（机械工程专业论文）城轨车辆用密接式车钩和缓冲器的研制.pdf

捅费 m i n 鼍皇曼曼曼舅曼曼曼曼曼皇鼍曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼寰曼曼曼曼量量量曼量曼曼曼曼舅舅曼曼曼曼曼鼍曼曼曼曼曼 摘要 发展城市轨道交通系统已成为我国解决城市交通问题的必由之路，密结式车钩和缓 冲器是城市轨道车辆最基本也是最主要的部件之一，它是连接列车中各车辆使之彼此保 持一定距离，并且传递列车在运行中或在调车时所产生的纵向力和冲击力。 本课题针对城市轨道车辆的要求，对密接式车钩和缓冲器进行了系统分析。进行了 钩体设计和结构优化，半自动密接式车钩采用弹簧装置作为手动解钩和复位机构，钩体 端面进行了优化设计。带缓冲器和无缓冲器的半永久牵引杆定位孔采用长圆孔结构。对 密接式车钩铸件包括钩体、安装座、半自动托架和半永久托架进行铸造工艺设计和固化 模拟分析和优化。研制的弹性胶泥缓冲器具有容量大，阻抗力小，吸收率高等特点，采 用的高压组合密封结构保证了缓冲器的密封性和使用寿命。对密接式车钩和缓冲器进行 了试验台上的连挂试验，连挂范围试验、连挂拉力试验和气密性试验，对关键零部件进 行了静强度试验，缓冲器的常温和低温静态试验、容量试验、产品耐久性试验、坚固性 试验和疲劳试验。 本课题已通过中国南方机车车辆工业集团公司组织的技术审查。 关键词：城市轨道车辆；密接式车钩；弹性胶泥缓冲器；改进设计；试验验证 歹：连交通) ：学t 程硕i j 学f 江论史 a b s t r a c t d e v e l o p i n gt h ec i t yt r u c kt r a f f i cs y s t e mh a sb e c o m et h em a i nr o u t et os o l v e t h ep r o b l e mo fc i t yt r a f f i c t h et i g h t l o c kc o u p l e ra n db u f f e riso n eo fb a s i c p a r t so fc i t yt r u c k i t1 i n k se v e r yv e h i c l eo ft h et r a i na n dt r a n s f e rp u l if o r c e o ri m p u is i v ef o r c ea tt h er u n n i n ga n dt r a n s l a t et a s ko ft r a i n i no r d e rt os a t is f yt h er e q u i r e m e n to fe i t yt r u c k ，s y s t e m sa n a l y s ish a sb e e n t a k e nf o rt h eti g h t - l o c kc o u p l e ra n db u f f e r t h ec o u p l e rb o d yw a st a k e no p ti m a l d e s i g n t h es e m i a u t o m a t i ct i g h t - l o c kc o u p l e r a d o p t e ds p r i n g s e tf o rm a n u a l s e p a r a t el o c ka n dr e p l a c e m e n t t h es e m i f o r e v e rt r a c t i o nr o df i xb u f f e ra n du n f i x b u f f e ra d o p t e dl o n gr o u n dw h o l est r u c t u r e t h ec a s ti n gp a r t si n c l u d ec o u p l e r b o d y ，f i x i n gs e a t ，s e m i a u t o m a ti cc o u p l e rb r a c k e ta n ds e m i f o r e v e rb r a c k e th a v e c a r t i e di n t oe x e c u t i o nw i t hc a s t i n gt e c h n o l o g i cd e s i g n e d a n ds i m u l a t i v e c o n c r e t i n ga n a l y s is t h ee l a s t i cr u b b e rm u db u f f e rh a s t h ec h a r a c t e r is t i co f m o r ec a p a b i1it y ，l e s si m p e d a n c ef o r c e ，h i g ha b s o r br a t e