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第七章车端连接装置 车端连接装置的作用车钩的分类车钩按照牵引连挂装置的连接方式分为 自动车钩非自动车钩 自动车钩分为 非刚性车钩刚性车钩 密接式车钩 对车钩缓冲装置的基本要求有足够的强度 承受并传递纵向载荷 有足够耐冲击韧性 连挂后尽量小的间隙 不至于产生附加的纵向加速度 灵活安全地通过曲线 方便的连挂和解钩 三态作用 保持一定的车钩高 具备防止因振动自动脱钩的防跳功能 第一节车钩缓冲装置的组成 安装及车钩的开启方式一 车钩缓冲装置的组成及功能1 车钩缓冲装置的组成和功能组成 车钩 缓冲器 钩尾框 从板座等 作用 实现车辆之间的连挂 传递牵引力 冲击力 2 车钩缓冲装置在车辆上的安装及尺寸要求 牵引状态 车钩钩尾框后从板缓冲器前从板前从板座牵引梁 制动冲击状态 车钩钩尾框前从板缓冲器后从板后从板座牵引梁 三 车钩的开启方式和复原装置车钩的开启方式分为上作用式及下作用式两种 上作用式 由设在钩头上部的提升机构开启 大部分货车为上作用式 这种方式开启灵活 轻便 下作用式 客车因避让折棚和平渡板装置 借助钩头下部的推顶杆的动作来开启 不如上作用式方便 第二节车钩的类型 组成 作用及材质主要内容 车钩类型车钩的组成车钩的三态作用密接式车钩车钩材质 一 常用车钩类型 组成及三态作用1 车钩的类型货车 13号车钩 13A型车钩 16号 17号联锁式固定和转动车钩客车 1号车钩 15号车钩 15C型车钩提高车钩强度的途径根据运用要求设计出结构合理 强度更高的新型车钩 保持现有车钩的结构形式 通过改变车钩的材质或改变热处理工艺 2 车钩的组成车钩及其零件大多由铸钢制成 车钩分为钩头 钩身 钩尾 钩头与钩舌通过钩舌销相连接 并能绕钩舌销转动 钩头内部装有钩锁铁 钩舌推铁 钩提销 钩推销 等零件 13A型车钩的结构特点 13A型车钩是为了适应我国铁路运输提速 重载的需要而研制的新型货车车钩 它增加了钩舌 钩体的强度 提高了钩舌的耐磨性 减小了车钩连接轮廓面的间隙 可有效降低列车的纵向冲动 改善列车的纵向动力学性能 延长车辆及其零部件的使用寿命 13A型车钩还在钩体的下方焊装了磨耗板减少钩体的磨耗 延长了钩体的使用寿命 13A型车钩可与现有的13号车钩互换 并且能够与13号 16号 17号车钩连挂 16 17号车钩缓冲装置组成16 17号车钩是为了满足上翻车机卸货的专用列车要求而研制的一端可旋转的车钩 不用摘钩就可在翻车机上连续卸货 提高了运输效率 16号车钩缓冲装置主要由下列种零部件组成 16号车钩组成 16号钩尾框 转动套 16号从板 16号钩尾销 钩尾销托组成 MT 2型缓冲器 17号车钩缓冲装置主要由下列5种零部件组成 17号车钩组成 17号钩尾框 17号从板 17号钩尾销 MT 2型缓冲器 16 17号车钩翻转原理 16 17号车钩在大秦线上运用适用于翻车机卸货作业的不摘钩重载列车 目前安装的C63A C76等型运煤专用敞车上 16号车钩为联锁式旋转车钩 17号车钩为联锁式固定车钩 分别安装在车辆的1位 2位端 在运煤单元列车上 每组连接的2个车钩必须是旋转式和固定式互相搭配 当车辆进人翻车机位置时 翻车机带动车辆以车钩中心线为旋转轴翻转135 180 底架连同16号钩尾框以车钩中心线为转轴 相对于16号钩体旋转 16号钩体则由于受相邻车辆与其连挂的17号约束而静止不动 被翻转车辆另一端的17号车钩随同底架沿车钩中心线旋转并带动相邻车辆与其连挂的16号车钩一起旋转 实现了不摘解车钩就可在翻车机上卸货的目的 提高了运输效率 车钩的三态作用闭锁位置 车辆连挂后 两个车钩必须处于闭锁位置 保证车辆正常连挂 开锁位置 