地铁车辆车端连接装置设计(共56页)

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1、精选优质文档-倾情为你奉上摘 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，其中以地铁车辆系统最为典型且应用最广。车端连接装置是地铁车辆最基本也是最主要的部件之一，其作用是连接机车车辆、减缓列车的纵向冲动（或冲击力）、传递列车电力、通信控制信号和连接列车风管。本课题针对我国地铁车辆的要求，对车端连接装置进行了系统分析。其中对密接式车钩与列车风挡进行了着重研究。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。风挡装置不仅要美观舒适,还应具有良好的纵向伸缩性和横向、垂向柔性,以承受和适应车辆之间在运行中的

2、错动和冲击，保证列车安全通过曲线和道岔。因此地铁风挡的选型必须满足上述要求。关键词：地铁；密接式车钩；风挡；设计ABSTRACTDeveloping the city truck traffic system has become the main route to solve the problem of city traffic, which subway system is the most typical one. The connecting device is one of basicparts of metro vehicles. It links each vehicle of

3、 the train,reduces pull force or impulsive force at the running and translate task of train,transfers the train power,control signal.and links the train pipes.In order to satisfy the requirement of the metro vehicles in our country, systems analysis has been taken for the connecting device,which foc

4、uses on the tight-lock and the train windshield. The automatic tight-lock coupler adopted spring set for manual separate lock and replacement. The semiforever traction rod fix buffer and unfix buffer adopted long round whole structure. The casting parts include coupler body, fixing seat, semiautomat

5、ic coupler bracket and semiforever bracket have carried into execution with casting technologic designed and simulative concreting analysis. The elastic rubber mud buffer has the characteristic of more capability ,less impedance force ,high absorb rate. The high pressure and hermetical structure ens

6、ure the hermetic capability and the running life. Windshield device not only should be beautiful and comfortable, but also has a good vertical and horizontal scalability, vertical flexibility to withstand and adapt to the vehicle in operation between the dislocation and impact, to ensure train safet

7、y through the curves and turnouts.Therefore,the selection of the subway windshield must meet the above requirements.Keywords： metro，tight-lock coupler，windshield，design目 录第一章 绪论11.1车端连接装置简介11.2车钩缓冲装置的发展历程21.3风挡装置简介41.4本课题主要研究的内容5第二章 密接式车钩简介62.1地铁车钩装置62.2地铁车钩的性能特点62.3北京地铁密接式车钩72.4上海地铁密接式车钩82.5 BSI-CO

8、MPACT型密接式车钩10第三章 密接式车钩相关设计133.1国内地铁车钩的结构与原理133.2车钩的连挂分解原理173.3车钩壳体强度分析203.4钩舌、钩锁连接杆和中心轴强度分析243.5拉杆的研制情况27第四章 地铁风挡相关设计294.1国内外客车风挡发展状况294.2地铁列车风挡的性能要求344.3气密式风挡的技术要求354.4地铁列车风挡结构研究41第五章 结论与展望44致谢45参考文献46附录1：外文翻译47附录2：翻译原文50专心-专注-专业第一章 绪论1.1 车端连接装置简介车端连接装置是车辆最基本的也是最重要的部件组合之一，起作用是连接机车车辆、减缓列车的纵向冲动（或冲击力）

9、、传递列车电力、通信控制信号和连接列车风管。最初的车端连接装置知识一副简单的挂钩，并无缓冲装置可言，至今仍能从欧洲铁路的链子钩上发现它的缩影。为了减轻车辆冲击，开始采用带缓冲装置的车端连接装置。随着列车技术装备的进步，车端连接装置的性能不断提高，其型式也不断变化。至今，已形成了形式多样，能适应各种机车车辆需要的车端连接装置。车端连接装置主要包括车钩、缓冲器、风挡、车端阻尼装置、车端电气连接装置等，一些货车和动车组上还使用牵引杆装置。现今的客、货车辆上均装有车钩和缓冲器，通常将二者合称为车钩缓冲装置，其实车端连接装置中起牵引连挂和冲击作用的主要部件。风挡和车端阻尼装置仅在客车车辆上使用，而牵引杆

10、则是随着重载运输发展起来的新型的铁路车辆连接方式，其一般仅运用在重载货车车辆上，电气连接器是列车动力和控制通讯的重要设备。在车钩缓冲装置中，如果牵引连挂和缓和冲击的作用是由同一装置来承担的，那么该装置称之为牵引缓冲装置；如果它们的作用分别由不同的装置来承担，则分别称之为牵引连挂装置和缓和装置。牵引连挂装置用来实现车辆之间的彼此连接、传递和缓和牵引（拉伸）力的作用；缓冲装置（缓冲盘）用来传递和缓和冲击（压缩）力的作用，并且使车辆彼此之间保持一定的距离。按照牵引连挂装置的连接方式，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，非自动车钩则要由人工完成车辆之间的连接。我国铁路车辆均

11、采用自动车钩。自动车钩又可分为两种基本类型：非刚性车钩和非自动车钩。非刚性车钩允许两个相连接的车钩在垂直方向上有相对位移，当两个车钩的纵轴线存在高度差时，连接着的两钩呈阶梯形状，并且各自保持水平位置。刚性车钩不允许两相连接车钩在垂直方向彼此存在位移，但是在水平方向可产生少许转角，如果在车辆连接之前两车钩的纵向轴线高度存在偏差，那么在连挂后，两车钩的轴线处在同一直线上并呈倾斜状态。两车钩的尾端采用销接，从而保证了两连挂车辆之间的位移和偏角。 刚性车钩减小了两个连接车钩之间的间隙，从而大大降低了列车运行中的纵向冲动，提高了列车运行的平稳性，同时也降低了车钩零件的磨耗和噪声。另外，刚性车钩有可能同时

