中国铁路货车车钩缓冲装置

中国铁路货车车钩缓冲装置4车辆纵向缓冲与连接技术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，为了满足运输安全可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、可靠的连挂。

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、特别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一致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一致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：一是为缓冲器提供安装使用空间，以利缓冲器充分发挥作用；二是与车钩连接并提供安装使用空间，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、疲劳可靠性高低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，不同的车钩必须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：一是吸收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殊作用，车钩强度的大小及可靠性直接关系到列车的运行安全及铁路运输效率。

车钩强度要满足三方面要求：列车运行安全性的要求；列车编组时调车作业的要求；方便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可靠性提出较高要求。

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，车钩的强度要满足车辆编组调车作业的要求。

为了方便维护与检修，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，满足运用过程中检修维护的最经济性的要求，不仅方便了运用维护，同时也为车辆及缓冲器提供了安全保护。

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，以满足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、运行线路情况（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，容易导致列车车辆脱轨、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劳损坏。

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，引起列车内部产生强烈的纵向冲动，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：()ZBZC P t Ln P F ωϕ2max max 125•= (1) 式中：F max —列车纵向压缩力（kN ）;l —辆车的长度（m ）；n —车辆数；P —辆车的闸瓦压力总和（kN ）；φ—闸瓦摩擦系数；t ZC —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非常大的。

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、运行线路情况等因素的影响，造成列车内部所有的车辆间连续产生相互挤压性和反弹拉伸性的冲击作用、并延续很长时间，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可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F max 可用公式（2）进行理论计算。

xM M V M M F •+••=)(212max 21max （2） 式中：M 1、M 2分别为货车车辆的总体质量(kg)，V max 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，车钩力也是在逐渐的增加，对车钩等零件及车辆强度的储备和可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，同时开始着手进行疲劳可靠性的试验研究。

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《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须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1125 kN，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，以满足载重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，为满足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足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、钩尾框的可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：一是吸收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、行程及能量吸收率。

(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；车辆的编组数量和调车作业工作量必然要增加。