（光学工程专业论文）铁路重载货车车钩运用状况调查及其性能改进研究.pdf

摘要 摘要 随着大秦线重载货车的发展，单车载重、编组数量及运行速度不断提高，尤其是2 万吨编组重载列车的开行，给重载货车用1 6 1 7 型车钩带来了前所未有的压力，车钩故 障逐渐增多。论文运用现代质量工程理论，通过对1 6 1 7 型车钩运用检修情况的调研， 得出1 6 1 7 型车钩钩体尾销孔牵引弧面、钩舌牵引s 面及钩尾框后弯角裂纹是目前重载 货车车钩的主要故障。通过对故障样件的化学成分、力学性能、金相及运用工况变化等 方面的分析，找出了以上故障形成的原因，并结合美国f 型车钩技术，从结构和制造工 艺两方面提出了相应的改进方案；论文通过对改进方案的有限元强度分析、疲劳寿命评 估和试验验证，证明了改进方案的可行性。 目前改进方案及措施均通过了铁道部组织的技术审查，得到了成功的推广应用。 关键词车钩故障分析性能改善重载货车 a b s t r a c t w i t hd e v e l o p m e n to fh e a v yl o a df r e i g h tc a r so nd a t o n g - q i n h u a n g d a or a i l w a yl i n e s ， s i n g l ef r e i g h tc a rp a y l o a d ，n u m b e r so ff r e i g h tc a r si n t r a i nc o n s i s ta n dr u n n i n gs p e e da r e i n c r e a s e d e s p e c i a l l yi no p e r a t i o no fh e a v yh a u lt r a i no f2 0 ，0 0 0g r o s sp a y l o a d s ，16a n d17 t y p e so fc o u p l e r so fh e a v yl o a df r e i g h tc a r s a r eu n d e ru n p r e c e d e n t e dg r e a tp r e s s u r e ，w h i c h c o n s e q u e n t l yr e s u l ti nm o r ef a i l u r e s b a s e do nt h er e s e a r c ho no p e r a t i o na n dm a i n t e n a n c eo f 16a n d17t y p e so fc o u p l e r s ，t h ep a p e rp r e s e n t st h a tc r a c k so nc o u p l e rt a i lp i nh o l ep u l l i n g c u r v es u r f a c e ，k n u c k l ep u l l i n gss u r f a c ea n dy o k er e a rc o m e ra r em a i nf a i l u r e so fc o u p l e r so f h e a v yl o a df r e i g h tc a r s b ya n a l y s i so nc h e m i c a lc o m p o s i t i o n ，m e c h a n i c a lp e r f o r m a n c ea n d m e t a l l u r g i c a ls t r u c t u r eo fs a m p l eo ff a i l e dc o u p l e ra n do nc h a n g eo fo p e r a t i o nc o n d i t i o n s ，t h e r e a s o n sf o rt h ea b o v ec r a c k sa r ef o u n d t h e r e f o r er e s p e c t i v ei m p r o v e m e n tp r o p o s a li n s t r u c t u r ea n dm a n u f a c t u r i n gp r o c e s si s p u tf o r w a r d ，c o m b i n e dw i t ha m e r i c a nfc o u p l e r t e c h n o l o g y t h ep a p e rd e m o n s t r a t e sa n dp r o v e st h a tt h ei m p r o v e m e n tp r o p o s a li s f e a s i b l e b a s e do nf e a ，f a t i g u el i f ee s t i m a t i o na n dt e s tp r o o fo nt h ep r o p o s a l a tp r e s e n t ，b o t ht h ei m p r o