城轨车辆-车端连接装置设计

1城市轨道交通车辆第四章 车端连接装置2【问题导入】车辆连接装置主要包括：车钩缓冲装置和贯通道装置，通过它们使列车中车辆相互连接, 实现相邻车辆之间的纵向力传递和通道的连接。密接式车钩集牵引、缓冲和连挂于一体，通过车辆彼此相向缓慢走行相互碰撞，使钩头的连接器动作，实现两车辆的机械、电气线路和空气管路的自动连接。3第四章 车端连接装置【学习目标】【教学建议】教室、互联网多媒体教室及密接式车钩、缓冲器模型实训室中进行，课后可实地参观。少具有能连接互联网的多媒体教室一个，车钩及缓冲器的仿真模型多套，或能放视频投影的设备及课件、视频介绍一套。堂讲授6课时；模拟操作4课时。5第四章 车端连接装置第一节 车钩缓冲装置概述第二节 密接式车钩第三节 缓冲装置第四节 车钩的钩身和吸能装置第五节 车钩附属装置第六节 贯通道及渡板6第一节 车钩缓冲装置概述一、车钩缓冲装置的概念和作用车端连接装置是指连接两车辆间或连接两车列间的所有机械、空气和电气装置。包括车钩、缓冲器、风挡、车体间减振器和电气连接装置。将车辆连接成列车实现车辆之间机械、电气和气路的连接传递和缓和列车纵向力或冲击力。7第一节 车钩缓冲装置概述二、车钩连挂装置的分类非自动车钩自动车钩：须由人工来完成车辆的连接非刚性车钩:允许两个相连接的车钩钩体在垂直方向上有相对位移刚性车钩:不允许两连挂车钩存在相对位移8非刚性车钩9刚性车钩10刚性车钩的优点:1)减小了两个车钩连接面之间的间隙，降低了列车中的纵向力，提高了列车运行的平稳性。2)由于车钩零件的位移减小了，并且在这些零件上作用的力也减小了，因此改善了自动车钩内部零件的工作条件。3)减小了车钩连接表面的磨耗。4)减小了由于两连挂车钩相互冲击而产生的噪声，这对于城市轨道车辆和客车尤为重要。5)避免在意外撞车事故时，发生一个车辆爬到另一个车辆上的危险。111)简化了两车钩纵向中心线高度偏差较大的车辆相互连挂的条件(例如，不同类型的车辆，车轮及其他部件磨耗程度不同的车辆，以及空车和重车)。2)车钩强度大。3)不需要复杂的钩尾销连接结构和复杂的对心装置。4)车钩钩体的结构和铸造工艺较为简单。非刚性车钩的优点:12常见车钩41513号车钩的连接过程16城市轨道交通的发展为机车车辆的车钩缓冲器系统提出了很高的要求：钩连接的间隙应尽量小钩应方便连挂和解钩，快速实现车辆之间的机械、空气和电气连接钩缓冲器系统应具有较大的缓冲容量，能缓和车辆正常运行和连挂时出现的纵向冲击三、密接式车钩缓冲装置17车钩缓冲器系统应具有吸能保护装置，在列车发生超过允许连挂速度的冲撞（例如列车正面冲突事故）时，有效地保护车辆车体不受损坏，车内的乘客不受伤。密接式车钩能很好地满足上述要求，所以在世界范围内的动车组和城市轨道车辆上得到了广泛的应用。18密接式车钩缓冲装置的特征:(1)车钩能够实现自动连挂和分解，并备有相应手动功能。城市轨道交通列车为保证列车的密封性能普遍采用密封风挡，还设置了包围整个车端截面的外风挡，在这种情况下，采用手动连挂、分解将给操作带来不便。因此，城市轨道交通列车用密接式车钩缓冲装置应该其有自动连挂、分解功能。(2)具有电路、气路自动连接或手动整体连接功能。(3)具有足够的强度和刚度。19(4)缓冲器应该适应城市轨道交通列车动力学的需要。高速动车组用缓冲器应该在满足容量要求的前提下尽量减小初压力，具有良好的阻抗力、位移特性以提高列车纵向动力学性能。(5)满足列车减重的需要。车钩缓冲装置应在满足性能要求的前提下，尽量减小体积和质量。(6)能满足不同车钩之间连挂需要。