245t的单元列车的车辆纵向间隙降低了90%以上,在完全相同的环境和实验条件下,实验结果表明,第二代单元列车的纵向冲击力比同等总重的普通列车的纵向冲击力平均减少了85%,加速度平均减少了96%,由此可见,缩小车辆的纵向间隙是降低列车的纵向冲击力的重要途径。 我国的重载列车还处在起步阶段,发展高速重载列车是我国铁路今后乃至很长一段时期的既定方针;也是我们追求的目标。为此,我国铁科院和西南交通大学对30辆编组的旅客列车动力学计算的结果表明,当列车在不同工况下施行 紧急制动后缓解,车辆的纵向间隙对列车的纵向冲击力影响很大。尤其在列车缓解前后时这两种工况下的值达到极值;列车缓解前列车处于压缩状态(此时车辆的车钩间隙为最大),当列车缓解后列车处于拉伸状态(此时车辆的车钩间隙最小),这两种工况下的差值几乎达到了4. 12m.由计算可以得出,列车的制动动力系数为2.0。 由以上的研究结果可以得到结论,对于重载列车来说,车辆的纵向间隙(列车中车辆的车钩纵向间隙加上缓冲器的变形量)是造成列车的纵向冲击力的重要原因,要想减小列车的纵向冲击力,就必须想方设法去缩小车辆纵向间隙,而缩小车辆纵向间隙的唯一途径就是缩小车钩的纵向间隙,只有缩小了车钩的纵向间隙,才能大幅度地降低列车的纵向冲击力。 4、运行安全对列车纵向冲击力的限制 由于列车的纵向冲击力过大,列车的运行安全受到很大的影响。 美国在研究车钩纵向间隙为9. 5mm的F型车钩时,其重要的目的之一就是要降低车辆间的纵向冲击力,减少车钩的磨损,提高其使用寿命。实践证明其效果是明显的。目前,我国的列车平均吨位为4000t左右,13号车钩在一个厂修期内,使用中尚存在不少问题,如现场普遍反映车钩磨损严重,所有厂修的车钩钩舌销都存在弯曲问题。这说明, 随着列车吨位的提高,列车的纵向冲击力增加,造成车辆零部件的损坏加剧。美国的少量重载列车仍然在使用E型车钩,是因为美国的车体强度较大的原因,美国采用E型车钩的重载列车出现了列车纵向冲击力超过311kN的情况,这么大的列车纵向冲击力对于我国的车辆来说是绝对不能允许的。这不仅影响车辆的使用寿命,而且危及列车的行车安全。 由上可见,列车的纵向冲击力即使在车钩的强度满足要求的情况下,也是不可以无限制地增加的,因此,降低列车的纵向冲击力是非常必要的。而车钩的纵向间隙又是影响列车的纵向冲击力的重要因素。因此,缩小车钩的纵向间隙非常必要。 五、防止车钩分离的措施 1、保证车辆的使用寿命要求缩小车辆的车钩纵向间隙 1985年在环行道试验场对5000t运煤敞车进行了运行试验,试验报告中说明了我国车辆的技术水平在列车的重量在5000t以上时,运行是不安全的。总之,列车的制动纵向冲击力过大,不仅影响行车安全,而且会造成车辆零部件使用寿命缩短,增加维修费用,而车钩的纵向间隙又是影响列车的纵向冲击力的重要因素,因此,缩小我国主型货车车钩一-13号车钩的纵向间隙是完全必要的,也是势在必行的。 2、缩小13号车钩的纵向间隙的可行性 2.1缩小13号车钩的纵向间隙的技术可行分析 我国主型货车车钩13号钩的纵向间隙主要是连接轮廓间隙,间隙的大小为19.5mm。我们只要缩小13号车钩的连接轮廓就可以达到缩小车钩的纵向间隙的目的。鉴于我国的线路存在4%的坡道,车辆冲击座在垂直平面内又是刚性的,车钩的垂直平面内必须能够满足这种现实存在的垂直平面内的转角,这个转角的最小值为2.29°,为了使改进后的车钩的强度不小于现13号车钩的强度,车钩的钩舌高度尺寸不能缩小,因此,将13号车钩的连续轮廓间隙缩小到12mm 为最佳。考虑到我国车辆的现状,改进后的车钩必须能与现13号车钩、2号车钩、16, 17号车钩连挂,以及与现13号车钩的整体和零件的通用性和互换性,以对13号车钩的连接轮廓的钩舌部分尺寸进行改动为最佳。 2.2缩小13号车钩的纵向间隙的经济可行性分析 综上所述,缩小13号车钩的纵向间隙的研究已是我国发展重载列车所不可回避的课题,将13号车钩的纵向间隙由19. 5mm缩小到12mm不仅在技术上可行,而且经济上合理。 13号车钩的钩舌的重量仅为整个车钩重量的19 .6%,因此,更换一个钩舌的费用不会超过一套车钩造价的20%。而且,因为13号车钩的纵向间隙不能适应重载列车的要求所导致的重载列车的纵向冲击力过大这一事实,不仅影响列车的运行安全,影响重载运输在我国的发展,限制我国铁路运能的提高,而且影响车辆的使用寿命,因而,增加了车辆 的维修费用。我国拥有40万辆铁路货车,每年要花费大量的费用来维修因列车的纵向冲击力过大所损坏的车辆的及零部件,因此,在改进车钩方面所花费的费用仅占维修费用的极小部分。 结束语 通过缩小车钩的自由间隙实现铁路运能的提高,降低车辆的维修费用,在经济上是非常有价值的。另外,通过缩小车钩的自由间隙还可以减少对于其他造成列车纵向冲击力的因素的研究和改进费用。所以,通过缩小13号车钩的纵向间隙来降低列车纵向冲击力是经济实用的。 综合国内重载列车的科研成果,结合我国线路机车车辆的具体情况,分析了缩小13号车钩纵向间隙的必要性,并根据计算机模拟和样板实验的结果提出,缩小13号车钩的纵向自由间隙是可行的。