v e m e n tp r o p o s a la n dm e a s u r e sh a v eb e e nr e v i e w e da n d a p p r o v e db ym o r a n d s u c c e s s f u l l ya p p l i e da n dp o p u l a r i z e di nc h i n e s er a i l w a y s k e yw o r d ：c o u p l e r ，f a i l u r ea n a l y s i s ，p e r f o r m a n c ei m p r o v e m e n t ，h e a v yl o a df r e i g h te a r 大连交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解太整褒通太堂有关保护知识产权及保 留、使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的 知识产权单位属太整交通太堂，本人保证毕业离校后，发表或使用 论文工作成果时署名单位仍然为。太整銮通太堂。学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件及其电子文档，允许论文被查 阅和借阅。 本人授权太董銮通太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名：多象l 日期：2 0 0 8 年 12 月2 1 日 导师签名 日期：) 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：齐齐哈尔轨道交通装备有限责任公司技术中心电话：0 4 5 2 2 9 3 9 3 6 5 通讯地址：齐齐哈尔市中华东路1o 号邮编：16 1 0 0 2 电子信箱：m q r n w y y 1 2 6 t o m 大连交通大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢及参考 文献的地方外，论文中不包含他人或集体已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得太董交通太堂或其他教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示谢意。 本人完全意识到本声明的法律效力，申请学位论文与资料若有不 实之处，由本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名：荔众影 日期： 2 0 0 8年1 2 月2 1 日 第一章绪论 1 1 铁路货车车钩概况 第一章绪论 1 1 1 国外铁路货车车钩概况 ( 1 ) d 型车钩 美国是世界上铁路重载运输发达的国家之一，其车钩技术已经过1 0 0 多年的不断发 展。1 8 7 0 年美国人q 詹尼于发明了钩舌式自动车钩。由于钩舌式自动车钩比链子钩在安 全可靠性及提高运输组织和列车编组工作效率方面具有明显的优越性，1 8 9 8 年美国国会 通过专项法令，要求凡在美国从事铁路运输的公司，必须在他们的车辆上装用钩舌式自 动车钩。到1 9 1 6 年原美国铁路协会为保证车钩相互间联挂性能和互换性要求，对各种自 动车钩进行了统一标准化，正式制定了d 型车钩为北美铁路联运的标准车钩1 。 ( 2 ) e 型车钩 为满足列车牵引重量日益增长的发展要求，a a r 与车钩制造商机械委员会( m c s c m ) 在d 型车钩的基础上设计制造了结构强度高、性能安全可靠的e 型车钩，于1 9 3 0 年采纳 了e 型车钩设计方案，1 9 3 2 年正式制定为标准车钩。a a re 型系列车钩因锁销机构开启 车钩的作用方式的不同而分为上作用式车钩和下作用式车钩。由于上作用式车钩的锁销 机构只有一次防跳功能，下作用式车钩的锁销机构有两次防跳功能，防跳性能比上作用 式车钩可靠。因此a a r 标准中明确规定：除用户订购时另有规定外，在实际应用中一律 使用下作用式车钩。 由于减小车钩纵向连接间隙可有效地降低列车纵向冲动、改善列车及车辆动力学性 能，提高列车运输安全性和车辆使用寿命，a a r 于1 9 9 0 年开始在e 型车钩上采用小间隙 钩舌( e 5 0 a r e 型车钩) ，将两个连挂的e 型车钩连接轮廓的纵向自由间隙由 1 9 8 m m ( 2 5 3 2 i n ) 减少到1 5 9 m m ( 5 8 i n ) 。 ( 3 ) f 型联锁车钩 a a r 标准f 型联锁车钩是1 9 4 7 年在客车用h 型密接式车钩基础上研制的，1 9 5 4 年上 升为a a r 标准车钩。f 型的主要特点是结构强度高、连挂间隙小，具有防脱、联锁及自动 对中功能，三态作用及防跳性能可靠、曲线通过性好。其主要结构是在钩头下面增设一 个防脱装置和一个辅助联锁支架，钩头两侧分别设有联锁套头和套口，车钩连接轮廓的 纵向自由间隙为9 5 m m ，比e 型车钩减少5 1 ；车钩的尾销孔采用垂直立式的圆销，钩尾 端面设计为球形并两侧增加了自动对中凸肩，车钩锁销机构的防跳作用原理及设计结构 要优于e 型车钩，因此防跳可靠性能明显优于e 型车钩。