中国铁路货车车钩缓冲装置.docx
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中国铁路货车车钩缓冲装置
中国铁路货车车钩缓冲装置
中国铁路货车车钩缓冲装置,铁路货车车钩缓冲技术,各型车钩、缓冲器介绍：
13号、17号车钩,ST型、MT-3型、MT-2型、HM-1型、HM-2型、HN-1型缓冲器。
中国铁路货车车钩缓冲装置
4车辆纵向缓冲与连接技术
4.1概述
车钩缓冲装置系统是铁路机车车辆的重要组成部分。
通过它使铁路货车车辆之间，以及与机车实现连接、编组成列车，并传递和缓和列车车辆间在运行或调车编组作业时所产生的牵引和冲击力。
简言之，车钩缓冲装置系统的三大功能是连挂、牵引和缓冲。
车钩缓冲装置系统主要由车钩、钩尾框、缓冲器及从板、钩尾销等零部件组成。
连挂、牵引功能是由车钩、钩尾框、钩尾销、从板等来实现的，以保证机车与车辆、车辆与车辆之间能够实现连接、牵引。
如图1所示。
图1车钩缓冲装置系统
车钩作为机车车辆的重要零部件，为了满意运输安全牢靠性及提高列车编组效率方面需要，车钩应具有自动连挂功能，既不需要人工辅助就能实现车辆与机车、车辆与车辆之间的安全、牢靠的连挂。
由于自动车钩具有明显的优越性，世界各国铁路机车车辆在车辆连挂技术方面均采用和选取了研究及不断发展自动车钩及其连接技术。
我国铁路货车同样也选择采用了自动车钩及其配套技术和产品。
车钩按结构作用原理分两大类：
一类是以美国AAR标准E、F型车钩为代表的具有三态作用性能的自动车钩，这是除欧洲以外世界各国机车车辆采用的主型车钩，也是世界铁路货车的主流车钩；另一类是以俄罗斯标准CA-3型为代表的具有二态作用性能的自动车钩，主要在符合UIC标准要求的欧洲各国铁路机车车辆上广泛使用。
由于两类车钩的作用原理不同、特殊是连挂轮廓上存在明显不同和差异，因此，两类车钩不能直接连挂和相互互换。
车钩按连挂后的相互关系可分为刚性车钩和非刚性车钩两类。
刚性车钩是指两车钩连挂
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后不能在垂直方向上下相对移动，在水平面内也只能产生微小的相对转动，车钩间纵向连挂间隙较小、两车钩联锁成近视为一杆体，要求车辆采用具有弹性支撑功能的冲击座，以适应两车钩中心线距轨面高度不全都及车辆通过垂直和水平曲线时车辆连挂的要求，如我国提速重载货车使用的16、17型及F、FR型车钩等。
非刚性车钩是指两车钩连挂后相互间能在垂直方向上下移动，在垂直和水平面内能产生小角度的相对转动，以适应两车钩中心线距轨面高度不全都及车辆通过垂直和水平曲线时车辆连挂的要求，如我国13号、13A、13B型车钩，美国的E、E/F型车钩，俄罗斯的CA-3型车钩等。
钩尾框是车钩缓冲装置的主要受力部件之一，在机车车辆上发挥着重要而关键的作用。
其主要作用：
一是为缓冲器供应安装使用空间，以利缓冲器充分发挥作用；二是与车钩连接并供应安装使用空间，传递纵向牵引力并保证在牵引工况下使缓冲器发挥作用。
钩尾框的结构强度大小、疲惫牢靠性凹凸直接影响着铁路运输的安全及运输效率。
不同车辆使用不同作用原理和型式的车钩，不同的车钩必需配套使用专用的钩尾框，目前我国货车常用的钩尾框主要有13号，13A型、13B型、16型和17型钩尾框。
缓冲器是车钩缓冲装置的三大主要部件之一，其主要作用：
一是汲取列车运行及编组调车作业时机车与车辆、车辆与车辆间的纵向冲动能量，缓和车辆间的冲击，降低车钩纵向力，减轻车辆及所运货物的损坏，改善列车纵向动力学性能；二是降低由纵向冲击力引起的车钩横向分力和车辆脱轨系数，从而提高列车运行的稳定性和平稳性，确保铁路运输安全。