t h eh i g hp r e s s u r ea n d h e r m e t i c a ls t r u e t u r ee n s u r et h eh e r m e t i cc a p a b i i i t ya n dt h er u n n i n g1 i f e t h e ti g h t - l o c kc o u p l e ra n db u f f e rw a sp a s s e dt h ej o i nt e s t ，j o i nr a n g et e st ，p u ll f o r c eo fj o i nt e s ta n da i rh e r m e t i cc a p a b i i i t yt e s to nt h es p e c i a lt e s te q u i p m e n t t h em a i np a r t sw a sp a ss e ds t a t i cs t a t et e s to nn o r m lt e m p e r a t u r ea n d l o w t e m p e r a t u r e ，t h ec a p a b i l i t yt e s t ，t h ee n d u r et e s t ，t h ef i r m l yt e s ta n dt i r e d n e s s t e s t t h eit e r nh a sb e e np a s s e dt h ec s rt e c h n 0 1 0 9 ye x a m i n a ti o n k e yw o r d s ：c i t y t r u c kv e h i c l e ；t i g h t l o c kc o u p l e r ；e l a s t i cr u b b e rm u db u f f e r ； i m p r o v ed e si g n ；t e st v a li d a t e l l 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銮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： 都良 1 日期：游7 2 月2 妇 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交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 知识产权单位属太蓬塞通太堂，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董塞通太堂。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。 本人授权太整銮通太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入 中国科学技术信息研究所中国学位论文全文数据库等相关数据库 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：害，良 日期：肼l z 月z 岁目 工作单位：司昧甬季碍a 拦i l l 7 挡胡膨司电话：o p ，移7 锣牛二 通讯地址：爿讲诵孑耐氏托和括捐舭刁 邮编：j a 五卫牛7 电子信箱：导啪叔- 坝 绪论 绪论 车钩缓冲装置是轨道车辆最基本的部件之一，它是用来连接列车各车辆使之彼此保持 定距离，并且传递和缓冲列车在运行中或在调车时所产生的纵向力和冲动力。 现代车钩起源于1 8 7 3 年由詹尼发明的钩舌车钩，具有能量吸收特性的缓冲装置则是 由1 8 8 8 年问世的韦斯汀豪斯的缓冲器发展而来的，目前大多数机车和车辆上使用的仍是 该类型装置。1 9 2 9 年，柴田卫氏提出了密接式车钩的设计方案，1 9 3 1 年完成了研制和现车 试验，1 9 3 2 年开始在新造电动车上全面采用。之后，陆续在日本各区段运用，至1 9 3 8 年，大部 分电动车基本都采用了密接式车钩。由于密接式车钩也是柴田家族人设计的，故密接式车钩 也称柴田密接式车钩。 目前国内外常见的密接式车钩有三种结构形式：第一种为日本新干线高速列车上所采 用的柴田氏密接式车钩，我国北京地铁车辆的车钩即属于此列；第二种为s c h a f e n b e r g 型 密接式车钩，常见于欧洲国家所制造的地铁、轻轨及高速车辆上，德国制造的上海地铁车 辆亦装用这种车钩；第三种为b s i c o m p a c t 型密接式车钩。 北京地铁车辆的密接式车钩缓冲装置由密接式车钩、橡胶缓冲器、风管连接器、电器 连接器和风动结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 相互插入，起到紧密联结作用，同时自动将两车之间的电路、空气管路接通，并起到缓和 连挂中车辆间的冲击作用。