同时由于f 型车钩的联锁性能 人连交通人学j ：稃硕十。；乏位论文 和小间隙的特性，可极大地改善长大重载列车纵向动力学性能、减小列车内部冲动，有 利于防止长大重载列车脱轨及车辆倾覆、套车事故。尽管用f 型车钩代替e 型车钩已成 为必然趋势，但出于对f 型车钩及其配套零件的造价、以及为适应f 型车钩而对车辆结 构进行改造所需的费用考虑，f 型车钩暂时只在一些特殊运营及重载单元的货车车辆上得 到了强制采用。 随着美国、加拿大铁路重载运输的发展及运输效率的进一步提高，为适应煤炭及粮 食等大宗货物运量的不断增加以及满足不摘解车钩进行翻车机卸货的需要，a a r 又设计采 用了在f 型车钩的基础上研制的可旋转f r 型联锁车钩，同f 型车钩配套一起在重载单元 运输及货车上得到了积极应用，极大地提高了运输效率。目f j ，除一些欧洲国家外，美 国、加拿大、澳大利亚、南非、巴西等世界各国的重载单元列车上普遍采用f 型联锁式 固定车钩和r f 型联锁旋转车钩。 ( 4 ) e f 型车钩 2 0 世纪6 0 年代，随着铁路运营商要求增加货车的长度及载重，设计上简单地采用增 加e 型车钩长度的方法，己不能完全为列车通过曲线提供足够的横向摆动和满足货车设 计要求。车钩设计制造商为了满足用户的发展需要，在e 型车钩基础上又研制开发了e f 型车钩。e f 型车钩的主要结构是头部采用e 型车钩的结构、钩身及钩尾采用f 型车钩 的结构，同时具有f 型及e 型车钩的部分特点；主要特点是结构强度高、曲线通过性能 好、车辆端部结构相对比用f 型车钩简单。1 9 6 6 年e f 型车钩获得了a a r 批准并定为标 准车钩。 从此开始，随着美国铁路运输及货车技术的发展，根据货车车辆的用途、总重、载 重、轴重及长度的不同，货车车钩在e 、e f 、f 型车钩基础上发展成为三大系列几十种 车钩，详见表1 1 。 ( 5 ) 防脱车钩 由于f 型车钩在保证列车运行安全上具有特殊的可靠性，2 0 世纪7 0 年代后期，随着 列车牵引重量的提高、编组数量的增加及专用货车的增多，为满足对铁路运输列车运行 安全性要求的不断提高，a a r 与车钩制造商对标准e 型车钩又进行了改进，在e 型车钩钩 头的底部增设了一个防脱挡架结构( s h e l fr e t e n t i o n ) ，开发了带有下止挡的e 型防脱 车钩，型号标记定为s b e 。经试用证明其防脱作用性能良好，它不仅能防止钩体、钩舌及 钩尾框因断裂故障发生的坠落现象而可能引起的列车脱轨事故的发生，同时可防止车钩 脱离及列车重叠事故的发生。在此基础上又改进设计了带有上下止挡结构的s e 型防脱车 钩，经过两年装车运用考验，a a r 于1 9 7 5 年将s b e 、s e 两种型式防脱车钩正式定为标准 车钩，并要求在新造及改造车上必须采用带有下止挡结构或上下止挡结构的防脱车钩， 2 第一章绪论 所有运输危险品的罐车必须装备带有上下止挡结构的防脱车钩，所有罐车在更换车钩时 也都必须使用带有上下止挡结构的防脱车钩。据介绍，美国、加拿大、澳大利亚、南非 没有发生过因车钩自然开锁造成的列车分离事故，只是发生过因两车钩相互脱离和钩舌、 钩体、钩尾框断裂事故，但采用具有防脱功能的f 型、e f 型及e 型车钩以后再也没有发 生过因两车钩相互脱离造成的列车分离事故幢。 表1 1 从rb 分册标准中的车钩明细表岫1 t a b l e1 1 c o u p l e rl i s to fa a rbf a s c i c u l e 型号材质钩身长( 衄)尾销孔型式性能特点与强度等级备注 e 6 0 d e5 4 6 标准e 型2 9 5 0 k n s b e 6 0 d e5 4 6 带fl 卜档2 9 5 0 k n e 型车钩白1 9 3 2 年 e s e 6 0 d e5 4 6 上下均带i 卜档2 9 5 0 k n 起被定为货车主型 系 e 级钢长扁车钩。 列 e 6 7 c e 6 3 5 普通型2 9 5 0 k n 1 9 7 6 年后带i 卜档车 s e 6 7 c e6 3 5 上“卜均带j 卜档2 9 5 0 k n 钩陆续投入运用 s b e 6 7 c e6 3 5 带下1 ：档2 9 5 0 k n f 7 0 d e 4 3 8 标准f 型联锁钩2 9 5 0 k n s f 7 0 d e4 3 8 f 型联锁、带上止档2 9 5 0 k n f 7 3 b e7 1 l f 型联锁钩2 9 5 0 k n f 7 9 d e7 8 7 f 型联锁钩2 9 5 0 k n f 型车钩自1 9 5 4 年 f s f 7 9 d e7 8 7 f 型联锁、带上止档2 9 5 0 k n 起被定为特种货车 系e 级钢圆孔车钩。 