目前我国铁路货车常用的缓冲器主要有ST型、MT-3型、MT-2型缓冲器，近几年我国研制开发了几种重载货车用大容量缓冲器，如HM-1型、HM-2型和HN-1型缓冲器。
4.1.1重载提速对车辆连接技术提出的要求
4.1.1.1车钩强度
由于车钩缓冲装置的特别作用，车钩强度的大小及牢靠性直接关系到列车的运行安全及铁路运输效率。
车钩强度要满意三方面要求：
列车运行安全性的要求；列车编组时调车作业的要求；便利运用维护及检修的要求。
列车在运行时车钩主要受到与列车牵引重量及车辆编组数量直接相关的稳态牵引力的作用，列车调速时造成的列车内部随机的、交变的纵向牵引力和压缩力的动载作用，以及车辆点头沉浮振动和横向摇摆振动引起的钩高差及附加弯矩作用，不同车辆因载重及运用时间
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和磨耗状态的不同引起车钩中心线高度差产生的附加弯矩作用。
这些复杂因素的影响对车钩等零件的强度及牢靠性提出较高要求。
在货车车辆进行列车编组调车作业时，车钩等零件和车辆本身要承受较大的冲击力。
冲击力的大小随着车辆的载重、数量及编组连挂速度的提高而增加，车钩的强度要满意车辆编组调车作业的要求。
为了便利维护与检修，在设计车钩缓冲装置时，还要综合考虑组成车钩缓冲装置的钩舌、钩体、钩尾框、从板、钩尾销及缓冲器、车辆上从板座、牵引梁及底架等车辆结构与零部件之间的强度匹配关系，依次逐级提高强度储备，保证钩舌的强度储备相对最小，车辆底架强度储备相对最大。
这样钩舌将发挥“保险丝”的作用，满意运用过程中检修维护的最经济性的要求，不仅便利了运用维护，同时也为车辆及缓冲器供应了安全保护。
理论分析及仿真计算结果表明：
列车稳态运行时车钩力不会大于机车的牵引力，机车牵引力大小和机车型号的选取要与牵引的列车重量及车辆数量相匹配。
因此随着列车牵引重量及列车编组数量的增加，不仅要选用与牵引能力需求相匹配的机车，同时也要提高车钩等零件的强度和储备裕量，以满意铁路运输安全及效率的需要。
列车调速时的内部纵向冲动是比较复杂的，最大车钩力可达到机车最大牵引力的2倍左右。
这种复杂性主要是缓冲器的性能、车辆性能（长短、载重、自重、结构强度和刚度等）、车钩缓冲装置的连挂自由间隙的大小、列车编组数量及运行速度、制动及缓解波速、运行线路状况（如坡度、曲线的大小）等因素影响的综合结果。
当缓冲器的性能、车辆性能一定时，列车内部纵向冲动力随着车钩缓冲装置的连挂自由间隙的增大、列车编组数量增加，以非线性的几何特性急剧增大，简单导致列车车辆脱轨、倾覆等事故的发生，并引发包括车钩在内的车辆及零部件过早疲惫损坏。
由于制动作用及缓解作用沿列车长度方向的不同步性，造成车辆间及列车首尾车辆产生较大速度差，引起列车内部产生剧烈的纵向冲动，使车钩、缓冲器及货车承受较大的纵向力，其值的经验公式
（1）为：
Fmax512PPmaxLn2tZCZB
（1）
式中：
Fmax—列车纵向压缩力（kN）;
l—辆车的长度（m）；
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n—车辆数；
P—辆车的闸瓦压力总和（kN）；
φ—闸瓦摩擦系数；
tZC—制动缸冲气时间（s）；
ωZB—制动波速（m/s）。
当列车中车辆参数一定时，列车内部的纵向力只与列车编组数量n的平方值有关。
理论上讲，由100辆车组成的列车的内部最大纵向力是由50辆车组成的列车的内部最大纵向力的4倍；以此类推150辆、200辆的重载列车内部的纵向力是特别大的。
理论研究及运用实践证明，因制动的不同步、车钩缓冲装置的连挂间隙、列车编组数量及运行速度、运行线路状况等因素的影响，造成列车内部全部的车辆间连续产生相互挤压性和反弹拉伸性的冲击作用、并连续很长时间，冲击作用是通过车钩力以外力的形式传递，使车辆间形成很大的冲动力，对车钩等零件及车辆的牢靠性提出严峻考验和要求。