在两车分解时，亦可自动解钩，并自动切断车辆间的电路和空 气通路。 上海地铁车辆所采用的全自动密接式车钩缓冲装置由机械连接、电器连接和气路连接 三部分组成。机械连接部分设于钩头中央，电器连接箱分设在左右两侧，中心轴下方设气 路连接器。车钩相对于车体最大水平摆角为4 0 。，最大垂向摆角为5 。，以满足车辆过水 平曲线和垂曲线的要求。 b s i c o m p a c t 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 上获得广泛应用。这种车钩钩头的壳体没有凸锥体和凹锥孔，在凸椎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器连接箱的支撑体。 密接式车钩有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。 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 j 连交通，i 学t 干口硕j 学 t 论贮 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。 缓冲器的作用是缓和车辆冲击，减小车辆纵向冲动。其性能的好坏直接影响行车安全 和旅客舒适度。根据缓冲器的结构特征和工作原理，缓冲器分为弹簧式缓冲器；摩擦式缓 冲器；橡胶式缓冲器；摩擦橡胶式缓冲器：弹性胶泥缓冲器；液压缓冲器及空气缓冲器等。 目前应用最广泛的为摩擦式缓冲器和摩擦橡胶式缓冲器。 液压油、金属弹簧、橡胶是常用的三种缓冲介质或材料，由它们制作的缓冲减振产品 称为缓冲器或减振器。液压缓冲器使用液压油作为缓冲介质，利用液压油在外力作用下的 流动摩擦生热来吸收能量，但一直以来都存在液压油密封问题难以解决，没有得到广泛应 用；金属弹簧缓冲器是利用弹簧的刚弹性，通过弹簧摩擦吸收能量，但其自重较大，弹簧 磨损快，使用寿命短：橡胶作为缓冲、减振材料使用历史悠久。一般是将加有硫化剂、填 充剂等配合剂的橡胶放入模具内加热加压硫化成各种形状，利用硫化橡胶的弹性来达到缓 冲、减振目的。硫化后的橡胶其体积是不可压缩的；由于硫化橡胶在使用过程中受到的疲 劳破坏、永久变形、老化等原因，其使用寿命也有限。一般情况下，上述三种缓冲器产品 的维修期为一年。而利用未硫化橡胶的粘弹性、流动性和体积可压缩性来制作的弹性胶泥 是一种新型特种橡胶粘弹性高阻尼材料，由它制作的弹性胶泥缓冲器克服了液压缓冲器、 刚弹簧缓冲器和硫化橡胶缓冲器的缺点，集合了它们的优点，具有特殊的减振缓冲性能和 理想的使用寿命。 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，现己被纳入u i c 标准( u i c 5 2 6 1 ；u i c 5 2 6 3 ) 。国内 对弹性胶泥的研究和使用始于二十世纪九十年代，主要生产低容量的弹性胶泥缓冲减振 器，其应用领域相对有限，可用于轨道车辆等方面的高容量弹性胶泥研究刚刚起步，技术 尚不成熟。弹性胶泥缓冲器与普通缓冲器相比具有容量大、阻抗力小、体积小、质量轻、 检修周期长等优点，在同样容量下可减轻3 0 5 0 的重量，检修周期长达1 0a 。随着我 国城市轨道交通的发展以及旅客舒适度要求的提高，弹性胶泥缓冲器将得到广泛的应用。 发展城市轨道交通系统已成为我国解决城市交通问题的必由之路，城市轨道交通车辆 的产业化是我国机车车辆工业的重要工作之一，而城轨车辆关键零部件的国产化是城市轨 道交通车辆产业化的重要保证，研制适合我国城市轨道车辆的密接式车钩与缓冲器具有十 分重要的经济和战略意义。 密接式车钩和缓冲器是集机、电、气于一体的机电产品，无论是产品设计、制造、材 料和试验装备的研发上均具有很大的难度。国外研究和制造密接式车钩的公司主要有 s h a r k u 公司、瑞典d e l l n e rc o u p l e r 公司和日本住友金属大阪制钢所，由上述公司研制的 密接式车钩和缓冲器产品代表着世界先进水平。 2 绪论 我国对密接式车钩和缓冲器仅处于仿造的起步阶段，无论在理论和应用研究还是制造 水平都还处于较低水平，而目前尚无集机械、气、电于一体的全自动密集式车钩。目前 2 0 0 k m h 提速、货车提速至1 6 0 k m h 、大量的城市地铁和城间动车组以及将来的高速铁道 车辆均需要大量性能良好、作用可靠的密接式车钩，但是国内现有产品尚不能完全满足市 场的需求。 人连交通j ：学t 程弼! i j 学位论文 第一章密接式车钩和缓冲器方案 1 1 密接式车钩的类型、结构 目前国内外常见的密接式车钩有三种结构形式：第一种为日本新干线高速列车上所采 用的柴田氏密接式车钩，我国北京地铁车辆的车钩技术与此类同；第二种为s c h a f e n b e r g 型密接式车钩，常见于欧洲国家所制造的地铁、轻轨及高速车辆上，德国制造的上海地铁 车辆亦装用这种车钩；第三种为德国的b s i c o m p a c t 型密接式车钩。 