毕业设计车钩、缓冲器缓冲装置设计

毕业设计（论文）第一章 绪论车钩、缓冲器是铁路机车车辆连接与起缓冲作用的重要零部件,多用普碳钢或高强度低合金钢制成。随着铁路客运速度的不断提高和货运载重量的不断加大,对车钩、缓冲器的刚性、强度、质量、容量和耐磨性等性能要求越来越高。新品开发的周期也越来越短,专业化制造的能力也越来越强。根据国家中长期铁路网发展规划,未来15 a将是我国铁路高速化发展的一个重要时期。目前正在引进国外技术先进、成熟的200km/h 动车组、300 km/h 高速客车及其制造技术，在整个过程中,采用引进与消化吸收相结合的原则,从而最终实现从零部件到整车的国产化。客车车钩、缓冲器引进后的国产化便是其中重要一环。因此,对于了解国内外机车车辆车钩、缓冲器的发展水平与动态是十分必要的。 一国内机车车辆用车钩缓冲装置的概况 货车车钩: 随着货运单列载重总量从早期的1 500 t2 500 t ,到现在开行的10 000 t及以上,我国货车车钩从20 世纪50 年代开始至今,先后开发了2 号、13 号、16 号、17 号、13A 等型号的车钩,车钩材料也由ZG230 - 450 提升为C 级钢、E 级钢,车钩的强度水平从1 500 kN2 300 kN 提高到了3 000kN3 500 kN ,其连接间隙也从19. 5 mm 减小到12mm。客车车钩:随着客运列车编组1416 辆增加到1820 辆,在15 号车钩的基础上,先后又开发了C级钢15C 型车钩、15X 型小间隙车钩和E 级钢密接式车钩、动车组车钩等。随着车钩的发展,缓冲器也有了很大发展。从建国初期的2 号、3 号缓冲器开始,又先后开发了MX- 1 型橡胶缓冲器、MT - 2 型、MT - 3 型缓冲器以及大容量弹性胶泥缓冲器等产品。缓冲器的容量水平从早期的20 KJ 、35 KJ 、50 KJ 提高到了100 KJ 。近年来,我国客运形势发生了很大的变化,特别是经过6次客运提速,在很大程度上带动了客车钩缓系统的发展。随着干线客车速度从160km/h、180 km/h 提升至200 km/h 及以上,客车钩缓也经历了15号车钩配1 号缓冲器、15C 车钩配G1 缓冲器、15X车钩配G1 缓冲器、密接式车钩配弹性胶泥缓冲器的发展过程。在动车组方面,也都基本采用了密接式车钩、缓冲器系统,正在逐步实现与国际水平的接轨。 二 国际机车车辆用车钩缓冲装置概况在国际铁路机、客、货车用车钩方面,机车、货车用车钩主要是以美国研制生产的E 型和F 型车钩为代表。主要生产各种AAR 标准车钩, 如: E60DE、E67CE、E68CE、E69BE、SBE60DE、SBE67CE、F70DE、F79DE、F73BE、SE60DE、SE67CE、SE69BE、SF70DE、SF73BE 等型号的车钩及各种钩尾框, 如: Y41AE、Y45AE 型钩尾框和冲击座、从板等。除此之外,还有德国的Schaku 公司、日本的柴田公司、Scharfenberg 公司、瑞典Dellner公司生产密接式车钩、缓冲器及CA - 3型自动车钩、链子钩,其产品除用于本国及欧洲客、货车辆外,同时还供应北美、澳洲及东南亚等地区。在缓冲器制造生产方面,美国铁路货车缓冲器主要有ASF - Keystone 公司、Wabtec 公司及Miner等。如ASF - Keystone 公司的缓冲器占北美液压缓冲器市场的60 %70 %。