在调车工况下，货车车辆进行列车编组作业时，车钩等零件和车辆本身还要承受很大的冲击力。
两车辆直接冲击时车辆间的最大车钩力Fmax可用公式
（2）进行理论计算。
FmaxM1M2Vmax2（M1M2）x
（2）
式中：
M1、M2分别为货车车辆的总体质量（kg），Vmax是两辆货车车辆编组连挂的最大相
对速度（km/h），x为两货车车辆钩缓装置所允许的缓冲器工作行程之和（m）。
由此说明，在缓冲器行程固定不变的前提下，货车车辆进行列车编组作业时，车钩等零件和车辆本身承受的冲击力是随着编组车辆重量的增加成正比、与相对连挂速度的平方值成正比。
随着国民经济发展不断提高对车辆载重要求、以及运输部门对提高运输效率的要求，实际货车编组作业过程中连挂速度将进一步提高，车钩力也是在渐渐的增加，对车钩等零件及车辆强度的储备和牢靠性提出了更高要求。
目前我国对于车钩、钩尾框的强度评价均采用静强度分析及静载荷试验的方法，同时开头着手进行疲惫牢靠性的试验研究。
强度试验的主要内容包括：
钩舌、钩体、钩尾框的静强度试验，规定载荷下的最大永久性变形试验，钩体、钩舌的最小破坏载荷试验，钩尾框的最小极限载荷试验。
对于车钩、钩尾框等主要传递纵向力的重要部件，在我国铁道行业标准TB/T1335-1996
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《铁道车辆强度设计及试验鉴定规范》中规定了纵向力及主要载荷的最大组合可能。
明确了纵向力是指列车在各种运动状态时车辆间所产生的压缩和拉伸力，在计算和试验时货车必需按第一工况和第二工况的载荷方式进行，其中货车：
第一工况作用在车钩上纵向拉伸力取1125kN，压缩力取1400kN；第二工况作用在车钩上的纵向压缩力为2250kN。
该标准对车钩的强度进行了要求，其中：
货车自动车钩的拉伸破坏强度不小于3100kN。
相比1978年版本的第一工况作用在车钩上纵向拉伸力取980kN（100tf）、压缩力取1176kN（120tf），第二工况作用在车钩上的纵向压缩力为1960kN（200tf），货车自动车钩的拉伸破坏强不小于2940kN（300tf）有所提高，以满意载重60t级货车的普及推广应用的需要。
随着我国铁路的快速发展，1～2万吨重载运输开行，运输效率的提高，因列车编组数量的增加、内部纵向冲动的加剧及编组调车作业速度的提高，造成的第一工况和第二工况载荷又有所提高。
因此，为满意重载列车的车辆及其重要部件的设计要求，我国大秦铁路重载货车强度设计需满意第一工况纵向拉伸力2250kN，纵向压缩力2500kN；第二工况纵向压缩力2800kN的要求。
23～25t轴重的通用货车车辆强度设计的纵向载荷为：
第一工况纵向拉伸载荷为1780kN，纵向压缩载荷为1920kN；第二工况纵向压缩载荷为2500kN。
因此，车辆强度的不断提高对车钩、钩尾框的牢靠性提出了更高要求。
4.1.1.2缓冲器技术
缓冲器是铁路机车车辆的重要部件,其主要作用：
一是汲取列车运行或编组调车作业时机车与车辆、车辆与车辆间的纵向冲动能量，缓和车辆间的冲击，降低车钩纵向力，减轻车辆及所运货物的损坏，改善列车纵向动力学性能；二是可以降低由纵向冲击力引起的车钩横向分力和车辆脱轨系数，从而提高列车运行的稳定性和平稳性，确保铁路运输安全。
缓冲器的性能直接影响着列车牵引重量、运行速度、车辆总重、列车编组作业效率、货物完好率等涉及铁路运输效率的经济指标和技术水平。
评定缓冲器性能的主要技术参数是冲击速度、最大阻抗力、容量、行程及能量汲取率。
（1）冲击速度