两连挂的车辆要分开时 必须有一个车钩处于开锁位置 全开位置 两车辆连挂之前 必须有一个车钩处于全开位置 从而达到自动连挂 4 客货车车钩选型速度小于120km h的普通客车采用C级低合金铸钢的15号车钩速度小于160km h的普通客车采用C级低合金铸钢的小间隙的15号车钩速度大于200km h的高速客车 应采用密接式车钩 以最大限度地减小纵向冲动 5 6kt级的重载货物列车 采用C级钢和E级钢的13 A 号车钩可以满足要求更大吨位就要求新型高强度车钩 如16号 17号车钩 二 密接式车钩的类型 组成及作用原理高速列车 城市地铁和轻轨车辆的车钩缓冲装置常采用机械 气路 电路均能自动连接的密接式车钩 降低车辆运行中的纵向冲动提高列车运行的平稳性降低车钩零件的磨耗和噪声 动车组自动车钩功能两节车体连挂时 只需将其中一辆车开到另一辆车上即可完成 不需要手动协助 在存在横向和垂向偏移角度的情况下 仍可以完成车钩的自动连挂 车钩可使列车通过垂向和横向曲线并允许车辆做旋转运动 除了完成机械连挂 还完成电路和空气管路的连接 车钩钩身带有一个气压控制的缩回装置可以使车钩在解钩状态下缩回350mm 可以通过司机室远距离控制完成车钩解钩或者通过轨道侧的手动方式完成 车辆解编后 车钩重新恢复到待连挂状态 车钩头连接面带有加热器 可以防止低温期连挂操作过程中因为冰雪的存在而产生故障 自动车钩 2 机械钩头结构a凸锥b凹锥c车钩连接面1钩连杆2钩舌定位秆 棘爪 3连杆销4钩舌 钩爪盘 5中心轴销6拉伸弹簧7弹性支座8解锁导杆9钩头壳体 机械钩头和钩锁铁确保两节车厢的机械连挂 其表面带有一个凸锥 a 和一个凹锥 b 可以允许车钩在一个比较大的横向和垂向范围内自动对中 工作模式 机械钩头的连接面 c 带有一个宽平边可以吸收缓冲载荷 牵引载荷通过钩锁铁 钩舌4 连杆1 中心轴销5 拉伸弹簧6 弹性支座7 带有解锁导杆8的钩舌定位秆2 进行传递 通过机械钩头和车钩钩身传递拉伸和压缩载荷 并经过车钩钩身端部的中空橡胶环缓冲限定载荷 任何超出缓冲装置的吸收能力的载荷均被传递到车体底架上 3 车钩三态作用原理待挂状态 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 钩锁弹簧处于最大拉伸状态 钩锁连杆退缩至钩头锥体内 连接状态 相邻两钩的凸锥体伸入对方的凹锥孔并推动定位杆顶块 定位杆顶块摆动迫使钩舌定位杆离开待挂位置 这时钩锁弹簧的回复力使钩舌作逆时针转动 并带动钩锁连杆伸进相邻车钩钩舌的钩嘴 完成两钩的连接闭锁 这时两钩的钩锁连杆和钩舌形成平行四边形连杆机构 当车钩受牵拉时 拉力由两钩的钩锁连杆均匀分担 使钩舌始终处于锁紧状态 当车钩受冲击时 压力通过两车钩壳体凸缘传递 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 三 车钩的强度及材质1 对车钩强度要求的因素列车总重 牵引方式 运行速度 线路状态 车辆的纵向刚度 制动机和缓冲器特性 调车速度 2 常用车钩材质 B级钢 ZG230一450 屈服极限230MPa 强度极限450MPa C级钢 ZG25MnCrNiMo 屈服极限413MPa 强度极限620MPa E级钢 GG一Eli 屈服极限MPa 强度极限827MPa 3 设计车钩缓冲器原则综合考虑车钩缓冲器装置的组成 最合理的强度设计 钩舌钩体钩尾框缓冲器车底架逐级加强 强度储备逐渐增大的原则 运用中如有意外 首先破坏钩舌 保护缓冲器和车底架 第三节缓冲器的类型 结构及性能主要内容 缓冲器的作用及工作原理缓冲器的主要性能参数我国常用缓冲器车辆冲击时车钩力与缓冲器性能的关系 一 缓冲器的作用和工作原理1 缓冲器的作用用来缓和列车在运行中由于机车牵引力的变化或在启动 