Wabtec 公司自1904年起开始设计开发缓冲器,在摩擦弹簧缓冲器的设计、试验、生产方面具有丰富的经验,先后开发了Mark 系列等多种类型缓冲器,如:Mark 50型、Mark 325型、Mark558型钢弹簧摩擦式缓冲器,Mark H60型钢弹簧与液压组合的摩擦式缓冲器、Mark R500型钢弹簧与橡胶组合的摩擦式缓冲器。Miner 公司以研制生产橡胶缓冲器著称,典型产品有SL - 76橡胶缓冲器和TF -880型弹性体缓冲器等。此外,其他各国际知名车钩生产企业在生产车钩的同时,大多数也配套生产各型缓冲器。 三 密接式钩缓装置的国产化研究由于城市轨道交通车辆启动和变速过程中纵向加(减)速度较大，对车辆舒适度要求较高，传统结构的客车车钩缓冲装置联挂间隙较大、自动化程度较低，不能满足其使用要求，必须采用密接式车钩缓冲装置。另外城轨车辆编组小，对车辆轻量化要求较高，因此不能直接把铁路上使用的高强度密接式车钩直接照搬过来。目前世界上较为先进的密接式车钩主要有SCHAKU式、BSI式、柴田式等3种。其中柴田式早已于上世纪60年代用于我国北京地铁，其改进型已在我国高速动车组和多个城市的城轨车辆上应用。而SCHAKU式属引进城轨车辆上使用的型式。进口的上海地铁及轻轨车辆采用SCHAKU型结构的密接式车钩，它有3种不同的类型，即全自动车钩、半自动车钩和半永久车钩。全自动车钩可以实现机械、气路、电路的自动连接。半自动车钩的机械、气路连接结构与作用原理与全自动车钩相同，但是电路需要人工手动连接。半永久车钩的机械、气路、电路的连接都需要人工手动操作，一般只有在车间维修时才进行分解。其中联挂系统是整套设备的关键。 国产密接式车钩缓冲装置与国外密接式车钩缓冲装置相比,技术上主要存在以下不足:(1) 在冰雪等低温环境下,连挂与解钩性能不够理想;(2) 在实际运用中,还未能解决好风、电的自动连挂问题;(3) 对过载保护与碰撞的能量吸收,在结构设计上还有差距;(4) 可伸缩高强度密接式车钩、半永久式车钩,技术上仍不成熟,且没有形成完整的车钩系列。因此，国产密接式车钩缓冲装置有待进一步的提高和发展。四国内车钩缓冲装置的发展展望1) 由于我国多年来实行货运重载的技术政策,对车钩、缓冲器都已采用了高强度低合金钢制造,目前国内车钩缓冲器的强度、容量等性能指标与生产制造水平与国际先进水平相差无几,正在进一步实现与国际先进制造水平的接轨;2) 随着我国客运干线列车的不断提速和城市地铁、轻轨等轨道交通的快速发展,对速度为200 kmh及其以上的高速列车、电力及内燃动车组用密接式钩缓装置,我国应结合技术引进和吸收消化,提高自主创新能力,加大研发、生产与推广应用的力度;3) 应当进一步重视机车车辆用车钩、缓冲器材料与制造工艺的研究与开发;在设计与制造、试验与质量检测、运行与维护方面,应当等同采用先进的国际标准;4) 我国机车车辆用车钩、缓冲器的研发与生产能力相当大,但目前品种还较单一,且力量分散,集约化制造程度不高,应当适当调整生产组织结构,走国际先进的专业化、规模化生产之路,以适用产品除满足国内发展需要外,力争跻身国际轨道交通的钩缓产品市场。第二章 车钩缓冲装置 车钩缓冲装置是连接车辆最基本的部件，也是最重要的部件之一。车钩缓冲装置和风挡装置均是车端连接的有机组成部分，通过它们使列车车辆相互连接，实现相邻车辆之间的纵向力传递和通道的连接。第一节 车钩缓冲装置概述一 车钩缓冲装置的作用车钩缓冲装置是指连接两车辆间或连接两列车间的所有机械、空气和电气装置。传统列车的车端连接装置通常称牵引缓冲装置，由车钩和缓冲器两部分组成。