考虑回送和厂、段内调车作业需要，应该设置相应过渡方式解决两种车钩之间连挂的问题。20第二节 密接式车钩密接式车钩的构造和传统的关节式车钩完全不同密接式车钩属于刚性车钩，它要求两钩连接后，期间没有上下和左右的移动，而且纵向间隙也限制在很小的范围内，目前，国内外常见的有以下几种结构形式: 21 第一种为日本新干线高速列车上所采用的柴田式密接式车钩，我国北京地铁车辆的车钩即属此列。 第二种为芬伯格)型密接式车钩，常见于欧洲国家所制造的地铁、轻轨及高速车辆上，德国制造的上海地铁车辆亦装用这种车钩。 第三种为德国的田式车钩)23柴田式车钩平面图:1钩头 2风管连接器 3橡胶金属片式缓冲器4冲击座 5十字头 6托梁 7磨耗板 8电气连接器24北京地铁密接式车钩(柴田式车钩)北京地铁车辆的密接式车钩缓冲装置，由密接式车钩、橡胶缓冲器、风管连结器、电气连结器和风动解钩系统等几部分组成。车辆连挂时，依靠两车钩相邻钩头上的凸锥和凹锥孔相互插入，起到紧密连接作用，同时自动将两车之间的电路、空气管路接通，并起到缓和连挂中车辆间的冲击作用。在两车分解时，亦可自动解钩，并自动切断车辆间的电路和空气通路。25即将连接的柴田式车钩26柴田式车钩内部结构与作用原理钩舌钩头1钩头 2钩舌 3解钩杆 4弹簧 5解钩风缸27柴田式车钩的连挂 两钩连挂时，凸锥插进对方相应的凹锥孔中。这时凸锥的内侧面在前进中压迫对方的钩舌转动，使解钩风缸的弹簧受压，钩舌沿逆时针方向旋转40。当两钩连接面相接触后，凸锥内侧面不再压迫对方的钩舌，此时，由于弹簧的作用，使钩舌顺时针向旋转恢复到原来的状态，即处于闭锁位置。28柴田式车钩的分解 要使两钩分解，需由司机操纵解钩阀，压缩空气由总风管进入前车(或后车)的解钩风缸，同时经解钩风管连结器送入相连挂的后车(或前车)解钩风缸，活塞杆向前推并带动解钩杆，使钩舌逆时针向转动至开锁位置，此时两钩即可解开。如果采用手动解钩，只要用人力推动解钩杆，也能使钩舌转动至开锁位置实现两钩的分解。291)待挂状态：为车钩连接前的准备状态，此时钩舌定位杆被固定在待挂位置，解钩风缸活塞杆处于回缩状态，此时半圆形钩舌的连接面与水平面呈40角。2)连挂状态：两钩连挂时，凸锥插进对方车钩相应的凹锥孔中。柴田式车钩的三态303)解钩状态：自动解钩，即要使两钩分解，需由驾驶员操纵解钩阀，压缩空气由总风管进入前车(或后车)的解钩风缸，同时经解钩风管连接器送入相连挂的后车(或前车)解钩风缸，活塞杆向前推并带动解钩杆，使钩舌转动至开锁位置，此时两钩即可解开。柴田式车钩的三态312. 尔芬贝格)密接车钩的原理是德国人发明的，在欧洲铁路和城市轨道交通已经成为标准配置，近年在中国铁路高速动车和城市轨道交通中也得到了广泛应用，有车组，车组，车组，上海地铁，广州地铁，深圳地铁等。夏芬伯格全自动密接式车钩缓冲装置由机械连接、电气连接和气路连接三部分组成。32芬伯格)型密接式车钩 ， 如 图 所示，由钩头、钩身和钩尾三部分组成，各部分之间 采 用 卡 环 连接。33夏芬伯格全自动密接式车钩结构34夏芬伯格结构头 2引导对准爪把 3风管连接器4电气连接器 5钩身 6橡胶弹簧 7支撑弹簧35夏芬伯格结构钩的连挂靠一对可旋转的钩板和连杆完成，车钩纵向力由钩板和连杆承担。2)当车钩在准备连挂状态下时，车辆相对移动，当车钩前端面密贴后，连杆前端的销子即卡入对面车钩的钩板缺口内，形成稳定的，间隙非常小的连接，对于新造的车钩，右。3)解钩时只需拉动解钩绳，或者使用结构风缸转动钩板就可以使连杆的销子脱离对面钩板的缺口，然后车辆后退即可实现解钩，解钩后，在拉伸弹簧的作用下钩板和连杆回复至准备连挂状态。