制动及调车作业时车辆相互碰撞而引起的纵向冲击和振动 耗散车辆之间冲击和振动的功能 从而减轻对车体结构和装载货物的破坏作用 以提高列车运行的平稳性 2 工作原理借助压缩弹性元件来缓和冲击力 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 3 缓冲器主要种类 弹簧式缓冲器摩擦式缓冲器橡胶式缓冲器摩擦橡胶式缓冲器粘弹性橡胶泥缓冲器液压缓冲器空气缓冲器 4 铁路车辆对缓冲器的基本要求应当具备足够的容量 应能不可逆地吸收一部分冲击能量 冲击后的反力要小 吸收率不应小于75 缓冲器在行程开始时的阻力不能太大 以保证列车起动时有较好的缓冲性能 缓冲器性能应稳定可靠 在重复的冲击力作用下 容量和特性不应有明显变化 应有足够的强度和耐久性 耐磨性 新造缓冲器特性应保持15年 不允许有卡住现象 在压缩之后应立即恢复原来形状 构造简单 成本低 制造检修方便 我国铁道车辆强度设计规范下TB1335 96规定货车结构允许的最大纵向力2 25MN 要求 货车缓冲器的最大阻抗力2000kN 容量45kJ客车缓冲器的最大阻抗力2000kN 容量20kJ我国货车缓冲器应该是低阻抗 大容量 应采取增大缓冲器的行程 限制最大作用力 二 缓冲器的主要性能参数及容量确定1 缓冲器的主要性能参数行程最大作用力容量初压力能量吸收率 行程 缓冲器受力后产生的最大变形量称为行程 此时弹性元件处于全压缩状态 如再加大外力 变形量也不再增加 最大作用力 缓冲器产生最大变形量时所对应的作用外力 缓冲器的最大作用力要比车体容许的载荷要小 否则当发生超限载荷时 车体将发生永久变形而损坏 动车组缓冲器的最大作用力通常为600KN 800KN 容量 缓冲器在全压缩或全拉伸过程中 作用力在其行程上所作的功的总和 它是衡量缓冲器能量大小的主要指标 如果容量太小 则当冲击力较大时就会使缓冲器全压缩或全拉伸而导致车辆刚性冲击 缓冲器的容量确定原则 缓冲器的行程不能超过车辆的钩肩间隙 最大作用力应小于货车结构允许的最大纵向力 我国 铁道车辆强度设计及试验定钡范 规定货车结构允许的最大纵向力为2 25MN 缓冲器的容量设计 必须满足一定的车辆总重和调车允许的安全连挂速度要求 缓冲器容量主要取决于调车冲击工况 下面按动量守恒和能量守恒原理计算 1 两车以不同的速度运动 冲击后两车以同一速度运行 满足动量守恒定律 2 在两车组成的系统中 冲击前后动能的损失应等于冲击力压缩缓冲器做的功A1 冲击力压缩车体做的功A2 以及冲击力使货物移动所做的功A3 3 略去车体的变形 略去货物的移动 4 考虑两个缓冲器型号一致 可得每个缓冲器容量的计算公式 结论 车辆质量愈大 冲击速度愈高 则要求缓冲器的容量也愈大 能量吸收率 缓冲器在全压缩过程中 有一部分能量被阻尼所消耗 其所消耗部分的能量与缓冲器容量之比称之为能量吸收率 吸收率越大 表明缓冲器吸收冲击能量的能力愈大 反冲作用就愈小 如果吸收率较小 则缓冲器必须往复工作几次方能将冲击能量消耗尽 这将加剧列车纵向冲动并导致车钩 车底架过早产生疲劳损伤 一般要求能量吸收率不低于70 初压力 为缓冲器的静预压力 初压力的大小将影响列车起动加速度 缓冲器在满足容量要求的前提下 应尽量减小初压力 三 我国常用缓冲器1 1号缓冲器靠金属弹簧内外环锥面摩擦力来消耗能量灵敏度性好 适合客车容量小维修工作量大 使用寿命短 已停用 2 2号缓冲器外形与1号缓冲器相同盒内前部的螺旋弹簧用环簧代替性能稳定 磨耗少内外环簧容易产生永久变形 加剧列车的纵向冲击 3 MX 1和Mx 2型缓冲器借助橡胶分子内摩擦和弹性变形起到缓和冲击 消耗能量作用容量大 可达35KJ以上性能良好 能量吸收率高达90 结构简单 