1 1 1 北京地铁密接车钩 北京地铁车辆的密接式车钩缓冲装置见图1 1 图1 1 密接式车钩缓冲装置 f 嘻1 1 币枞咄a n d b 曲 1 钩舌；2 解钩风管连接器；3 总风管连接器；4 截断赛门； 5 - 钩身：6 - 缓冲器；7 - 制动风管连接器；8 电器连接器。 图1 2 密结式车钩作用原理 f i g l 2 i i l e i x i m i t i e o ff i g h t - l o c k c o u p l e r 1 钩头；2 钩舌；3 解钩杆 4 弹簧；5 解钩风缸。 车钩的连挂与分解作用原理如图1 2 两钩连挂时，凸锥插进对方相应的凹锥孔中。这时凸锥的内侧面在前进中压迫对方的 钩舌转动，使解钩风缸的弹簧受压，钩舌沿逆时针方向旋转4 0 。当两钩连接面相接触后， 凸锥的内侧面不再压迫对方的钩舌，此时，由于弹簧的作用，使钩舌顺时针向旋转恢复到 原来的状态，即处于闭锁位置。 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 风缸，同时经解钩风管连接器送入相连挂的后车( 或前车) 解钩风缸，活塞杆向前推并带 动解钩杆，使钩舌逆时针向转动至开锁位置，此时两钩即可解开。如采用手动解钩，只要 4 第一幸j ：串：接- 下钩和绥冲器方案 用人力推动解钩杆，也能使钩舌转动至开锁位置实现两钩的分解。 1 1 2 上海地铁密接式车钩 上海地铁车辆所采用的全自动密接式车钩缓冲装黄结构如图1 3 。 图1 3 上海地铁全自动密接式车钩 f i 9 1 3a u t o m a t i cf i g h t - l o c kc o u p l e rf o rs h a n g h a is u b w a y 钩头机械连接部分由壳体、钩舌、中心轴、钩锁连接杆、钩锁弹簧、钩舌定位杆及弹 簧、定位杆顶块及弹簧和解钩风缸组成。壳体的前部，一半为凸锥体，一半为凹锥孔，两 钩连挂时相邻车钩的凸锥体和凹锥孔互相插入；中心轴上固定有钩舌，钩舌绕中心轴转动 可带动钩锁连接杆动作；钩舌呈不规则几何形状，设有供连接时定位和供解钩时解钩风缸 活塞杆作用的凸舌，以及钩锁连接杆的定位槽、钩嘴等，是车钩实现动作的关键零件；钩 锁连接杆在钩锁弹簧拉力作用下使车钩连接可靠；钩舌定位杆上设有两个定位凸缘，是钩 舌定位在待挂或解钩状态；定位杆顶块可以在连接时顶动钩舌定位杆实现两钩的闭锁。 该自动车钩有待挂、闭锁和解钩三种状态，其作用原理如图1 4 所示。 人连交通人学t 程顾 。学位论艾 图1 4 上海地铁自动车钩作用原理 f i g 1 4t h ep r i n c i p l eo fa u t o m a t i ct i g h t - l o c kc o u p l e rf o rs h a n g h a is u b w a y ( 1 ) 待挂状态；( 2 ) 闭锁状态；( 3 ) 解钩状态。 1 壳体；2 - 钩舌；3 中心轴；4 钩锁连接杆：5 - 钩锁弹簧；6 钩舌定位杆； 7 钩舌定位杆弹簧：8 - 定位杆顶块；9 - 定位杆顶块弹簧；1 0 - 解钩风缸。 ( 1 ) 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，钩锁连接杆退缩至凸锥体内，钩舌上的钩嘴对着钩头正前方。 ( 2 ) 闭锁状态：相邻两钩的凸锥体伸入对方的凹锥孔并推动定位杆顶块，定位块顶 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 动钩锁连接杆伸进相邻车钩钩舌的钩嘴，完成两钩的连接闭锁。这时两钩的钩锁连接杆和 钩舌形成平行四边形连接杆机构，当车钩受牵拉时，拉力由两钩的钩锁连接杆均匀分担， 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。 ( 3 ) 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。 1 1 3b s i - c o m p a c t 密接式车钩 b s i - c o m p a c t 型密接式车钩结构如图1 5 所示。 6 筇一市甯接- 下钧和缓冲器方室 图1 5b s i c o m p a c t 型密接式车钩 f i 9 1 5b s i - c o m p a c tt i g h t l o c kc o u p l e r 1 凸锥体；2 凹锥孔；3 锁栓；4 锁栓定位弹簧；5 解钩杠杆；6 - 解钩风缸；7 - 导向杆。 这种车钩也有待挂、闭锁和开锁三个位置，其作用原理如图1 6 所示。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，弹簧回复 原位，达到两钩连挂闭锁。 欲将两连挂的车钩分解，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另一个钩的锁栓能够脱开为止，或者也可同时操纵两个钩的解钩风 缸，使两钩的锁栓同时动作，彼此脱开。也可用人力搬开解钩杠杆，使两钩分解。 