重载机车摩擦式车钩稳定性能劣化诱发的车钩横向失稳问题,在实际运营中日益突出,扰乱了重载铁路正常的运输组织,威胁重载列车行车安全。因此,探明制动条件下摩擦式车钩动态行为及失稳机理,提出相应的安全控制技术对策,是当前迫切需要研究的课题。鉴于此,在西南交通大学列车与线路研究所的带领下,采用理论分析和现场试验相结合的研究方法,开展了制动条件下重载机车摩擦式车钩失稳机理及安全控制的研究,本论文作者作为主要人员参与了其中大部分研究工作。论文系统地分析了摩擦式车钩的稳钩机理,重点研究了钩尾摩擦弧面的稳钩机制,给出了车钩的自稳定临界转角计算公式,车钩自稳定临界转角一般不超过2.22~°,研究了重载机车与车钩间的正反馈相互作用机制,分析了车体横向稳定性与车钩稳钩能力间的关联关系,给出了压钩力作用下车体摇头角和车钩摆角的计算公式。试验研究了制动条件下车钩失稳动态行为及特性,试验结果表明,机车和钩缓装置能在350kN压钩力作用下保持横向稳定。车钩失稳后,车体摇头角与车钩摆角始终呈反向的正相关关系,机车车体和构架横向振动加速度明显增大,其振动主频均为1.2Hz,机车构架有横向蛇行运动失稳风险,降低了机车运行品质。考虑摩擦式车钩服役条件、制造及安装误差以及与重载机车相互作用关系,建立了重载机车-摩擦式车钩理论分析模型,包括重载机车子模型、钩缓装置子模型,货车车辆模型视为亚元模型,并利用现场试验数据,验证了模型计算结果的合理性和准确性。理论分析模型能较准确地模拟制动条件下摩擦式车钩的失稳动态行为及与机车相互作用关系,可用于研究车钩、机车关键参数对车钩稳钩能力的影响,为车钩稳定性安全控制研究提供了理论分析模型和技术手段。现场调研发现,车钩装配精度低,且扁销孔和梨形孔有较大几何误差,导致连挂车钩存在初始扭转力矩,削弱了车钩稳钩能力,应提高钩缓装置的制造、装配精度。基于理论分析模型,分析了钩尾弧面摩擦系数对车钩稳钩能力的影响规律,计算结果表明,对于万吨重载列车而言,摩擦式车钩钩尾弧面摩擦系数应不小于0.35;探讨了钩尾弧面半径与前从板弧面半径的匹配关系,仿真结果表明,适当地增加摩擦弧面的半径之差能改善车钩稳钩能力;分析了扁销引起的轮轴横向力瞬时超标问题,提出了车钩钩尾结构的改进方案,理论分析了优化后车钩的稳钩能力和机车行车安全性,并建议优化后车钩最大摆角不大于4~°。在此基础上,开展了大量现场试验研究,试验研究结果表明,增大钩尾弧面摩擦系数能有效抑制车钩失稳,但车钩稳钩性能劣化十分迅速,基于此给出了车钩检修养护建议;优化后车钩能有效控制制动条件下摩擦式车钩的横向摆动,对机车动态性能影响较小。对机车结构进行了现场调研与静态几何参数的测量,测量结果表明,车体底架前、后车钩箱存在普遍的不对中现象,车钩箱综合横向偏差约为8~16mm,这是导致车钩钩尾偏磨的重要原因,应提高机车制造精度,严格控制前、后车钩箱横向偏差。基于理论分析模型和现场试验,研究了车钩箱偏差、牵引点位置、二系横向减振器布置方式、二系横向刚度、二系横向止挡参数对车钩稳钩性能的影响,评估了机车各参数抑制车钩失稳的效果,分析了机车动态性能变化规律。理论分析结果表明,机车车钩箱偏差应控制在4mm以内;牵引点位置和二系横向减振器布置方式对摩擦式车钩受压稳定性能影响较小;机车二系钢簧横向刚度对摩擦式车钩受压稳定性能有一定的影响,增大二系钢簧横向刚度能改善机车车体稳钩能力;机车二系横向止挡参数对摩擦式车钩受压稳定性能有重要影响,减小止挡自由间隙、增大止挡刚度和纵向间距均能提高机车车体稳钩能力,减小制动条件下车体最大摇头角和车钩最大摆角。现场试验结果表明,将机车二系钢簧横向刚度值增加至600kN/m,与原方案试验结果相比,车钩摆角和车体摇头角分别减小23%、11%,但对机车动态性能有较大影响,增大了机车车体振动加速度,恶化机车运行品质;机车止挡自由间隙减小至10mm方案的稳钩效果与止挡刚度增大至7.87MN/m方案的稳钩效果接近,与原方案试验结果相比,车钩摆角和车体摇头角的降幅分别为40%、20%,这两种试验方案对机车动态性能影响较小,主要影响制动条件下机车车体横向平稳性。最后,针对包西铁路万吨重载列车电制动时摩擦式车钩严重失稳问题,分析了包西铁路摩擦式车钩失稳原因,评估了不同改进方案的稳钩效果,提出了切实可行的改进方案,主要技术措施为:二系横向止挡自由间隙减小至10mm,同时止挡刚度值增加至7.87MN/m。利用本论文建立的理论分析模型,评估了采用改进方案的机车在不同线路条件运行时制动、牵引状态下的机车动态性能和行车安全性能,理论分析结果表明,改进方案能有效限制制动条件下车钩和机车车体横向摆动,机车通过R300小半径曲线轨道时机车安全性指标满足要求。在此基础上,开展了2次现场试验,试验研究改进方案的实际稳钩效果,获得了不同工况的车钩力、车钩摆角、车体摇头角及机车车体的振动加速度。试验结果表明,采用改进方案后,最大车钩摆角仅为5.37~°,与原方案线路试验结果相比,减小了43.7%,机车车体未出现明显错位现象,机车运行平稳性等级为优级,机车运行安全性指标值均小于安全限值,满足行车安全要求。由此可见,改进方案能有效提高摩擦式车钩稳钩能力,抑制制动条件下机车车体横向错位现象。