随着列车运行速度的提高（将提高到120km/h），车辆轴重的提高（由21t提高到23t、25t），列车载重的增加（一般干线开行5000t重载列车和10000t重载组合列车、大秦线开行10000t重载单元列车和20000t重载组合列车），车辆间纵向冲动将呈非线性的增长；车辆的
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编组数量和调车作业工作量必定要增加。
为有效地改善车辆间的冲击，削减车辆周转天数、提高使用频率，需缩短列车编组作业时间，必定要提高车辆的冲击速度，以满意运输需求。
我国目前规定编组调车作业时冲击速度不大于5km/h，但实际冲击速度多为7～8km/h，最不利时可以达到10km/h左右。
美国铁路货车规定冲击速度为8km/h（5mph）,前苏联及俄罗斯铁路规定货车冲击速度为9km/h。
在大容量缓冲器的设计中既要适当提高冲击速度，又要考虑与缓冲器的容量、阻抗力及行程等相匹配。
由于受缓冲器行程和阻抗力大小的限制，再考虑货车载重和总重的不断提高的影响，因此新型大容量缓冲器的冲击速度应不小于10km/h。
（2）阻抗力
缓冲器阻抗力的大小，直接影响货物运输的质量、车体结构及车钩等相关零部件的强度和使用寿命、列车运行的平稳性及安全性。
因此，合理设计缓冲器的阻抗力参数也特别重要。
缓冲器的阻抗力不应超过车辆的强度要求，在我国铁道行业标准TB/T1335-1996规定的纵向压缩载荷为2250kN；当以8km/h冲击速度进行车辆冲击试验时，最大车钩力应不大于2250kN。
因此，我国的MT-2、MT-3及ST型缓冲器设计的阻抗力均符合该强度要求，MT-2、MT-3缓冲器阻抗力不大于2250kN，ST型缓冲器阻抗力不大于2000kN。
为满意大秦线开行1～2万吨重载列车运输的要求，我国对车辆结构强度进行了规定：
大秦铁路重载货车强度设计需满意纵向压缩力2800kN的要求。
23～25t轴重的通用货车车辆强度设计需满意的纵向压缩载荷为2500kN。
因此，结合我国铁路货车的实际应用工况及强度设计要求，大容量缓冲器的阻抗力应不大于2500kN。
（3）容量
容量是衡量缓冲器性能优劣的一个特别重要的技术指标。
容量的选取主要与列车编组调车的冲击速度、车辆总重及列车牵引重量亲密相关，同时还受其本身结构及工作原理的制约。
通常状况下缓冲器的容量按调车作业工况进行设计。
假定两连挂车辆装用相同的缓冲器，不考虑车辆结构及货物的影响，则可依据动量守恒定律和能量守恒原理推出下述公式（3）
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进行设计计算，结果见表1。
E014W1W2
W1W2V2（3）
式中：
W1、W2分别为车辆的总重（t）；
V冲击速度（km/h）。
表1车辆在不同冲击速度下所需要的缓冲器的容量值
国内外试验研究表明，车辆结构及其运载货物也必定汲取一部分冲击能量，故在缓冲器容量的计算时应按下述公式（4）进行修正。
E=δ×E0（4）
式中：
δ为修正系数
日本的试验研究结果是：
对于散装货物车辆δ值为0.7，对于装运液体的车辆δ值为0.8。
另外，UIC标准规定δ值为0.65~0.75。
我国研究结果认为现有车辆的δ值应在0.55~0.83之间，平均为0.68，建议在近似计算时修正系数取0.68。
因此，在缓冲器容量的设计计算时，修正系数取为0.7~0.8。
依据上述修正系数近似计算，车辆冲击速度为10km/h时，不同轴重的车辆需要缓冲器的容量可根据表2的数值进行设计：
表2车辆在10km/h的冲击速度下所需要的缓冲器容量值
另一方面，重载列车系统动力学分析表明，在采用常规的车钩缓冲技术及制动系统的前提下，列车运行工况中列车头部和尾部的速度差较高；当速度差与调车工况冲击车之间的速