成本低 检修容易橡胶性能不稳定 易老化 箱体易破裂 橡胶以压缩或拉伸方式施力时 其变形量不大 而以剪切方式施力时 则变形量较纯压缩或拉伸时大得多 这样就有了剪切型橡胶缓冲器 4 G1型和G2型缓冲器提高1 2号缓冲器的容量环簧采用新材质 受力更合理1号缓冲器及G1型缓冲器的性能 5 MT 2型和MT 3型缓冲器弹簧摩擦式缓冲器 结构和外形尺寸相同MT 2容量54一65kJ 用于大秦专用敞车C63A MT 3容量45kJ 用于一般通用货车较低冲击速度时 缓冲器刚度较小 较高冲击速度时刚度增加较快容量大 性能稳定 是目前较为理想的缓冲器 6 气 液缓冲装置 气 液缓冲器在液压缓冲器的基础上更进一步完善了其性能 与弹簧或橡胶缓冲器相比 它的阻抗力不与位移成函数关系 而是与冲击速度成函数关系 能量吸收率较上述两种缓冲器有较大提高 结构气 液缓冲器主要由柱塞 缸体 浮动活塞 单向锥阀 节流阻尼环 节流阻尼棒等部分组成 气 液缓冲器内部形成两个油腔和一个气腔 浮动活塞将柱塞内腔分隔出油腔和气腔两个腔室 柱塞底座与缸体之间的间隔为另一油室 油腔内充有液压油 气腔充有氮气 1 柱塞 2 气腔 3 缸体 4 浮动活塞 5 油腔2 6 单向锥阀 7 锥阀节流孔 8 节流阻尼环 9 油腔1 10 节流阻尼棒 在油腔1和油腔2中注满了液压油 在气腔中充有一定初始压强的氮气 液压油与氮气之间通过浮动活塞隔离 当相邻车辆间发生碰撞时 柱塞即被推入油腔1中 油腔l中的液压油通过节流阻尼环与节流阻尼棒形成的环缝及单向锥阀与柱塞端部形成的锥阀节流孔 流到油腔2中 使得油腔2的油量增大 从而使浮动活塞向左移动 气腔中的氮气被压缩 在冲击过程中 绝大部分动能转变为热能 并由缸体逸散到大气中 只有少量能量转化为油液的液压能 因而气 液缓冲器的能量吸收率比较大 当车辆间的冲击减缓或消失时 被压缩的氮气通过活塞给油腔2的液压油施以压力 并使液压油通过柱塞端部的单向阀流回到油腔1中 柱塞又回到原位 其中 单向锥阀可相对柱塞端部轴向移动 但只在缓冲器被压缩加载时才打开 当缓冲器卸载时 单向锥阀在油腔2的液压油作用下压紧在柱塞端部的阀座上 锥阀节流孔 件号7 被封闭 因此油腔2的液压油只能通过柱塞端部的单向阀流回到油腔1 完成缓冲器的卸载 性能特点气 液缓冲器的动态特性与传统的弹簧和橡胶缓冲器存在很大差异 这是由其特殊结构所决定 气 液缓冲器的阻抗力与冲击速度成一定比例关系 即冲击速度越大 阻抗力也越大 其对应关系见下图 上图是气 液缓冲器与弹簧缓冲器和橡胶缓冲器的特性曲线比较示意图 由图可见 如果3种缓冲器的容量相等 即缓冲器加载曲线下面积相等 则气 液缓冲器的最大阻抗力最小 缓冲加载曲线与卸载曲线所包围的面积为该缓冲器在整个冲击过程中吸收的能量 可见气 液缓冲器几乎把冲击能量全部吸收 因此其具有较大的能量吸收率 这正是气 液缓冲器的优势所在 弹簧缓冲器和橡胶缓冲器由于受结构限制 欲提高缓冲器的容量 就必须相应地增大缓冲器的最大阻抗力 而气 液缓冲器则克服了上述缺点 可以以较小的阻抗力获得较大的缓冲容量 7 液压缓冲装置 采用液体来吸收冲击能量的液压式缓冲器 主要用于客车或装运易碎货物的专用货车 液压缓冲器的结构如下图所示 8 弹性胶泥式缓冲装置 弹性胶泥缓冲器是近年来欧洲新开发的一种新型缓冲器 在法国 德国 波兰的高速列车 客车和货车上应用获得成功 现已被纳入UIC标准 UIC526 1 UIC526 3 这种缓冲器取用一种未经硫化的有机硅化合物 称弹性胶泥作为介质 它具有弹性 可压缩性和可流动性 其物理化学性能在 50 250 范围内具有较高的稳定性 抗老化 无臭 无毒 对环境无污染 它还具有固体和液体两种属性的特征 其动粘度比普通液压油大几十至几百倍 