f f 5 0 7 w e7 8 7 联锁固定钩2 9 5 0 k n 列1 9 8 0 年后带止档车 f f 6 0 4 既1 0 4 1 联锁同定钩2 9 5 0 k n 钩陆续投入运用 f f 2 1 2 w e4 3 8 联锁吲定钩2 9 5 0 k n f r 2 0 7 e4 3 5 联锁旋转钩2 9 5 0 k n f r 2 0 9 e4 3 8 联锁旋转钩2 9 5 0 k n e 6 8 c e7 8 7 e 钩头f 钩尾2 9 5 0 k n e 6 9 b e1 2 1 9 e 钩头f 钩尾2 9 5 0 k n e f 2 0 2 w e4 3 8 e 钩头f 钩尾2 9 5 0 k n e f 2 0 3 w e4 3 8 e 钩头f 钩尾带h j t - 档2 9 5 0 k ne f 型车钩自1 9 6 0 e f e f 2 0 3 w e4 3 8 e 钩头f 钩尾2 9 5 0 k n 年后陆续研制成 系e 级钢圆孔功。 e f 3 0 5 w e 5 5 9e 钩头f 钩尾2 9 5 0 k n 列1 9 7 6 年后带止档车 e f 5 0 2 w e 7 8 7 e 钩头f 钩尾2 9 5 0 k n 钩陆续投入运用 e f 8 0 6 w e 1 2 1 9e 钩头f 钩尾2 9 5 0 k n s b e 6 8 c e7 8 7 e 钩头f 钩尾带h j h 档2 9 5 0 k n s e 6 9 b e1 7 5 2 e 钩头f 钩尾带上下- i 卜档2 9 5 0 k n ( 6 ) 俄罗斯及东欧国家 人连交通人学i ：科硕十学f 市论文 前苏联各国及欧洲多数国家铁道货车均采用作用原理与a a rf 型和e 型车钩作用原 理不同的c a 一3 型车钩。c a 一3 型车钩是1 9 3 4 年俄罗斯人发明设计的，经过多次改进定 型为c a 一3 型车钩，也是目前俄罗斯及原苏联各加盟共和国铁路货车的主型车钩。其两 车钩间连接轮廓的自由间隙为1 0 m m ，结构上属于密接式车钩，车钩的尾销孔采用垂直立 式的扁圆销孔，钩尾端部为圆柱面结构。 上世纪8 0 年代初，为了进一步提高铁路运输的安全性，防止车钩相互脱离造成的 列车分离事故，俄罗斯对c a 一3 型车钩进行了改进，在车钩钩头的上、下分别增设了防 脱装置，研制开发了c a 一3 型防脱车钩，并在罐车等运输危险货物及对列车运行安全性 有特殊要求的货车上推广应用。 为了防止列车纵向冲动车钩自然丌锁，在安装使用c a 一3 型各种车钩时严格防止车 钩低头现象的发生。为了防止因车钩低头造成车钩自动开锁的发生，在其国家标准fo ct 3 4 7 5 8 5 中2 4 条明确规定“自动车钩钩尾框与牵引梁内顶面或限位档板之间的距 离不应大于2 4 m m 。 为进一步满足重载列车对车钩强度的要求及改善列车的曲线通过性能，俄罗斯相关 单位根据铁路重载运输的发展需要，将c a 一3 型防脱车钩的尾部结构改进为类似美国f 型车钩的钩尾部结构，既钩尾端面由柱面改为球面、钩尾销孔由扁销孔改为适应圆销连 接的椭圆孔结构；同时将钩体的壁厚平均增加2 m m ，由1 8 ，- - - 2 0 m m 提高到2 0 2 2 m m 。并 将改进后的车钩定型为c a 一3 m 型车钩推广应用。 1 1 2 我国铁路货车车钩概况 目前，我国铁路货车车钩、钩尾框主要是1 3 号、1 3 a 型、1 3 b 型及1 6 1 7 型，其中 约有9 0 以上各种通用货车使用的是1 3 号、1 3 a 型、1 3 b 型车钩、钩尾框；1 6 1 7 型联锁 车钩及钩尾框主要应用在大秦线单元运煤专用敞车，1 7 型车钩、钩尾框还装用在我国7 0 t 级铁路货车上。 ( 1 ) 1 3 号车钩、钩尾框 1 3 号车钩是我国在二十世纪6 0 年代初参照美国e 型车钩及俄罗斯c a - 3 型车钩设计 研制的， 7 0 年代初开始在我国铁路货车上推广使用。1 3 号车钩主要结构特点是钩头结 构及三态作用性能、防跳原理与美国e 型车钩基本相同；钩尾部结构及联接方式而是采 用了类似俄罗斯c a 一3 型车钩垂直竖扁销联接方式及结构，钩尾端面采用美国e 型车钩 的平面结构，没有直接采用美国e 型车钩水平横扁销联接方式及和俄罗斯c a 一3 型车钩 钩尾端部的圆柱面结构。因此，1 3 号钩尾框的结构基本同c a - 3 型车钩用的钩尾框。 4 第一章绪论 1 3 号车钩钩体、钩舌及钩尾框采用牌号为z g 2 5 的普通碳素铸钢制造，其车钩的静拉 破坏载荷为不低于2 2 5 0 k n ，比当时2 号车钩的静拉破坏载荷( 1 5 5 0 k n ) 提高4 5 以上， 1 3 号钩尾框的静拉破坏载荷为不低于2 8 0 0 k n ，基本满足了当时由载重5 0 t 一- - 6 0 t 货车组 成的3 5 0 0 t 列车牵引的需要f 4 1 。1 9 8 3 年铁道部决定停止生产2 号车钩，在修理货车中逐 步淘汰2 号车钩：同时考虑我国铁路运输重载、提速的发展需要，组织国内相关院所及 工厂研制材料及强度等同美国a a rm 2 0 1c 级铸钢的低合金铸钢，用于制造车钩、钩尾框， 以进一步提高1 3 号车钩、钩尾框承载能力。经过十年左右的努力研制成功c 级钢1 3 号 车钩及钩尾框，车钩的静拉破坏载荷提高到2 8 2 0 k n 以上，钩尾框的静拉破坏载荷提高到 3 1 5 0 k n 以上，并于1 9 9 6 年开始在新造货车上推广使用1 5 1 。为了保证铁路运输安全，2 0 0 2 年铁道部决定停止生产1 3 号车钩，并开始在货车修理中逐步淘汰1 3 号车钩1 6 1 。 ( 2 ) 1 3 a 型车钩、钩尾框 1 3 a 型车钩是在1 3 号车钩基础上改进研制开发的，主要目的是缩小了车钩连挂间隙， 降低列车的纵向冲动，改善列车车辆的动力学性能。1 3 a 型车钩与1 3 号比较，主要是对 连接轮廓进行了重要改进，缩小了车钩连挂间隙。1 3 a 型车钩的连挂间隙为1 1 5 m m ，比 普通的1 3 号车钩连挂间隙1 9 5 m e 减小了4 1 ，可有效的降低列车的纵向冲动，改善列车 车辆的动力学性能。1 3 a 型车钩的钩体、钩舌的材质为c 级钢，锁铁为e 级钢，其它钩腔 内零件均采用b 级钢材质制造，车钩静拉破坏强度提高到2 9 5 0 k n 以上。1 3 a 型车钩于2 0 0 1 年通过了铁道部审查，2 0 0 2 年铁道部决定开始在新造货车及厂段修货车上推广使用。 ( 3 ) 1 6 1 7 型车钩、钩尾框 1 6 1 7 型车钩及钩尾框是为加快晋煤外运，在大同至秦皇岛铁路开行万吨重载单元列 车而研制开发的配套产品。1 9 8 8 年铁道部根据我国从美国进口的1 5 0 辆份f 型转动和固 定车钩装车进行的各种应用试验研究结果，决定组织齐车( 集团) 公司等单位对美国进 口的f 型车钩进行国产化研究，组织戚墅堰机车车辆工艺研究所进行从rm 2 0 1e 级铸钢 技术的研究。同年，齐车( 集团) 公司开始了1 6 型、1 7 型车钩及其相关零部件的开发设 计和研制工作，1 9 9 0 年开始批量生产，1 9 9 7 年通过了铁道部组织的科技成果鉴定协1 。目 前，我国大秦铁路运煤专用运输线上的c 6 3 、c 6 3 a 、c 7 6 b 、c 7 6 c 及c 8 0 型各型运煤专用 敞车均装用的是1 6 型联锁式旋转车钩和1 7 型联锁式固定车钩。经多年运用的实践证明， 1 6 1 7 型车钩在作用性能、安全可靠性、疲劳寿命及耐磨性能方面均明显优于1 3 号、1 3 a 型车钩，满足了大秦铁路开行万吨重载单元列车的需要；因1 6 1 7 型车钩具有连挂间隙 小( 9 5 0 r e ) 、联锁防脱及防跳性能可靠、曲线通过好的特点，对改善长大重载列车纵向 动力学性能及列车连挂安全可靠性等方面的效果非常显著，因此我国7 0 t 级货车采用了 1 7 型车钩。 5 1 21 6 1 7 型车钩结构介绍 1 2 11 6 型车钧 ( 1 ) 1 6 型车钩系统组成 1 6 型车钩系统包括1 6 型车钩组成、1 6 型钩尾框、转动套、1 6 型钩尾销、钩尾销托 组成和1 6 型车钩从板等零部件。1 6 型车钩系统组成如图1 1 所示。 图1 11 6 型车钩系统组成 f i g 1 _ 11 6 t y p ec o u p l e r 鼬3 啪b b 转动套安装在钩尾框内，可在钩尾框头部中2 7 0 m m 的内圆筒体内自由转动。转动套 的前端由钩尾框的前唇挡住，将车钩尾部装入转动套中，用钩尾销将车钩与转动套连为 一体，再将钩尾销托装入钩尾框的钩尾销托的安装槽中，使其托住钩尾销，用钩尾销托 上的插销锁住钩尾销托，使其不能在尾销托槽中转动，再将开口销装入插销手柄的孔中 将插销固定。将从板装在钩尾框内，使从板的凹入球面与车钩尾部的凸起球面相密贴。 当车辆不摘钩上翻车机翻转卸货时，由于转动套在钩尾框内可相对钩尾框做3 6 0 。的转 动，所以车钩可以保持不动，仅钩尾框随同车辆一起转动，完成不摘钩卸货作业“。 ( 2 ) 1 6 型车钩组成 1 6 型车钩组成如图1 2 所示，由1 6 型车钩钩体、钩舌、钩舌推铁、钩舌销、下锁 销转轴、锁铁组装和下锁销组装等零部件组成，如图1 3 所示。 1 6 型车钩钩体在钩头的钩腕一侧有联锁套头( 带有上下调准平面) 在钩耳的外侧。 有联锁套口( 带有上下调准平面) ，在钩头的下部有防脱安全托，以上结构使车钩连挂 后具有联锁、自动对中及防脱的功能。为了使车钩在进行翻卸作业时转动灵活，1 6 型车 钩的钩身为圆柱形，钩身下面的磨耗板为嵌入式磨耗板，减小了车钩转动时的阻力。钩 尾与从板接触的部位为半径1 3 35 哪的球面。 就铁 镪铁止动牡 ( c ) 1 6 型车钩锁铁组成( d ) 1 6 型乖钩下锁销组成 图131 6 型印钩零部什 f i g 1 31 6 t y p e c o u p l e r c o m p o n e n t s ( 3 ) 1 6 型钩尾框、转动套、钩尾销及钩尾销托组成 1 6 型钩尾框如图1 4 所示车辆在上翻车机翻卸作业时，转动套与钩尾框的内圆柱 面相对转动，完成车辆的翻卸作业。 图1d 1 6 型钩尾框 f i g 141 6 咖c o u p l e r y o k e 1 6 型车钩转动套、从板、钩尾销及钩尾销托组成如图1 5 所示 ( c ) 1 6 型车钩钩尾销 ( d ) 钩尾销托组成 酗151 6 型车钩转动套、从板、钩尾销及钩尾销托组成 f 唔1 51 6 t y p ec o u p l e rr o t a r yc m n o r f o l l o w e r , c o u p l e rs h a n k p i n a n dc o u p l e r p i n b r k c t 12 21 7 型车铸 p 一夕 ( 1 ) 1 7 型车钩系统组成 1 7 型车钩系统包括1 7 型车钩组成、1 7 型钩尾框、1 7 型钩尾销和1 7 型车钩从板等 零部件。