具有连接、牵引、缓冲等几个方面的作用，即：（1） 缓冲作用，将彼此独立的车辆连接成列车，并使之保持一定的距离；（2） 牵引作用，在列车运行过程中能够传递牵引力、制动力或冲击力；（3） 缓冲作用，缓和即衰减列车在运行过程中或调车工况时由于牵引力的变化和制动力前后不一致而引起的冲击和振动；如果上述作用是由同一装置来完成的，那么该装置称为牵引缓冲装置。如果是由不同的装置来承担，则分别称之为牵引连挂装置和缓冲装置。而高速动车组的车端连接装置除了具有上述机械功能以外，还必须具有车厢间的密封功能，以及传递压缩空气，电气信号和控制信号等功能。通常情况下，动车组的电气和风管连接器与车钩组成一整体部件，它提供动车组车辆间中低压电气与压缩空气的回路。二 分类按照牵引连接装置的连接方式，车钩可分为自动车钩和非自动车钩。自动车钩不需要人工参与就能实现连接，而非自动车钩则需要借助人工来完成车辆间的连接。自动车钩又分为两种基本类型：非刚性车钩和刚性车钩。非刚性车钩如图(a),允许相连的车钩钩体之间有一定的垂向相对位移，即两车钩总轴线存在高差时，两个车钩成阶梯形状，并且各自保持水平位置。钩体的尾端相当于销接，这就保证了车钩在水平面的位移。非刚性车钩结构简单，强度高，重量轻，与车体的连接较简单，常用于货车和普通客车。刚性车钩如图（b）,也称为密接式车钩，它不允许相连的车钩钩体之间有垂向相对位移，而且对前后的间隙要求应限制在很小的范围内。如果两车钩总轴线存在高差时，两车钩处于同一直线上并成倾斜状态。两钩体的尾端具有完全的销接，这就保证了两连挂车辆之间可以具有相对的平移和角位移，使其适应线路水平面及纵剖面的变化，缓和车体在弹簧上的振动及外界对车辆的作用力。 图1 非刚性车钩与刚性车钩(a) 非刚性车钩 (b)刚性车钩刚性车钩与非刚性车钩相比有如下有点：（1） 减小了两个车钩连接表面之间的间隙，从而降低了列车间的纵向力，提高了列车运行的平稳性；（2） 由于车钩零件的位移减少了，并且在这些零件上的作用力也减小了，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） 减小了连挂车钩时相互冲击而产生的噪音，这对城轨车辆和客车尤为重要。由于这些特点决定了刚性车钩主要用于城轨车辆及高速动车组上，我国地铁车辆及部分快速客车采用了密接式车钩。第二节 密接式车钩缓冲连接装置密接式车钩缓冲连接装置集牵引、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和空气的自动连接。在两连挂车钩高度具有偏差以及在有坡度线路和曲线上都能安全的连挂，是一种刚性车钩，主要用于地铁车辆、城轨车辆和高速动车组中。密接式车钩缓冲装置按其钩头结构的不同具有多种形式，目前世界上较为先进的密接式车钩主要有柴田式、Scharfenberg式、BSI-COMPACT式等3种。其中柴田式早已于上世纪60年代用于我国北京地铁 , 其改进型已在我国高速动车组和多个城市的城轨车辆上应用。而SCHAK U式属引进城轨车辆上使用的型式。进口的上海地铁及轻轨车辆采用Scharfenberg 型结构的密接式车钩 , 它有3种不同的类型 , 即全自动车钩、半自动车钩和半永久车钩。全自动车钩可以实现机械、气路、电路的自动连接。半自动车钩的机械、气路连接结构与作用原理与全自动车钩相同 , 但是电路需要人工手动连接。半永久车钩的机械、气路、电路的连接都需要人工手动操作 , 一般只有在车间维修时才进行分解。