7 7 ：连交通，：学t 程硕i j 学f 迂论丈 ： i smsii_ 图1 6 车钩的连挂、闭锁与开锁位 f i 9 1 6t h ej o i na n dc l o s e d o w nl o c a t i o no f c o u p l e 1 2 缓冲器的类型、结构 缓冲器的作用是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 作业使车辆相互碰撞而引起的纵向冲动和震动。缓冲器有耗散车辆之间冲击和震动的功 能，从而减轻对车体结构的作用，提高列车运行的平稳性。 缓冲器的作用原理是借助于压缩弹性元件来缓和冲击作用力，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。 根据缓冲器的结构特点和工作原理，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；弹性胶泥缓冲器；液压缓冲器及空 气缓冲器等。 弹性胶泥缓冲器的工作原理为，在充满弹性胶泥材料的缓冲器体内，设有带环形间隙 ( 或节流孔) 的活塞。当活塞杆受到冲击力时，弹性胶泥材料受压缩产生阻抗力，并通过 环形间隙( 或节流孔) 的节流作用和胶泥材料的压缩变形吸收冲击能量。由于胶泥材料的 特性，冲击力越大，缓冲器的容量也随之增大。当活塞杆上的压力撤除后，弹性胶泥体积 膨胀或利用加设的复原弹簧使活塞回到原位。这时胶泥材料通过环形间隙流回原位。这种 缓冲器的力位移特性曲线呈凸形，与一般摩擦式缓冲器相比，在相同的阻抗力和行程条件 下，它的容量要大得多。 1 。3 密接式车钩和缓冲器安装 城轨用密接式车钩和缓冲器安装于每列车的首尾拖车司机室端部底架下方，它用于与 牵引车的连接( 见图1 7 ) 。牵引杆式半永久密接式车钩和缓冲器安装于车辆端部( 拖车 为非司机室端) 底架下方，用于各车辆之间的连接。这种车钩分带缓冲器牵引杆和无缓冲 器牵引杆两种，分别见图1 8 和图1 9 ，如前者安装于某一车辆上，则后者装于与该车直接 相连的另一车辆上，后者带有可以快速拆卸的连接环，将两节车辆刚性的连接起来，它们 只有在车辆检修需要时才分解。车钩允许车辆在竖曲线上运行。 第一辛崭接式车钩和绥冲器方案 图1 7 半自动密接式车钩安装 f i g 1 7t h es e m i a u t o m a t i ct i g h t l o c kc o u p l e rf i x i n g 1 连挂系统；2 - 连接环；3 - 缓冲器 图1 8 带缓冲器牵引杆安装 f i 9 1 8t h ed m u g h tr o dw i t hb u f f e rf i x i n g 9 ) j r 交通，i 学t 稃硕l ：学位论文 1 4 技术方案 1 4 1 技术方案 图1 9 无缓冲器牵引杆安装 f i 9 1 9t h ed r a u g h tr o dw i t hn o n b u f f e rf i x i n g ( 1 ) 技术路线 结合大连金马轨道公司运用要求，设计半自动密接式车钩、半永久牵引杆、弹性胶泥 缓冲器。进行受力分析、工艺分析，制造样品，进行各种试验以验证设计。 ( 2 ) 技术措施 南车集团北京机车车辆机械厂与南车集团戚墅堰机车车辆工艺研究所联合成立项目 组与南车集团株洲电力机车研究所时代新材合作进行半自动密接式车钩、半永久牵引杆、 弹性胶泥缓冲器的设计及样品制造，利用株洲所、戚墅堰所和国内专业试验设备进行试验 以验证设计。 1 4 2 本选题研究的主要内容和重点 ( 1 ) 钩体设计和结构优化改进 ( 2 ) 钩舌、半自动气路连接器的设计； ( 3 ) 牵引杆结构设计的优化改进及受力分析； ( 4 ) 对密接式车钩铸件包括钩体、安装座、半自动托架和半永久托架进行铸造工艺 设计和固化模拟分析和优化： ( 5 ) 样品制造； ( 6 ) 弹性胶泥缓冲器设计； 1 0 第一幸帑接- 乍钧和绥冲器方棠 ( 7 ) 零件强度校核； ( 8 ) 试验验证，包括对弹性胶泥缓冲器进行常温、低温静态试验，容量试验，耐久 性试验、坚固性试验； 1 4 3 实施技术方案所需的条件 ( 1 ) 技术条件 关键件受力分析； 铸钢件工艺分析 ( 2 ) 试验条件 城轨用密接式车钩连挂试验台 对 z 6 3 0 0 拉力试验机 c d x 1 型磁粉探伤仪 d c f 2 0 0 型床式荧光磁粉探伤机 n e t z s c h 热分析系统 l h a 硬度计 w e 6 0 0 a 万能试验机 1 2 t 落锤试验机 t m e 5 0 型液压疲劳试验机 z j z ( j p ) 0 11 、z d m l 4 0 0 材料试验机 1 4 4 技术关键 ( 1 ) 弹性胶泥缓冲器技术关键 满足双向缓冲要求 满足互换性要求 满足密封要求 满足产品耐久性能和孥固性能要求 ( 2 ) 半自动密接式车钩和半永久牵引杆技术关键 材料选择 结构优化设计 受力分析 静强度试验。 