391)待挂状态：这时钩头中的钩锁杆轴线平行于车钩的轴线，钩锁杆的连接销中心与钩舌中心销连接线垂直于车钩的轴线。2)连挂状态：欲使两钩连挂，原来处于连挂准备位的两钩相互接近并碰撞时，在钩头前端的锥形喇叭口引导下彼此精确地对中，两钩向前伸出的钩锁杆由于受到对方钩舌的阻碍，各自推动钩舌绕顺时针方向转动，直至在弹簧拉力作用下钩锁杆滑入对方钩舌的嘴中，并推动钩舌绕逆时针方向返回到原来位置为止。03)解钩状态：司机操纵按钮，控制电磁阀使解钩风缸充气，风缸活塞杆推动钩舌顺时针转动，使两钩的钩锁连接杆脱开对方钩舌的钩嘴，同时使钩锁连接杆克服钩锁弹簧的拉力缩入钩头锥体内，这时定位杆顶块控制钩舌定位杆使钩舌处于解钩状态。两钩分离后，解钩风缸排气，定位杆顶块由于弹簧作用复位，钩舌回至待挂位，车钩又恢复到待挂状态。1以车钩头具有如图所示的连挂范围，当两车连挂时，只要两车钩头中心线在高度方向和水平方向的偏差不超出阴影范围，两车钩就可以正常连挂，这样就保证了车钩高度有偏差以及处于曲线上的车辆的连挂。一步增大了连挂范围，外形和连挂范围如图所示：44在车钩头上设置有空气管路接口和电连接器，车钩就可以实现机械连挂、空气管路连接和电气连接，如果再给解钩机构和电连接器配置动作风缸及相应的机构，就可以实现机械、空气和电气的全自动连接和分离，完全由司机在司机室内完成操作，即所谓的全自动车钩，如图所示。种车钩就称为半自动车钩。全自动车钩一般设置在列车的端部，在两列车连挂运行、救援以及库内调动列车时使用。半自动车钩一般设置在列车中部，用于列车的分段运行。自动车钩和半自动车钩上会设置车钩控制装置，主要由一些行程开关、电空阀以及相应的电路和气路组成。其主要功能有：控制车钩机械连挂与电连接器连挂和分离的先后次序，形成保护回路防止误操作，在操作车钩时切断电连接器里高压触点的电源以防止触点烧损和操作人员触电，为车钩头加热等辅助功能提供电源等。常情况下不解体，所以在列车内部经常采用一种半永久车钩，头部位就是一个轴环，用卡环和螺栓紧密地连接在一起，这种车钩的连接和分离都需要使用工具。接座 2十字头 3缓冲器4牵引杆 5磨耗板 6车钩托梁49上海地铁车辆半永久性牵引杆结构1支撑座 2具有双作用环弹簧的牵引杆 3、6电气连接盒 4风管 5套筒式联轴节 7牵引杆8过渡板 50深圳地铁车辆半永久性牵引杆结构1牵引杆 2牵引杆 3套筒式联轴节 4垂直支撑装置 5橡胶缓冲装置 6西等许多国家的地铁、轻轨车辆和城郊列车上获得广泛应用。这种车钩钩头的壳体设有凸锥体和凹锥孔，在凸锥的内侧面配备有用于车钩机械连接的锁栓，锁栓由高强度钢制成，置于钩头前端的套筒中，利用弹簧使其保持正常位置。在凸锥体的外侧设有解钩杠杆，它与气动的(或液压的)解钩控制装置相连接。其结构如右图所示。钩头也被用来作为空气管路连结器和电气连结箱的支承体。523 这种车钩也有待挂、闭锁和开锁三个位置。 其作用原理如下图所示。54车钩的待挂55车钩的闭锁56车钩的开锁位57 当两钩连挂时，两钩的锁栓侧面相互挤压，压缩各自的定位弹簧，直至两锁栓的鼻子彼此咬合，弹簧回复原位，达到两钩连挂闭锁。 欲将两连挂的车钩分解，操纵电磁阀，使解钩风缸充气，风缸活塞顶起解钩杠杆，将一个钩的锁栓回拉到与另一个钩的锁栓能够脱开为止，或者也可同时操纵两个钩的解钩风缸，使两钩的锁栓同时动作，彼此脱开。也可用人工扳动解钩杠杆，使两钩分解。58第三节 缓冲装置缓冲器的作用是用来缓和列车在运行中由于机车牵引力的变化或在启动、制动及调车 作业使车辆相互碰撞而引起的纵向冲动和震动。