德国制造的BSI-COMPACT型密接式车钩在欧洲、巴西等许多国家的地铁、轻轨车辆和城郊列车上获得了广泛的应用。一 柴田式密接式车钩柴田式密接式车钩缓冲装置如图所示。它主要有钩头、缓冲器、风管连接器、电气连接器和风动解构系统等几部分组成。车辆连挂时依靠两车钩相邻钩头上的凸锥和凹锥孔的相互插入，实现车钩的紧密连接，同时自动的将两车之间的电路和空气通路接通。在两车分解时，通过解构风缸的动作，亦可自动解钩，并自动切断两车之间的电路和空气通路。图2 柴田式密接式车钩缓冲装置-密接式车钩钩头； 2-风管连接器 ；3-橡胶缓冲器； 4-冲击座； 5-十字头； 6-托梁 ；7-磨耗板； 8-电气连接器柴田式密接式车钩的车钩前端为钩头，它由一个凸锥和凹锥孔，内部还有钩舌（半圆形）、解钩杆、解钩杆弹簧和解钩风缸组成，如图3所示。柴田式密接式车钩的作用原理，该车钩具有待挂、连接和解钩三种状态。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于水平面成40角。连挂状态：当两车钩连挂推进时，两凸锥分别插入对方车钩相应的的凹锥孔。这时凸锥的内侧面在前进中压迫对方的钩舌转动，使解钩气缸的弹簧受压，钩舌沿逆时针方向旋转40。两车钩连接面接触后，凸锥内侧面不在压缩对方的钩舌，此时由于弹簧恢复力的作用，使钩舌回到原来的状态，两钩舌相互锁定对方，达到闭锁作用。 图3 柴田式密接式车钩结构及作用原理1-钩头；2-钩舌；3-解钩杆；4-弹簧；5-解钩风缸解构状态：自动解钩，要使两钩分解，须由司机操纵解钩阀，压缩空气由总风管进入前车（或后车）的解钩气缸，解钩风缸活塞杆向前推出并带动解钩杆运动，使钩舌转动至开锁位置，此时给一拉力，两钩即可解开。两钩分离后，解钩风缸的压缩空气迅速逸出，解钩风缸弹簧得以复原，带动车钩顺时针转动40恢复到待挂状态，为下次连挂做好准备；手动解钩，如果采用手动解钩，只需用人力扳动解钩杆，也能使钩舌转动至开锁位置，实现两钩的分解。我国早期的北京地铁和天津地铁采用这种结构形式。二 Scharfenberg密接式车钩Scharfenberg密接式车钩缓冲装置如图所示。它主要由车钩钩头、橡胶缓冲器、风管连接器、电气连接器和风动解钩系统等几部分组成，缓冲器位于钩头后部。车辆连挂时依靠两车钩相邻钩头前端的锥形喇叭口引导彼此精确的对中，实现两车钩的紧密连接；同时自动的将两车之间的电气线路和空气通路接通。两车分解时，一颗由司机控制解钩电磁阀自动解解钩，并且自动切断两车之间的电气线路和空气通路。Scharfenberg密接式车钩缓冲装置1- 密接式车钩；2-引导对准爪把；风管连接器；4-电气连接器；5-钩身在车钩下面有车钩车钩支撑弹簧支撑，缓冲器尾部通过转动中心轴与车体上的冲击座相连，并可通过橡胶弹簧的弹性变形记缓冲器与转动中心轴的相对转动实现垂直方向的摆动，垂向最大摆角为430，最大水平摆角可达30。车钩结构。钩头壳体为焊接件，它由两部分组成，前端为带有一喇叭口的凸出件，后面为连接法兰。当两钩连接时，前端的锥体和喇叭口用来作为引导对准之用，伸出在前面的爪把用来拓展车钩的连接范围。前面的圆孔用来安置空气管路连接器，在钩头壳体中配置有车钩锁闭零件和解钩风缸。借助于钩头壳体后部的法兰将钩头与牵引缓冲装置连成一体。车钩的闭锁机构由钩舌和钩锁杆组成，两者通过销子彼此可中摆动的相连接。两个弹簧用来保持车钩处在闭锁位置。弹簧一端钩在壳体的锥体上，另一端钩在钩锁杆上。