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度差相同时，两种工况中的最大冲击力及缓冲器汲取的能量基本相同。
随着列车运行速度的提高和列车编组数量的增加，对缓冲器容量也提出了新的要求。
研究试验表明：
由于列车车辆间的车钩连接间隙的存在、列车车辆构成的不同及制动波速造成的列车前后制动效果的不匀称性，使列车车辆之间产生相对速度差及冲击，列车相邻两辆车之间速度差最大为0.16～0.32km/h。
但即使这样小的速度差所造成的能量差也足以考验缓冲器容量是否能满意要求，这些能量需要连挂的两相邻缓冲器来共同汲取化解。
以总重84t～100t的车辆为例，分析其在列车以70～100km/h运行时，因速度差造成的动能差异通过公式（5）计算，在计算时假定相邻车辆的质量相等，计算结果见表3。
E1
8M（V1V2）22（5）
式中：
M为车辆的总重（t）；
V冲击速度（km/h）；
δ修正系数，取0.7～0.8。
表3列车在运行中车辆间动能差分布在每个缓冲器上的能量
通过上述分析，总重为84t～100t的车辆在列车运行速度100km/h时，因车辆间的速度差（速度差为0.2km/h）引起的纵向冲动能量，应由缓冲器汲取的能量要小于调车工况中冲击速度10km/h时缓冲器需要汲取的能量，用调车工况对缓冲器性能参数设计完全可以满意列车运用工况要求。
因此，为满意铁路货车提速（商业运营速度和调车作业速度）、重载（单车载重和列车牵引编组数量增加）的发展要求，考虑到留有一定的技术发展裕量，缓冲器的容量约70～80kJ为宜。
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（4）行程
缓冲器的行程一般是指在标准的车辆前后从板座间距内，在最大的车辆冲击下缓冲器所允许的最大缓冲变形的能力，此时是从板与缓冲器箱体将产生接触的瞬间，既没有发生刚性冲击之前的缓冲变形量，也称之为工作行程。
自由行程是指缓冲器在自由状态下结构所允许的最大缓冲变形量，一般比缓冲器的工作行程大，以补偿缓冲器的性能因磨耗的影响，防止缓冲器与从板、前后从板座之间产生间隙，降低缓冲器的缓冲作用。
由公式（6）知，增大缓冲器行程，有利于提高缓冲器的容量、降低阻力和提高缓冲器抗冲击缓冲能力。
但行程增大后，一是要增大列车的弹性连挂间隙，影响长大重载列车车辆动力学性能；二是必需同步加大车辆钩肩与车辆冲击座之间的距离，不利于车辆及其冲击座的结构设计；三是影响缓冲器的互换性，不利于车辆维护和检修；四是在既有的安装空间内利用现代技术和材料很难从结构及性能设计上完全满意增加缓冲器行程的要求。
FmaxM1M2Vmax2（M1M2）x（6）
我国现有的ST型缓冲器工作行程为67～69mm，MT-2/3型缓冲器工作行程为81mm。
考虑到互换性的要求，以及车辆前后从板座、从板和缓冲器本身的运用磨耗对缓冲器性能的影响，新型大容量缓冲器的工作行程定为约81mm、自由行程定为约90mm为宜。
（5）能量汲取率
能量汲取率是指缓冲器在缓冲压缩过程中所消耗的能量与容量之比值。
它是衡量缓冲器有效消耗冲击作业时车辆纵向冲击和列车运行时纵向冲动能量，减缓对车辆及货物破坏作用的重要技术指标。
缓冲器的能量汲取率越大，则降低回弹振幅、频次的效果越好，其反冲作用越小。
依据国内外试验研究及运用经验，货车缓冲器的能量汲取率不小于80％为宜。
（6）初压力
初压力是指缓冲器装车后的静预压缩力。
其值的大小将影响列车起动加速度和纵向动力学性能。
适当的初压力对改善列车纵向动力学性能是有益的。
美国AARM901G和M901K标准规定，缓冲器装车后的初压力不小于35.6kN；前苏联及俄罗斯的标准规定，货车缓冲器的初压力应在100～300kN范围内，客车缓冲器的初压力