缓冲器有耗散车辆之间冲击和震动的功能，从而减轻对车体结构的作用，提高列车运行的平稳性。 缓冲器的作用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。缓冲器一般布置在钩尾,而钩尾把车钩连接到车体上，一般是一个轴承座，使用螺栓安装在车体底架上。59第三节 缓冲装置的分类根据缓冲器的结构特点和工作原理，一般可将缓冲器分为以下几种类型：弹簧式缓冲器；摩擦式缓冲器；橡胶缓冲器；摩擦橡胶式缓冲器；弹性胶泥缓冲器；液压缓冲器及空气缓冲器等。60一、层叠式橡胶金属片缓冲器1橡胶金属片 2前从板 3牵引杆4缓冲器后盖 5滑套 6缓冲器体 7后从板61层叠式橡胶金属片缓冲器主要技术参数62二、环弹簧缓冲器1弹簧盒 2端盖 3弹簧前从板 4弹簧后从板 5外环弹簧 6内环弹簧 7开口弹簧8半环弹簧 9球形支座 10牵引杆11标记环 12预紧螺母 13橡胶嵌块63环弹簧缓冲器主要技术参数64一种橡胶缓冲器，其原理和结构如图所示:三、环形橡胶缓冲器(冲器)65冲器力学特性66当车钩受到纵向冲击时，橡胶环受剪切变形，利用橡胶的特性吸收冲击能量。一般使用这种缓冲器即可满足5km/h 速度车辆连挂的缓冲要求。这种缓冲器根据容量大小的要求不同，可以设计成包括2道橡胶环的性胶泥缓冲器1牵引杆 2弹性胶泥芯子 3内半筒69弹性胶泥缓冲器的工作原理为，在充满弹性胶泥材料的缓冲器体内，设有带环形间隙（或节流孔）的活塞。当活塞杆受到冲击力时，弹性胶泥材料受压缩产生阻抗力，并通过环形间隙（或节流孔）的节流作用和胶泥材料的压缩变形吸收冲击能量。弹性胶泥是一种未硫化的有机硅化合物,具有弹性、可压缩性和 可流动性；70由于胶泥材料的特性，冲击力越大，缓冲器的容量也随之增大。当活塞杆上的压力撤除后，弹性胶泥体积膨胀或利用加设的复原弹簧使活塞回到原位。这时胶泥材料通过环形间隙流回原位。71这种缓冲器的力一般摩擦式缓冲器相比，在相同的阻抗力和行程条件下，它的容量要大得多。弹性胶泥缓冲器72弹性胶泥缓冲器作用过程弹性胶泥受压缩产生阻抗力通过环形间隙的节流作用和材料的压缩变形吸收冲击能量；容量大、阻抗力小结构简单、性能稳定73弹性胶泥缓冲器主要技术参数74这种缓冲器使用了橡胶垫，夹在车钩和车体安装座之间，如图 价较低，但是缓冲性能和车钩的转动性能没有。五、橡胶垫缓冲器75这种缓冲器实际就是一个橡胶关节，后部通过一个轴承座连接在车体上，车钩钩身可以绕这个关节转动。由于橡胶关节的厚度有限，这种缓冲器的缓冲容量是很小的。六、橡胶关节缓冲器76城市轨道交通对列车的被动安全性都提出了越来越高的要求，即当列车发生冲击事故时，车钩缓冲器系统和车体本身的设计能有效地吸收冲击能量，保护车底架不损坏，车内乘客不受伤，对于不造成车底架损坏的列车冲击速度的要求也越来越高。为适应这样的要求，列车前端的车钩、缓冲器和车体经常按照图所示的配置设计,在发生冲击时依次发挥吸能作用，控制车底架受力的幅度。第四节 车钩的钩身和吸能装置77车钩钩身位于钩头和钩尾之间，钩身经常包含有一个容量较大的吸能装置，在传递列车纵向力的同时，还起到在发生较高速度冲击时吸收冲击能量，保护车体的作用。吸能装置按照动作原理分主要有压溃管、液压缓冲器、气液混合缓冲器、带变形管的橡胶缓冲器和列车吸能结构。78压溃管是一段经过特殊热处理，屈服强度偏差非常小的钢管，安装在车钩钩身里承受压缩力，车钩拉神力由压溃管内的芯轴承受。压溃管的强度略低于车底架的强度，高于车辆正常连挂速度下产生的纵向冲击力。