手动解钩装置设在钩头的侧面，它由横杆通过两解钩杆与钩舌相连接。在该横杆的端部连有一钢丝绳并与手柄相连，手柄挂在钩头壳体的一侧。Scharfenberg密接式车钩作用原理。该种车钩也有待挂位、连挂闭锁位、和解钩状态三种作用位置，如图所示。待挂位：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。弹簧处于松弛状态，该位置为车钩连挂准备位。连挂闭锁位：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的对中，两钩向前伸出的钩锁杆由于受到对方钩舌的阻碍，各自推动钩舌顺时针方向转动，直至在弹簧拉力作用下钩舌杆滑如对方钩舌的嘴中，并推动钩舌绕逆时针方向返回到原来位置为止。这时两钩的钩锁杆与两钩的钩舌构成一平行四边形，力处于平衡状态，两钩刚性的无间隙的彼此连接，处于闭锁状态。在连挂闭锁状态时，钩舌和钩锁杆的位置与连挂准备状态完全相同，钩舌在弹簧作用下力图保持处于闭锁位。当两钩受牵拉时，拉力均匀的分配在有够锁功能和钩舌组成的平行四边形两对边即钩锁杆上。当两钩冲击时，冲击力由两钩壳体喇叭口凸缘传递。解钩状态；气动解钩，由司机操纵解钩控制阀达到解钩，这时压力空气经过解钩管冲入钩舌中的解钩风缸中，推动活塞向前运动，压迫在解钩杆上所设置的滚子上，亮钩头中的钩舌被同时推至解钩位置，达到解钩后再排气，风缸中受压弹簧使活塞返回到原始位置；手动解钩，通过拉动钩头一侧的解钩手柄，经钢丝绳、杠杆和解钩杆使两钩的钩舌转动，直至钩锁杆脱出钩舌的嘴口，由此使两钩脱开，处于解钩位置。欧洲地铁大多采用这种车钩形式，我国上海、广州、深圳地铁等也采用这种形式的车钩。三 BSI-COMPACT密接式车钩BSI-COMPACT密接式车钩的钩头壳体设有凸锥体和和凹锥孔，在凸锥体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。钩头也被用来作为空气管路连接器和电气连接箱的支撑体。这种车钩也有待挂、开锁和闭锁三个位置。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，弹簧恢复原位，达到两钩连挂闭锁。欲将两连挂的车辆分解，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，或者可同时操作两个钩的解钩风缸，使两钩锁栓同时动作，彼此脱开。也可用人工搬动解钩杠杆，使两钩分解。第三节 缓冲器的种类、性能及结构一 缓冲装置的作用缓冲器时用来缓和列车在运行中由于牵引力的变化或在启动、制动及调车连挂时相互碰撞而引起的纵向冲击和振动。缓冲器有耗散和衰减车辆之间的冲击和振动的功能，从而减轻对车体结构的破坏作用，提高列车运行的平稳性和舒适度。缓冲器的原理时借助压缩弹性元件来缓和冲击作用力，同时在弹性元件的变形中利用摩擦和阻尼吸收冲击能量。二 缓冲器的种类根据缓冲器的结构特征和工作原理，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、黏弹性橡胶泥缓冲器、液压缓冲器及空气缓冲等。目前应用最广泛的为摩擦式缓冲器和摩擦橡胶式缓冲器，这两种缓冲器具有结构简单、制造方便、成本低的有点。二 缓冲器的主要性能参数缓冲器的性能直接影响着列车的牵引总重、运行速度、车辆的载重、编组作业效率、车壳的舒适性、货物的完好性等涉及铁路运输效能的主要技术经济指标。