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应在20～50kN范围内。
另外，由于运用中车辆结构及缓冲器的磨耗不可避免，势必增加缓冲器的安装空间尺寸，衰减缓冲器的初压力，设计时应考虑磨耗对缓冲器初压力的影响。
目前我国重载货车缓冲器的初压力取50～300kN。
众所周知，不同技术状态的列车及车辆要求的缓冲器技术性能参数是不同的。
其性能参数的选择主要看其能否最大限度地降低车辆间纵向冲击力，改善列车及车辆的纵向动力学性能；是否具有良好的综合经济性和先进性、适用性、牢靠性；能否满意我国铁路货车提速重载的发展要求。
因此，重载货车用大容量缓冲器的技术参数应遵循技术性能先进、使用牢靠、经济性合理、具有良好的互换性能与现有车辆缓冲器互换、与国际标准接轨的基本原则。
技术性能方面应能满意运行速度120km/h，轴重21～25t的各型铁路货车的使用要求，满意一般干线开行5000t重载列车和10000t重载组合列车、大秦线开行10000t重载单元列车和20000t重载组合列车的使用要求，满意冲击速度达10km/h的调车作业工况的使用要求。
与国际先进标准接轨，积极采用国外先进成熟的技术及评定标准，缩小与国外先进技术水平的差距。
使用牢靠性方面应结构简洁，各项性能稳定、牢靠，尽可能保证装车使用时在120万公里范围内性能稳定，使用安全、牢靠。
缓冲器的经济性体现在所用的原材料成本、制造成本、维护、检修成本、使用寿命等方面，换言之应物美价廉、经久耐用。
具有良好的互换性能，与现有车辆缓冲器互换。
缓冲器必需能与现有车辆匹配，整体安装尺寸和使用性能应符合现有车辆结构的安装及使用要求，能与现有的缓冲器安装尺寸互换。
依据标准要求，我国铁路货车的牵引梁内及钩尾框允许的缓冲器标准安装空间尺寸为625mm×327mm×235mm。
新型大容量缓冲器在工作状态下的形状尺寸最好为568mm×320mm×230mm。
4.1.1.3其它连接技术（牵引杆）
为了解决重载及长大货物列车因制动缓解不匀称性和列车间隙效应引起的列车冲动问题，国外早在20世纪70年月就开头研究设计新的车辆连挂装置以削减和消退列车的“间隙”作用，如ASF-Keystone公司、CardwellWestinghouse公司、McConway&Torley公司和ABC-NACO公司均设计开发了不同类型的牵引杆装置来代替车钩缓冲装置。
牵引杆装置作为新型的铁路车辆连接方式已经在国外重载运输的单元列车中得到成功
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应用，如美国、澳大利亚、南非、加拿大和巴西等国均不同程度地在长大重载货车上采用了牵引杆装置，按其组成可分为平凡牵引杆装置和无间隙牵引杆装置，主要区分为前者带有缓冲器，后者无缓冲器；其中核心部件牵引杆按其使用2
性能可分为旋转牵引杆和不旋转牵引杆。
见表4。
表4牵引杆装置及牵引杆的分类
无间隙牵引杆装置。
国外最早研制开发使用的是无间隙牵引杆装置。
为了解决重载长大货物列车内部纵向冲动问题，美国领先提出了无间隙牵引杆装置的设计方案（无缓冲器），其设计原则是车辆之间真正无间隙，既间隙为零，并要求零部件磨耗时具有自动补偿功能以保证连接装置处于无间隙状态。
无间隙牵引杆装置中，牵引杆及其它部件在牵引力的作用下发生弹性变形，与球面斜板间产生间隙，斜楔在自重的作用下下沉填补弹性变形产生的间隙，从而达到自锁和消退间隙的作用，典型的无间隙牵引杆装置简图如图2。
图2典型的无间隙牵引杆装置简图
无间隙牵引杆装
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