1 7 型车钩系统组成如图1 6 所示。 l t 型车 钏 图161 7 型车钩系统组成 r i g 1 61 7 i y p ec o u p l e t a s s e m b l y ( 2 ) 1 7 型车钩组成 1 7 型车钩组成如图1 7 所示，由1 7 型车钩钩体、钩舌、钩舌推铁、钩舌销、锁铁 组装、下锁销转轴和1 7 型车钩下锁销组装等零部件组成，如图1 8 所示，其中钩舌、 钩舌推铁、钩舌锖和锁铁组装与1 6 型车钩组成完全通用“。 1 7 型车钩钩体的钩头部分与1 6 型车钩相同，因1 7 型车钩是固定车钩，所以钩身的 形状与其他车钩相似，为箱形截面。钩尾与从板接触的部位为半径1 3 3 5 唧的球面，并 在两侧有使车钩与车体自动对中的凸肩。 图1 71 7 型车钩组成 f i g , l71 7 t y p ec o u p l e r 勰s e m b l y 乐 。7 型车铮篙嚣81 7 型车钩零群7 辨钩f 钳蝴装图1 型车钩零部件 f i g i81 7 t y p ec o u p l e rc o m p o n e n t s ( 3 ) 1 7 型钩尾框、1 7 型车钩从板和钩尾销 1 7 型钩尾框、1 7 型车钩从板和钩尾销如图1 9 所示。 ( a ) 1 7 型钩尾框 ( b ) 1 7 型车钩从板( c ) 17 型午钩钩尾销 幽1 91 7 型钩昆框、1 7 型车钩从板和钩尾销 f i g1 91 7 t y p e y o k e , f o l i o w e r a n dc o u p l e r t a i lp i n 第一章绪论 1 。2 31 6 1 7 型车钩主要技术参数 表1 21 6 1 7 型车钩主要技术参数 t a b l ei 2 1 6 17t y p ec o u p l e rm a i np a r a m e t e r 序号名称内容 符合从rs 1 1 7 或 l车钩连接轮廓n 列t b t 2 9 5 0 - 1 9 9 9 联 锁车钩连接轮廓 2 车钩连接轮廓纵向移动间隙 9 5 m m 3 车钩最人横向摆角 1 3 。 向上5 。3 0 4 车钩最人垂直摆角 向下7 。 5 车钩连接线处最人横向位移 1 6 7 r a m 6 水平面内最大相对转角 3 。4 5 7蓬商面最大相对转角2 。0 8 两车钩连接时允许的乍钩中心线高度差 7 5 m m 9 钩体静拉破坏载荷引4 0 0 5 k n 1 0钩舌静拉破坏载荷3 4 3 0 k n 1 1 1 6 1 7 型钩尾框( 含锻造) 最小极限载荷 4 0 0 5 k n 1 3 大秦线重载货车发展 大秦线是我国第一条专用的重载线路，开通以来为我国国民经济的发展做出了重大 的贡献。大秦线作为我国铁路货车重载运输的标志，西起山西大同，东至秦阜岛，全长 6 5 3 公里，是我国第一条双线电气化开行重载单元列车的运煤专线”引。随着我国国民经 济的持续稳定、高速的增长，对煤炭的需求越来越大，大秦线的年运量、车辆周转频次、 列车牵引重量均提高了几倍，列车纵向力也呈非线性增长n 引。 1 。3 。1 年运量的变化 大秦线最初设计运能为1 亿吨，2 0 0 3 年到2 0 0 6 年运量逐年增大，分别完成了1 2 亿吨、1 5 亿吨、2 亿吨和2 5 亿吨，尤其是2 0 0 7 年经采取扩大万吨、2 万吨列车开行 数量等措施后实现了年运量3 亿吨，2 0 0 8 年计划达到年运量3 5 亿吨的目标，成为远超 过世界上先进水平的重载铁路。 1 3 2 车辆周转频次的变化 尽管大秦线不断增加了重载车辆的购置数量，但由于大秦线年运量的增加，车辆的 运转周期已相应的大大缩短，周转频次己基本发挥到极限。据有关资料介绍，c 8 0 型货 车年运行里程已达2 3 万公星，而国外重载货车的年运行里程最多约为1 5 万公罩。 人连交通人学i ：稃硕十学位论文 1 3 3 列车编组的变化 为满足大秦线增加运能的需要，大秦线的车型由c 6 3 型、c 7 6 型发展到c 8 0 型，单 车载重逐渐增大；列车编组由5 0 0 0 t 增加到万吨、2 万吨。据介绍大秦线目前同均开行 重车9 6 列，其中2 万吨列车已达4 0 列。单车载重、列车牵引吨位不断的增加，均使1 6 1 7 型车钩车钩运用工况较以前更为恶劣，过大的牵引冲击载荷出现的频次不断增加。 1 3 4 列车纵向力的变化 列车纵向力是重载列车的关键技术问题，主要反映为车钩力。影响车钩力大小的因 素有列车组成、车钩缓冲装置、线路条件及司机操纵方式等引。 大秦线2 万吨重载列车试验结果表明：采用1 + 2 + 1 动力分散式机车牵引编组2 万吨 重载列车，在调速时车钩力一般不大于1 0 0 0 k n ，在6 5 0 8 0 0 k n 之间，基本与动力集中 牵引编组的万吨重载列车相当或略小些；但采用1 + 1 动力分散式机车牵引编组2 万吨重 载列车时，纵向力则显著增加，各工况下最大达到了2 5 0 0 k n 以上，而国外技术经济性良 好的重载列车一般运行车钩力控制在1 0 0 0 k n 左右【1 引。