[科普中国]-列车纵向动力-

列车纵向动力，是当列车或成组机车车辆处于运动状态时产生于车辆和车辆之间以及机车和车辆之间车钩缓冲装置上的力。列车的纵向运动可分为稳态运动和非稳态运动两类。稳态运动有列车的匀速运动和匀加（减）速运动。非稳态运动包括列车起动和制动的过渡过程，以及牵引力的急剧改变的运动过程等。研究列车纵向动力，对于保证列车运行安全，充分发挥机车牵引能力，尤其是对于开行重载列车有重要意义。

简介当列车或成组机车车辆处于运动状态时产生于车辆和车辆之间以及机车和车辆之间车钩缓冲装置上的力。研究列车纵向动力时，可以把列车看作是一个有阻尼的弹性约束机械系统。在列车运行中由于机车牵引力和线路纵断面的变化，或在制动时列车的纵向运动发生各种变化，在车钩缓冲装置中产生拉伸力或压缩力（统称车钩力）。它的大小和方向取决于列车的运动状态，并且同机车或车辆间的相互作用特点有密切关系。

研究列车纵向动力可以掌握列车不同运动状态下车钩力的变化规律，据以确定车体和车钩缓冲装置的强度标准，提出对车钩缓冲装置和制动装置的性能要求，并制定列车牵引和制动操纵规程。这对于保证列车运行安全，充分发挥机车牵引能力，尤其是对于开行重载列车有重要意义。

列车纵向运动分类列车的纵向运动可分为稳态运动和非稳态运动两类。稳态运动有列车的匀速运动和匀加（减）速运动。非稳态运动包括列车起动和制动的过渡过程，以及牵引力的急剧改变的运动过程等。在调车场进行列车编组作业时往往伴随车辆间的剧烈冲撞，这种冲撞通常也属于非稳态运动。非稳态运动具有过渡性和波动性。在非稳态运动时产生的车钩力往往比稳态运动时产生的大若干倍。随着时间的推移，由于阻力的作用，非稳态运动逐渐衰减成为稳态运动。

在列车稳态运动时，作用于列车上的外力不变或变化很小。这些外力有：机车轮周牵引力、制动力、运行阻力、平行于坡道的重力分力和惯性力等。车钩力可根据力的平衡条件确定。在各力平衡的运动状态下，各车辆间的相对位移量很小，列车在纵向可看作是刚体。当列车无制动力作用在平道上运行时，最大车钩力发生在机车和它的邻接车辆之间，其值不大于机车轮周牵引力。列车在坡道上运行，当坡度在列车长度内无变化，机车牵引力也不变化时，最大车钩力仍发生在机车和第一辆车辆之间。当列车制动时，由于列车前部车辆的制动力大于尾部车辆的制动力，在车钩缓冲装置上发生的纵向压缩力可能达到相当大的数值，其最大值发生在前后部过渡处。当列车运行于变坡线路时，最大车钩力发生在变坡点处，其值往往大于机车轮周牵引力。

在非稳态运动中，列车上不仅有上述外力作用，而且车辆和车辆之间存在相对运动和相互冲击，于是缓冲器发生压缩变形。车钩力的大小在很大程度上取决于缓冲器的性能和车辆的重量，并且还同列车的初始状态有关。列车中在车钩缓冲装置之间存在间隙。长大重载列车在起动前往往先使机车退行，以便在车钩之间产生游间，使列车易于起动，但同时也在车辆之间引起一系列冲击。冲击速度和相应的冲击力由邻接机车的车辆开始逐车递增，从而使最大车钩力达到很大的数值。这种最大值在机车牵引的长大列车中往往发生于列车后部。

列车非稳态运动的解析运算非常复杂，须借助于大型电子计算机。各国铁路在进行理论研究的同时，还进行大量的模拟试验和实物试验。实物试验中，利用安装在列车中不同位置的测力车钩和各种传感器，测量列车在不同运行情况下的车钩力及其他参数。有些国家还曾用实物车辆模拟列车冲突等非正常运行情况，研究诸如车辆攀爬、套叠、脱轨、倾覆等现象1。

减轻列车纵向动力作用货物列车在纵向非稳态运动过程中产生的纵向动力作用不仅是导致断钩、脱轨等重大事故的主要原因，也是破坏货物完整性和加速机车车辆装置疲劳破坏的重要因素。该纵向动力作用以空气制动时为甚，并基本上与列车的总制动力或辆数成正比。在同样装置、线路和操纵工况等作用条件下，重载列车的纵向力通常比普通列车成倍增加，因此，如何减轻重载列车的纵向动力作用是需要研究的重要课题。

（1）列车制动过程中的纵向冲动是由车辆间的冲击作用和挤压作用共同形成的，列车中最大车钩力是最大挤压力或最大冲击力2；

（2）列车制动时的纵向冲击力或总压缩力均与制动波速和制动缸充气时间成反比。所以，提高制动波速和延长制动缸充气时间都可以减轻列车制动时的纵向冲动。但是，提高制动波速还可以缩短制动距离，而延长制动缸充气时间却会导致制动距离延长。因此，要大力提高制动波速和科学的延长制动缸充气时间，如采用“先快后慢”的变速充气。这样，可以是两者对制动距离的影响互相抵消而得到减轻冲动的双料效果；

（3）纵向力R与编组辆数n的平方及一辆车的长度l成正比。所以，发展大吨位的车辆比增加编组辆数对减轻列车制动冲击更有效；

（4）纵向力R与制动成正比。由于闸瓦摩擦系数随列车速度的降低而增加，所以在闸瓦压力相同的条件下，低速时的冲击更大。但是，如果列车速度很低，例如制动初速低于30km/h时，也可能在冲击力尚未达到最大值以前就停车了。这时，冲击力也可能反而比制动初速高时更小；

（5）列车在拉伸状态下制动，其纵向冲击力比压缩状态下大得很多。

（6）当小车钩间隙条件下，列车中最大车钩力一般为最大挤压力，一般发生于列车中部。大车钩间隙时，最大车钩力为最大冲击力，发生在列车尾部；

（7）车钩间隙对于列车最大车钩力有很大的影响。车钩间隙增大，列车纵向冲击力和挤压力都增大；车钩间隙对冲击力的影响大于对挤压力的影响，对后部车辆的影响大于对前部车辆的影响2；

（8）闸瓦摩擦系数主要对列车纵向挤压力有较大影响，闸瓦摩擦系数越大，挤压力越大，最大车钩力越大，发生车位越向前移；

（9）如果最大车钩力是冲击力，则可以通过缩小车钩间隙降低列车最大车钩力。

本词条内容贡献者为:

李勇 - 副教授 - 西南大学