人j 芏交通，：学t 稃硕i 学位论文 篁篡皇皇曼曼曼鼍皇曼曼寡曼鼍曼皇曼曼鼍皇鼍舅曼暑鼍舅舅曼曼量皇曼曼曼曼曼皇量量曼量量皇鼍量曼曼曼曼皇曼蔓量曼皇曼 ( 3 ) 整机技术关键 连挂试验 1 4 5 研究目标 研制的城轨用密接式车钩和缓冲器通过连挂试验、连挂范围试验、气密性试验以及拉 力试验，弹性胶泥缓冲器通过常温、低温( - 4 0 ) 静态试验、容量试验、产品耐久性试 验、坚固性试验和疲劳试验，整机性能优良、可靠，技术达到国内领先水平。 编制半自动密接式车钩和缓冲器技术条件、半永久牵引杆( 带缓冲器) 技术条件、半 永久牵引杆( 无缓冲器) 技术条件。 编制城轨车辆密接式车钩和缓冲器研制报告、技术经济分析报告、标准化审查报告。 项目通过南车集团技术审查。 本章小结 本章分析了目前国内外常见的三种结构形式，介绍了缓冲器的类型、结构，提出了弹 性胶泥缓冲器是国外开发的新型缓冲器，介绍了密接式车钩和缓冲器在城市轨道车辆上的 安装方式。提出了本选题研究的主要内容和重点、技术方案以及实施技术方案所需的条件。 提出了弹性胶泥缓冲器及半自动密接式车钩和半永久牵引杆的技术关键，明确了研究目 标。 1 2 第：帝市接- 中钩j 半永夕、卞1 f 杆设汁 第二章密接式车钩与半永久牵引杆设计 2 1 密接式车钩钩体 两钩连挂时，凸锥插进对方相应的凹锥孔中。这时凸锥的内侧面在前进中压迫对方 的钩舌转动，使拉力弹簧受拉，钩舌沿逆时针方向旋转。当两钩连接面相接触后，凸锥 的内侧面不在压迫对方的钩舌，此时，由于弹簧的作用，使钩舌恢复到原来的状态，即 处于闭锁位置。凸锥与凹锥的配合面带有一锥度，这样有利于两钩之间的对中导向，减 少配合面之间的磨损。 半自动车钩钩体外形见图2 1 ，根据调研分析对部分结构进行了改进： 图2 1 半自动车钩钩体外形图 f i 9 2 1t h es e m i a u t o m a t i cc o u p l e rb o d yf i g u r e 由于半自动车钩为手动解钩，所以现在用的气缸不但不起作用，而且结构复杂、制 作和维护成本高，长时间不同容易锈死，性能不稳定；根据使用要求，将其改为拉力弹 簧，这样安装简单、成本低、维护方便、性能稳定，详见图2 2 。 皇 j 、连交通j j 学t 程硕l 。学位论文 二! 纽继 j 二= = 一，一_ 一 。，? ：，_ 一岁 _ 三虱 l j 计 ” 。，止 二u u 图2 2 改进前后方案 f i 醇2t h ei m p r o v ep r o j e c to ff o r m e ra n dn o w 钩体端面设计如图2 3 ( 改进后) 所示，根据整车只需要总风管连接器，所以钩体 端面只需要设计一个气路接口，这种设计相对于现用的钩体( 如图2 3 ) 改善了钩体的 铸造工艺性和承载能力，降低了加工成本。 f弋一i l ， k 聋囊l j 乜，一i 1 ： 图2 3 钩体端面 f i 醇3c o u p l e re n d 2 2 钩舌 ， 钩舌由4 0 c r 加工而成。 钩舌机械性能为：ob ，6 8 0 m p a ，os ，4 9 0 m p a ，调质硬度：h b 2 3 0 - - 2 8 0 钩舌表面进行磷化处理。 半自动气路连接器 1 4 第：审牢接，卞钩j 半永乡、卞f j f 秆设汁 2 3 半永久牵引杆 半永久牵引杆分带缓冲器半永久牵引杆和无缓冲器半永久牵引杆。无缓冲器半永久 牵引杆主要由凸锥、半永久管和球座三部分组成，相互之间用紧固螺钉锁紧，如图2 4 所示。 2 3 1 凸锥 图2 4 半永久牵引杆结构 f j 薛4t h es t r u c t u r eo fs e m i - p e r m a n e n c ed r a u g h tr o d 凸锥与半永久管之间为螺纹连接。凸锥起导向和支撑的作用，定位装置防止两牵引 杆之间转动。现将定位装置的销子孔设计腰形孔( 图2 5 ) ，这样大大降低了安装难度 和加工难度。而城轨现用的为圆孔，对两种凸锥进行了有限元分析，在1 2 0 0 k n 的载荷 下带圆孔凸锥的最大应力为7 5 7 m p a ，孔边最大应力为3 7 9 m p a ，带腰形孔凸锥的最大应 力为7 6 3 m p a ，孔边最大应力为3 8 5 m p a ，应力水平相差很小( 应力图见图2 6 ，图2 7 ) ， 重要的是相对现用的安装难度减小了。 闭2 5 凸锥原方案雨i 改进斤方室 f i 9 25t h e i m p r o v e p r o j e c to f p r o t r u d e t a p e r 圈2 6 凸锥改进前应力图 f j 9 2 6 t h es l r e $ $ f i g u r e o f f o r m e r p r o t r u d e t a p e r 图2 7 凸锥改进后应力图 f l 鲒7 t h es t r e s s f i g u r eo f p r o t r u d e t a p e r f l o w 232 球座 球座采用4 0 c r 加工而成：球座安装球关节的孔径为巾1 7 2 m m ；与半永久管连接为 螺纹连接。 