且可根据需要改变配方予以调节 在液压缓冲器中十分困难的密封问题在这里变得极为简单 弹性胶泥缓冲器的基本工作原理是 将弹性胶泥材料装进一个能够承受一定压力的缓冲器活塞缸体内 根据实际应用的需要增加一定的预压缩力 当弹性胶泥缓冲器活塞柱受到一定的压力 静压力或冲击力 时 活塞利用活塞缸内节流孔或节流间隙以及弹性胶泥材料本身体积被压缩后的反作用力产生一定的阻抗力 当弹性胶泥材料受到的预压缩力越大 活塞的运动速度越快 则产生的阻抗力也越大 这有利于提高缓冲器在大冲击力作用下的容量 当作用在活塞柱上的外力撤消后 缓冲器体内处于压缩状态的弹性胶泥的体积则会自行产生膨胀 将活塞推回到原始位置 在这个过程中弹性胶泥材料以较慢的速度通过节流孔或节流间隙流回原位 实现缓冲器的回程动作 这种缓冲器的力 位移特性曲线呈凸形 见下图 与同普通缓冲器性能比较 有如下主要优点 容量大 体积小 质量轻 检修周期长 它兼有液压和橡胶缓冲器两者的优点 同时克服了液压缓冲器制造比较复杂 密封困难以及橡胶缓冲器吸收率低等缺点 这种缓冲器由于具有其他传统缓冲器不可比拟的高技术性能 所以迅速得到了推广 9 ST型缓冲器 动车组两端设有全自动车钩 带空气连接和电气连接器 可在司机室操纵两列动车组之间进行自动联挂 车辆间由半永久性车钩联接 自动车钩置于Mc车的A端 用于连接其它的列车组 不用时 它们置于围板的后面 需要与其它列车组连接时 在连接之前 先要打开围板 让车钩伸出 列车组的连挂和解钩都由司机室控制 半永久车钩置于Mc车的B端和所有其它车辆的两端 用于列车组内各车辆间的机械连接以及电力和空气连接 这些车钩只能在车间里通过拆卸进行解钩 过渡车钩只有在动车组需要被救援回送时 用于与我国标准自动车钩的车辆相配接 它置于一个底架隔间内 使用时 需手工安装 4 1CRH1型动车组车钩类型 4 CRH1型动车组车钩缓冲装置 1 自动车钩2 半永久性车钩3 过渡车钩 待挂状态 连接状态 解钩状态 4 2自动车钩 缓冲装置自动车钩上的缓冲装置由中空橡胶弹簧阻尼器和套筒橡胶垫缓冲器组成 4 3半永久车钩 1 功能半永久性车钩的设计目的是为了确保列车车辆在行使过程中始终连挂为一个车组 而只是需要在紧急情况下或者需要在车间进行维修时解钩 车钩采用易分离式连接卡环连接 确保连挂牢固可靠无间隙 车钩可使车辆通过垂向和横向轨道曲线并可使车辆做旋转运动 车钩缓冲装置应确保有效的缓冲冲击功能 当车钩连挂时 空气管路连接自动完成 只能手动完成车钩解钩 车钩钩身设有能量吸收装置 当超出规定的冲击载荷 如 在严重冲击或碰撞情况下 时它可以起到吸收能量的作用 这一装置包括一个预加载伸缩管和一个推杆 推杆压入至伸缩管并将其扩张 将冲击能量转换成形变能量 另外 还安装了一套中空橡胶弹簧 可用于轻型能量吸收 空气管路接头车钩钩身连接卡环支架接地横向减振器 液压缓冲器 空气管路连接 空气管路的连接位于车钩下面 空气管路接口突出车钩面约9mm 在连挂时压到对应车钩的接口上 以保证空气管路连接的密封性 只有在空气管路连接完成后才导入空气 所以设计中不包含阀门 带减振器的车钩钩身 车钩钩身用于连接车钩头和车体底架 它包括两个减震装置 一个形变管和一套中空橡胶弹簧 前端部配有一个钩环 可通过易分离式连接卡环连接半永久性车钩 后端部配有中空橡胶环 上面设有一块安装板 用螺拴将其固定到车体底架上 支架 使用支架可以简化车钩的解钩和连挂 在车辆运行过程中 支架放倒 当半永久性车钩需要解钩时 支架则被折上去用来支撑作用于车钩上的风挡的重量 连接卡环 易分离式连接卡环用于连接车钩钩身和车钩机械钩头以及橡胶缓冲装置 连接卡环包括两个套筒 下部的卡环带有排水孔 使用四个六角螺钉 螺母和垫片紧固两个卡环 接地 接地电缆与车钩连