一、压溃管79当车辆发生较高速度的冲击时，压溃管被车钩钩身撑开压入，压溃管发生塑性变形，吸收冲击能量，把列车内的纵向冲击力限制在车底架强度以下，保护车底架不受损坏。压溃管结构简单，成本较低，但是发生塑性变形后就必须更换。其结构和原理如图 所示：80压溃管结构和原理81二、带变形管的橡胶缓冲器1轴套 2法兰 3变形管 4锥形环圈5拉杆 6、7橡胶弹簧 8垫圈 9螺母82带变形管的橡胶缓冲器冲击衰减力面有一个带有小孔的活塞，由于油的粘度很高，车钩在正常工作时，油不会通过小孔，缓冲器可以承受纵向力。当车钩受到较高速度的冲击时，油通过活塞上的小孔进入活塞另一侧的油腔，将冲击能量转化成热能。三、液压缓冲器84液压缓冲器其原理和特性85四、气液混合缓冲器861 气液缓冲器是靠高压氮气和液压油的组合来起缓冲作用的，这种缓冲器在受到较小冲击时也会起到一定的缓冲吸能的作用，所以这种吸能装置在车钩中一般与环弹簧和橡胶关节一起使用。2 环形弹簧的楔面之间存在摩擦，车钩在拉伸方向受到冲击时，环弹簧受压缩，楔面之间发生滑动摩擦，吸收冲击能量。气液混合缓冲器作用原理873 在压缩方向，当车辆正常运行和连挂时，气液缓冲器可以吸收一定的冲击能量。当发生较高速度的冲击时，气液缓冲器发生较大变形，吸收冲击能量，保护车底架不被破坏。4 气液缓冲器在受到冲击发挥吸能作用后可以自动回复至初始状态，经检查确认没有损坏后可以继续使用，反复发挥吸能作用。88五、列车吸能结构89 90首先是车钩钩尾的缓冲器（如挥缓冲作用，冲击增大后，车钩钩身上的吸能装置发挥作用。列车前端的车钩经常设计有剪切装置，当冲击增大到一定程度，剪切装置破坏，使车钩脱离车底架，不再吸能和承受冲击力，这时，两列车前端两侧的防爬器（甚至是司机室前部吸能区）互相接触，进一步变形吸收冲击能量。列车吸能系统作用原理91列车吸能系统设计原则在设计列车时，需要对整列车的车钩缓冲器系统按照列车冲击性能的要求进行核算，例如，要求一列车以15km/h 的速度撞上另一列静止列车时，车钩缓冲器系统应充分发挥作用，保护车底架不损坏。根据这样的要求可以配置适当的吸能装置、剪切装置，在发生冲击时，把列车受到的纵向冲击力始终控制在车底架强度值之下。92第五节 车钩附属装置一、壳2密封圈3滑套4橡胶套5前弹簧6后接头7接头 2阀体 3顶杆 4阀壳 5密封圈6滑套 7橡胶套 8前弹簧 9调整垫片10阀垫 11滑阀 12顶杆弹簧94 阀芯顶杆；2 - 解钩管；3 - 密封圈；4 - 阀芯；5 - 弹簧总风管接口95图中上部接口为总风管接口，下部的为解钩管接口。空气管路接口凸出车钩头前端面，车钩没有连挂时，总风管阀芯被后面的弹簧压紧，封住总风管。两车钩连挂后，车钩头前端面密贴，两车钩总风管接口内的阀芯顶杆互相压紧，克服阀芯后面弹簧的压力，使阀芯离开座面，两车钩上的总风管连通。解钩管只有在进行解钩操作时才有风，所以平时是通大气的。钩上设置有电连接器，可以是手动的或者自动的。有时为了降低车辆的成本，在半永久车钩上不使用电连接器，而是用电缆直接连接两个车体端墙上的电气插座。二、电气连接器971 电气连接器结构1箱体2悬吊装置3车钩4定位孔5定位销6密封条7触头8箱盖98半自动车钩设置在列车的中部，需要连接的电气线路会包括牵引线路、控制线路和各种信号线路，所以触点较多，而且各种触点区别较大，如图所示。2、半自动车钩电气连接器99自动车钩位于列车的端部，它的电连接器只需传递用于列车控制的信号即可，所以触点较少，而且触点的类型和尺寸区别不大，如图 所示。3、自动车钩电气连接器电连接器有一个可以随电连接器前后移动而打开和关闭的盖