233 半永久管 半永久管由无缝钢管加工而成； 钢管内表面经过除锈、防锈处理。 234 半永久气路连接器 半永久气路连接器始终处于连通状态，每个连接器内部装有o 形密封圈，管口装有 橡胶密封圈，以保证在两车连挂时压缩空气不泄漏。 本章小结 本章叙述了半自动密接式车钩钩体，钩舌无缓冲器半永久牵引杆的改进设计，对 改进后的凸锥进行了计算机模拟应力分析。 一一一 ，：连交通) ：学丁程硕 学位论文 第三章铸造工艺模拟和优化 密接式车钩铸件包括钩体、安装座、半自动托架和半永久托架；在研制过程中，对 其进行工艺设计，并进行凝固模拟分析，通过计算机进行工艺优化。 3 1 钩体 钩体材质选用e 级钢，形状见图3 1 ，化学成分和力学性能满足表3 1 、表3 2 的规 定，对钩体进行调质处理，且将同一冶炼炉的试棒随炉热处理。 表3 1 钩体化学成分 t a b l e 3 1t h ec o u p l e rb o d yc h e m i s t r ye l e m e n t cs im nspc rn im o o 2 2 - 0 2 8o 2 0 41 2 1 50 0 40 0 40 4 - 0 60 3 5 - 0 5 50 2 - 0 3 表3 2 钩体试棒力学性能 t a b l e 3 2t h et e s ts t i c k sm e c h a n i c sc a p a b i l i t yo fc o u p l e r 6 ba s 5 4王， h ba k v f m p a ) ( m p a ) ( )( ) h b 0 ) - 4 0 8 2 06 9 01 43 02 4 t 2 9 12 7 1 8 f 闰3 l 钩体形状醋 h 驴l f i l | ec o u p l e r b o d ys h a p e f i g u r e 3 2 安装座、半自动托架和半永久托架 安装座、半自动托架和半永久托架选用z g 4 0 c r 材质，化学成分和力学性能见表33 表3 4 的规定。 表3 3z 0 4 0 c r 化学成分 t a b l e 33 z g 4 0 c r c h e r a l s i r je l e m e n t cs 1m nspc r 0 0 3 0 0 3 表3 4z g 4 0 c r 力学性能 t a b l e 34 z g 4 0 c r m e c h a n i c sc a p a b i l i t y 曲甜v ( m p a ) ( m p a ) ( “) f 1 6 3 03 4 51 82 6 安装座、半自动托架和半永久托架选用z g 4 0 c r 材质，化学成分和力学性能见表：j 表3 6 的规定。 表3 5z g 4 0 c r 化学成分 t a b l e3 5 z g 4 0 c rc h e m i s t r y e l e m e a l cs is pc t o3 5 m 4 505 4 ) 8o0 30 0 3 表3 6z g 4 0 c r 力学性能 t a b l e 36 z g 4 0 c r m e c h a n i c s c a p a b i l i t y a bo s 6 4 v r m p a ) ( m p a ) ( ) f 1 6 3 0 3 4 51 82 62 1 2 321 t 艺模拟和优化 采用p r o e 软件进行三维实体几何建模，图3 2 和图3 - 3 分别为安装座和支架的实体 图形。使用m a g m as o f t 铸造分析软件进行充填、凝固和冷却过程模拟分析。 帮拶 酗3 2 安装蓐实体建模 f 2f i x i n gs e a t m o d e l i n g 凹3 3 半自动托架实体建模 f i g , 3 3s e m i - a u t o m a t i cb r a c k e tm o d e l i n g 通过对安装座的模拟，减少了冒口高度以及冒口颈尺寸提高了工艺出品率。 优化前模拟情况如图3 4 所示，优化后的工艺模拟情况如图3 5 所示： 鼍嘉 的结 工艺 一艮畔_ | | t | l ，j 1 i “t 冬滋；。爹、 r 引j 曩? 爨： ?。溪鬻孰i 妒蔫爹；鬻骘 闰3 6 小自动托架优化前方雍 f j 6t h ef o r m e rp r o j e c to fs e m i a u t o m a t i cb r a c k e t 2 l 幽37 优化后方案 f i 9 37t h eo p t i m i z ep r o j e c to fs e m i a u t o m a t i c b r a c k e t ) j l 交通：号：t 程坝1 掌1 一论艾 3 2 2 热处理工艺 对安装座和支架铸件进行正火+ 回火处理，且将同一冶炼炉号的试棒随炉热处理。 3 2 3 铸件制造 按照模拟优化的工艺方案，用水玻璃石英砂制造铸型，铸型表面刷锆英粉涂料以提 高表面质量，合箱前严格检查型腔内砂子是否吹干净。