决定缓冲器性能的参数是：缓冲器的行程、最大作用力、容量及能量吸收率等。（1）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。（2）最大作用力 缓冲器产生最大变形量时所对应的作用外力。（3）容量 缓冲器在全压缩过程中，作用力在其行程上所做的功称为容量。它是衡量缓冲器能量大小的主要指标，如果能量过小，则当冲击力较大时就会使缓冲器全压缩而导致刚性冲击。（4）初压力 缓冲器的静预压力，初压力的大小将影响到列车启动加速度。（5）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，其消耗部分的能量与缓冲器容量之比称为能量吸收率。吸收率愈大，则表明缓冲器吸收冲击能量的能力愈大，反冲作用就愈小；否则，缓冲器必须往复工作好几次方能将冲击能量消耗尽，这将导致车钩、底架过早疲劳损伤，并且加剧列车纵向冲动。一般要求能量吸收率不低于70%。第四节 附属装置一 风管连接器（一）不带自闭装置的风管连接器如图所示，当车钩相互连接时，密接圈互相接触受压，借助于滑套、橡胶套和前弹簧使压力达到70160 N，保证气路开通时不会泄露。在制动主管连接器后端的管路上装有一个截止阀。正常解钩时，首先将截止阀关闭，以防止制动主管排风而产生紧急制动。 （二）自动开闭式风管连接器 图示为自动开闭式风管连接器，该装置具有自动开闭装置。当两车钩相连时，顶杆与密封圈同时受压，密封圈在防止泄露的同时，顶杆压缩阀垫、滑阀和顶杆弹簧，阀垫和滑阀后退，使阀垫与阀体脱开，气路开通。解钩时由于密封圈和顶杆失去压力，在弹簧的作用下，各部分恢复原位，风路断开。 二 电气连接器 电气连接器如图所示，通过悬吊装置使钩体与电气连接器成弹性连接。两车钩连挂时，箱体可退缩34 mm，靠弹簧压力，保证良好接触；触头焊有银片，以减小电阻。它与箱体成弹性连接，靠弹簧压力保证触头处于可伸缩状态，相互接触良好，保证电流畅通。箱体的一侧有一个定位销，对称侧有定位孔，两钩连挂时定位销插入对应的定位孔，以保证触头的准确连接；密封条是防雨水和灰尘的。解钩时，将盖盖好，以防止触头损坏。箱体内还设有接线板，使触头的引线和从车上来的引入线应相连；在它后部有电线孔，为防止电线磨损，和有塑料套。电气箱外面装有保护罩，当两钩连接时，电气箱可推出使其端面高于车钩端面，此时保护罩自动开启；当解钩后，电气箱退回至原位置，保护罩自动关闭。电气箱内的触电和弹性触点，保证电气连接时密接可靠。主要应用于自动车钩上。 三 车钩对中装置如图所示，在缓冲器的尾部下方左右各设有一个对中风缸，它的活塞头部安有一个水平滚轮，当气缸充气活塞向外伸出时，能自动嵌入固定在球铰座下方的一块凸轮板左右的两个缺口内，从而达到使车钩自动对中的目的，也就是使车钩缓冲装置的中心线与车体中心线在一个垂直平面内，以便使一个车钩钩头 对准对方的车钩的钩坑。对中气缸的充气和排气是通过钩头心轴顶部的凸轮来驱动二位五通阀的阀芯，从而使对中气缸进行充气或排气。当车钩处于待挂状态时，对中气缸充气使车钩自动对中；当车钩处于连接状态时，对中气缸处于排气状态，对中气缸排气，车钩可自由转动，有利于列车过弯道。四 安装吊挂系统安装吊挂系统的作用是为整个车钩缓冲装置提供安装和支撑，保证列车通过所有平竖曲线所需是各个方向自由度，保证整套装置在不连挂状态时保持水平，使车钩中心线与车辆中心线重合，以便于连挂。车钩通过该装置可以方便的调整车钩中心线的高度。