理论分析及试验表明，随着重载 列车车钩力的增加，车钩的疲劳寿命将随钩舌应力值的不断提高呈1 0 6 级下降，其疲劳 寿命将大幅降低，此时钩舌的裂纹率、更换率大幅上升n8 1 。 尽管c 8 0 型货车采用了l o c o t r o l 、r f c 型牵引杆、1 2 0 - 1 阀等技术来降低列车纵向 力，但由于大秦线地处山区，具有隧道多，坡道大等特点，线路条件相对恶劣引；同时机 车同步控制技术仍处于技术研究及完善阶段，其效果尚不稳定，运用过大的纵向力仍频 繁出现，不能将车钩力稳定的控制在标准要求的范围内。多次1 + 1 编组2 万吨列车试验 表明，大多数情况下车钩力控制在1 5 0 0 k n 以内，最大车钩力可达2 5 0 0 k n ，同时运行过 程中车钩力波动较大。 1 4 论文的主要工作 为了满足大秦线重载运输对车钩质量与可靠性的要求，本文运用现代质量工程理论， 针对1 6 1 7 型车钩运用检修情况进行大样本调查，通过对故障样件的化学成分、力学性 能、金相及运用工况变化等方面的分析，找出故障形成的原因，并结合f 型车钩技术， 提出了相应的改进方案；通过对改进方案的有限元强度分析、疲劳寿命评估和试验验证， 证明改进方案的可行性。 本章小结 本章对国内外货车车钩情况进行介绍，同时介绍了1 6 1 7 型车钩的结构和性能参数， 对大秦线重载运输的发展变化进行了简要总结，提出论文的主要研究内容。 1 2 第一二章1 6 、1 7 犁车钩运用检修情况调查 第二章1 6 17 型车钩运用检修情况调查 随着大秦铁路单车载重、列车牵引重量和周转频次的不断提高，车辆间纵向冲击力 不断加大，出现频次也不断增多，使得大秦铁路c 8 0 型货车装用的1 6 1 7 型车钩受力状 况更加复杂恶劣。据湖东车辆段反应，c 8 0 型敞车开行2 万吨编组列车后，1 6 1 7 型车 钩故障率比以往c 6 3 型敞车装用的1 6 1 7 型车钩有了大幅提高，为此对1 6 1 7 型车钩运 用检修情况进行了现场调研。 2 11 6 1 7 型车钩钩体调研情况 从调研情况看，1 6 1 7 型车钩钩体更换的主要原因是裂纹和钩体尾部厚度磨耗超限。 2 1 1 裂纹 据湖东段1 - - - 5 月份检修车辆的统计( 详见表2 1 ) ，截止5 月2 7 日共计检修2 7 1 1 辆，其中c 6 3 a 型2 1 7 3 辆，c 8 0 型5 3 0 辆，c 7 6 型8 辆。 表2 12 0 0 6 年1 5 月份湖东段检修车辆车型数量构成表 单位：辆 t a b t e 2 1t h ev e h i c l et y p eq u a n t i t yo f o v e r h a u lv e h i c l e st a b l ef r o mj a n u a r yt om a yi n2 0 0 6 u n i t ：n u m b e ro fv e h i c l e s 月检修c 6 3 ac 6 3 a c 8 0 ( h ) c 7 6备注 份 数量段修厂修 l 4 0 8 3 2 3 8 5 23 5 02 7 75 02 3 36 2 74 2 31 0 49 2 8 4 6 9 44 8 4 1 1 29 8 56 3 22 6 94 63 1 7 截至5 月2 7 日 厶 口 2 7 1 11 7 7 63 9 75 3 08 计 湖东车辆段2 0 0 6 年1 - 5 月份检修1 6 1 7 型车钩钩体共5 4 2 2 套，对检修的钩体 裂纹及占本车型车钩数量的比例情况进行了统计，详见表2 2 。 从上表中数据和检修车辆总数可以得出，裂纹钩体共8 4 6 个，占总分解数的 1 5 6 ，主要发生在1 6 型车钩，共7 9 3 个，占裂纹车钩总数的为9 3 4 ；1 7 型车钩 裂纹数较少，且基本为钩耳处的疲劳裂纹心0 。，裂纹车钩在1 9 9 5 1 9 9 8 年生产的较多。 1 3 表2 。2 检修钩体裂纹数量及占本车型数量的比例单位：仆 t a b l e 2 2c o u p l e rc r a c kq u a n t i t ya n da c c o u n t sf o r t h ep r o p o r t i o no ft h i sv e h i c l eq u a n t i t y c 6 3 ac 8 0 ( i - i ) 月钩体尾销孔裂纹钩耳孔裂纹 尾销孔裂纹钩耳孔裂纹 备注 份型号 比例比例比例比例 数量 数量数量 数量 ( )( )( )( ) 1 62 83 45 87 1 1 1 71 2 1 5 10 1 2 1 64 87 36 39 6 2 月份检修c 8 0 2 2 3 辆，无车钩裂 1 72o 3 纹统计纪录 1 69 99 ，49 59 0 1 3 月份检修c 8 0 3 9 2 辆，无车钩裂 1 720 1 91o 0 9 纹统计纪录 1 65 84 8 7 1 1 5 9 6 1 89 210 5c 6 3 a 装用的1 7 4 型钩尾过限的比 1 7l0 0 830 2 5 较多 1 62 74 37 01 1 11 1 21 7 7l0 1 6 截至5 月2 7 日统 5 1 7 6o 9 52 23 52o 3 11o 1 6计 1 6 型车钩钩体裂纹的主要部位是钩尾销孔牵引弧面和钩耳处，其中钩尾销孔处裂纹 随着大秦线万吨及2 万吨重载列车的开行有逐渐增多的趋势，最大长度约为1 0 0 m m 。