在5 0 0 k g 中频炉中熔炼，共浇注 2 0 件安装座、1 5 件半自动托架和1 0 件半永久托架。铸件清理打磨后，进行热处理，最 后进行喷丸。 3 3 铸件检测 铸造件有钩体、安装座、半自动托架和半永久托架，铸件外观质量符合检验要求， 每个零件表面按g b t 1 5 8 2 2 进行磁粉探伤检查，未发现裂纹。 任意抽查一件安装座和一件半永久托架进行实际解剖，内部未发现缩孔或缩松缺 陷。 随炉试棒进行化学成分和力学性能的检测，钩体的化学成分和力学性能符合要求， 见表3 7 和3 8 。 表3 7 钩体化学成分 t a b l e 3 7t h ec o u p l e rb o d yc h e m i s t r ye l e m e n t cs im nspc rn im oa l 0 2 80 2 91 3 1o 0 1 90 0 1 40 4 90 4 0o 2 40 0 3 3 表3 8 钩体力学性能 t a b l e 3 8t h ec o u p l e rm e c h a n i c sc a p a b i l i t y a bo s甜、l ，h ba k v ( m p a ) ( m p a ) ( )( ) h b ( j ) - 4 0 5 0 9 1 58 0 0 1 65 0 5 2 6 9 5 1 5 0 安装座、半自动托架和半永久托架的化学成分和力学性能符合要求，见表3 9 ，表 3 1 0 。 第二章铸造t 艺槿拟和优化 表3 9 安装座、半自动托架和半永久托架化学成分 t a b l e 3 9f i x i n gs e a ts e m i a u t o m a t i cb r a c k e ts e m i - p e r m a n e n c eb r a c k e tc h e m i s t r ye l e m e n t c s im nspc r 0 4 20 4 10 6 40 0 2 30 0 1 30 9 0 表3 1 0 安装座、半自动托架和半永久托架力学性能 t a b l e 3 10f i x i n gs e a ts e m i a u t o m a t i cb r a c k e ts e m i p e r m a n e n c eb r a c k e tm e c h a n i c sc a p a b i l i t y o bo s6 4 甲 h b ( m p a ) ( m 甲a ) ( )( ) 7 9 54 6 52 14 5 5 2 1 5 ，：j 士交通，：学t 千罕硕i 学位论文 3 4 试验记录 3 3 1 试验报告 一耋：缎翻璧瞄鬈罂缝：笺缓! ：缝鞠! l ! ：垒 。一钟r 一，u 拉啦辱觳 ，趵q ，3 臼上，k ，j ，覆 i 孓$ l l ：e 僻：1 舻【曩 试霸罐l l 、嚎 t 鼻一j n已i “1 互 鬟搿k o 宠 盹 修 k 囊，争l 争 t 继 j i ， 萌僻 o 。口r p | 墓 豫鬣粥 o - 正 讣 黛擐 ， | i ； 凸叩 p 一 隧妊魁脏 辛i c 弱膳 f h i 曩】 8 厶驴 妖： 甜l 誓 ，! 鬈 嗽誓 t 魁城。岛蜱 滞 ji 蠊砸撇 习 埘d 抽 艟、 _ 中i 瞄口蚺艇 色1 盘 鬟鬻钳 才 0p枷参 一 蒯 蕊够缎纵 绷 ， 掰! 岛w 地 嚼侮 嚣i i。磐# 篡曼篡、隰，锄 。i 撮馥 7 挈垃婵撼为 第i 幸铸造t 艺模拟和优化 3 3 2 磁粉探伤报告 中毽南车集巨戚墅堰规车率辆工艺骈究所 试验梭冒中心 避粉掇伤报告 委托攀垃：研发申心 工件名称；孵疆式隼钩 掇告鳊蟹；援f 拳纂0 3 2 0 号 撤镑翳燧：2 0 0 5 颦3 月2 b 臼 一、素样状巷及囊象= 攀钩头菇姻i 后要骥麓囊鄙铸袭隧透蜇磁耪攥辫。 = 箍掇，翰号r 8 只，缓蟹凳躺0 0 1 0 ，3 。0 0 5 ，懈。7 a ，0 1 0 。 三，藤覆骖竣： 掩g b 驰绷锋键体缆撬糍捞厦质蹙浔缀方溯中3 疆验 牧。 暇，撵街技术参数： 1 彀嚣：c 犁罐粉振防仪2 夏键开力f 避键援阔逐 t 0 0 m m 时，懿升力 4 4 n ； 3 ，戳耪：非燕党千法黧磁精，鞍度8 加筋o 融； 哇，试片型母喜a 瑚，1 ； 5 探伤趸镳皮：a - 3 w t 0 0 试嘲碰疆豕 嚣，深俺络聚， 经避船髹份，臻藏藏簇式霉钩蚜襻台g b9 4 4 4 - 8 8 辕难中3 缀 磁鬣整球 梭验 t 炙璜蹈麓倪b 蘩哆黪害：；夕 t 率强盏鹾：。，j 。夕， 援哆阍 ，一 謦+ j ：连交通j ：学丁程硕l 学他论文 3 3 3 化学分析报告 中国带攀熬隧戚墅濯税车攀鬃芏艺骈究所 毵鼍革拉；皮觑9 缝簧 化掌分析报告 繁秀一粤重k 一事篡坦! 望苎 謦 试 i 掌名露：量鐾圭矍坚聋：撞蠹翁一：麴照攀卫月藏日 i 榭辫褒舅 拳饴 l 撂孝 c 曩 ；雀冁甓 p 2s 盘 ! 寰磋专锦 h 爱馆 垂4 0势睾l t 参4”2 jo 0 1 j t 口 私 辛|l l0