据 湖东段统计，因尾销孔牵引弧面裂纹而更换的1 6 型钩体共3 9 0 个，占总检修1 6 型钩体 数量的1 4 4 。c 6 3 a 型敞车和c 8 0 型敝车用1 6 型车钩尾销孔裂纹率对比柱状图见图2 1 ， 钩体尾销孔牵引弧面裂纹见图2 2 。 1 4 第二章1 6 、1 7 型下钩逗月j 检修情况调查 赫 图21c 6 3 a 型敞车和c 8 0 型敞车片i1 6 型车钩尾销孔裂纹率对比柱状图 f i g 2 1c o u p l e r t a j lp i n h o l ec r a c kc o n m j s t l a t l oh i s t o i p a mo f c 6 3 a o p e n f r e i g h t c a r 蛐d c 8 0 0 p e n f h i 曲tc a r w i t h1 6 t y p ec o u p l e r 闰22 钩尾销孔牵引弧面裂纹 f i g 22 c o u p l e r t a i lp i nh o l e p u l l i n gs u r f a c ec r a c k 21 2 钩体尾部磨耗超限 为保证大秦线重载运输的安全，湖东车辆段从2 0 0 6 年初开始对钩体尾部厚度磨耗 超过更换限度7 7 m 的钩体进行了更换处理，更换的钩体均为1 7 型车钩钩体，而没有1 6 型车钩钩体。分析原因是由于1 6 型车钩钩体尾部球面和尾销孔牵引弧面进行了表面中 频感应淬火而1 7 型车钩钩体没有进行处理的缘故。 对17 型车钩钩体尾部厚度磨耗情况和1 6 型车钩钩体尾部后都磨耗速度分别进行了 统计，详见表2 3 和表24 。 表2 31 7 型车钩钩体尾部厚度磨耗情况统计表 t a b l e 2 3t h i c k n e s sa b r a s i o no f f7t y p ec o u p l e rs i t u a t i o ns t a t i s t i c a lt a b l e 制造年段1 9 9 4 年以前 1 9 9 5 1 9 9 81 9 9 9 2 0 0 22 0 0 3 ，、一2 0 0 6 占报废比例 7 4 6 6 2 3 0 8 2 2 6 无 由表2 3 可以看出，运用1 2 年以上，没有经过表面中频感应处理的1 7 型车钩钩 体因尾部厚度超限而更换的达7 4 6 6 。 表2 41 6 犁7 f 钩钩体尾部厚度磨耗情况 t a b l e 2 4t h i c k n e s sa b r a s i o no f16t y p ec o u p l e rs i t u a t i o ns t a t i s t i c a lt a b l e 序号车钩型号铸造顺序号制造年月尾部厚度 l1 65 9 6 00 3 98 8 1 21 66 7 6 50 3 1 28 8 1 3 1 65 1 1 50 3 28 5 6 41 65 8 5 30 3 98 7 5 51 66 6 8 3 0 3 1 28 7 8 平均 8 7 4 2 61 6 3 0 4 80 4 。88 8 71 61 1 0 40 4 68 8 4 81 60 3 0 40 4 38 8 。3 91 60 8 1 50 4 58 8 3 1 01 61 0 4 40 4 68 8 1 11 62 0 9 80 4 78 8 1 21 61 1 4 40 4 68 7 5 1 3 1 60 0 6 40 4 1 8 7 4 1 41 6 11 2 8 0 4 6 8 8 6 1 51 6 2 0 3 90 4 7 8 8 6 平均 8 8 11 根据上表测得的数据，可以得出1 6 型车钩尾部球面和钩尾销孔牵引弧面经过提高 表面硬度处理后磨耗速度为0 6 9 r a m 年。鉴于对钩尾表面进行提高硬度处理可以降低磨 耗速度，2 0 0 3 年起对1 7 型车钩尾部球面和钩尾销孔牵引弧面也提高表面硬度。 2 216 型钩舌调研情况 从湖东段的统计情况看，到2 0 0 6 年5 月2 7 日湖东段共检修钩舌5 4 2 2 套，更换钩 舌8 0 5 套，占总检修数量的1 7 7 ，更换原因基本为钩舌s 面探伤疲劳裂纹，其中最大 裂纹约为6 0 m m ，钩舌s 牵引面裂纹详见图2 3 。1 6 型钩舌的磨耗较小| 2 。 1 6 墨：三兰：! ：型王望耋旦兰! 翌翌塑耋 图2 3 钩舌s 牵引面疲劳裂纹 f i g2 3k n u c k l ep a l l i n gs u r f a c esf a t i n z ec r a c k 根据湖东车辆段提供的数据，对钩舌裂纹情况进行了统计，统计见表2 5 。 表25 钩舌裂纹情况 t a b l e 25k l l u c k l ec r a c ks i t u a t i o n t a b l e 序号生产年份钩尾销孔牵引面 1 9 9 6 以前 1 2 0 21 8