12、实现车辆间的气路和电路的自动连接、非刚性车钩结构简单，强度高，重量轻，与车体的连接较为简单。我国铁路一般客、货车均采用非刚性的自动车钩，对于高速列车和城市的地铁和轻轨车辆则应采用刚性的自动车钩，即密接式车钩。我国铁路客车所采用的风挡装置包括铁风挡、橡胶风挡及密接式风挡。其中，铁风挡的密封性、安全性、保温性以及隔热性均较差；而橡胶风挡的密封性能比铁风挡有较大程度的提高，并具有良好的纵向伸缩性和横向、垂向弹性，能适应车辆通过曲线和缓冲振动。随着客车运行性能进一步提高，较好地解决了传统列车连接处噪声大、灰尘多、气密性差以及保温、隔热不良等问题。列车运行速度的提高使得车体的摇头、侧滚等振动问题更加突出

13、，成为影响列车运行品质的主要因素。车端阻尼装置主要起着衰减车辆间相对振动的作用，其对车辆各个自由度振动的约束作用显得尤为重要，能大大提高运行舒适度。车端阻尼装置一般指除了车钩缓冲装置以外的车辆端部具有阻尼特性、能够衰减车辆间相对振动的连接设备，其中最主要的是车端减振器。车端减振器包括纵向减振器和横向减振器。其中，纵向减振器主要是衰减车体间大的相对点头及纵向运动；横向减振器主要衰减车体间的相对横移摇头和侧滚运动。牵引杆装置作为新型的题录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物列车上采用了牵引杆装置。由于牵引杆装置取

14、消了车钩，减轻了重载列车的间隙效应对纵向动力学性能的影响。此外，车端电气连接装置和总风软管连接器也是车端连接装置的重要组成部分，且对列车的运行和安全起着举足轻重的作用。车端电气连接装置包括电力连接器、通信连接器、电空制动连接器等。其与邻车的连接器相连，以沟通列车的供电回路、通信回路和电空制动回路。客车或货车制动时需要风（压缩空气），客车的风动门、空气弹簧、集便器等设备的正常工作也需要风，而总风软管连接器就是连接相邻车的总风管，以便机车向客车或货车供风。1.2车钩缓冲装置的发展历程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一定距离，并且传递和缓冲列车在运行中或在调

15、车时所产生的纵向力和冲动力。现代车钩起源于1873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1888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。1929年，柴田卫氏提出了密接式车钩的设计方案，1931年完成了研制和现车试验，1932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1938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

16、chafenberg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BSI-COMPACT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

17、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40，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。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

18、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，不能满足其使用要求，必须采用密接式车钩缓冲装置。另外高速动车组车辆编组小，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。发展高速动车组交通系统已成为我国解决城市交通问题的必由之路，高速动车组交通车辆的产业化是我国机车车辆工业的重要工作之一，而高速动车组

19、车辆关键零部件的国产化是高速动车组交通车辆产业化的重要保证，研制适合我国高速动车组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SHARKU公司、瑞典Dellner Coupler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。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200km/h提速、货车提

20、速至160km/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。1.3风挡装置简介为了防止风沙、雨水侵入车内及运行时便于旅客安全地在相互连挂的车辆间通过在车辆两端连接处装有风挡装置。我国的客车风挡有帆布风挡、铁风挡、国际联运铁风挡、橡胶风挡、单层密封折棚式风挡、密接胶囊式风挡等型式。帆布风挡用于22型客车及一些老型客车上，由帆布折棚组成。特点为结构简单，维修方便，但不太美观且易损坏。铁风挡是我国现有客车上保佑量最大的风挡，该型风挡为客车通用件，分KT10-00-74、KT228-00-76两种形式，前者用于

21、部分21型客车上；后者主要用于我国主型客车22、25型车上。特点为结构简单，车辆之间连挂方便。但风挡噪声大，磨损及腐蚀严重，维修量比较大。25型客车广泛采用铁风挡装置。国际联运铁风挡结构型式类似于上述铁风挡，但风挡面板较宽，用于我国与俄罗斯、蒙古等国家的国际联运客车，其优缺点与上述铁风挡基本相同。橡胶风挡由左右立橡胶囊、横橡胶囊、橡胶垫、防晒板、缓冲装置等组成。25型提速客车即25K型系列客车采用橡胶风挡。单层密封折棚式风挡取消了原来型式的折棚柱及渡板，配有专用渡板，且把渡板包在风挡内。主要结构件为折棚、连接架、拉杆、四连杆式渡板、挂钩、板簧、锁盒等，用于提速客车及动车组，优点为外形美观、密封

22、性能好；缺点为连挂不太方便，车端阻尼小，耐候性较差。随着我国铁路运输业的快速发展，对旅客列车的安全舒适性提出了更高的要求。对于提速客车，风挡装置不仅要美观舒适，还应具有良好的纵向伸缩性和横向、垂向柔性，以承受和适应车辆之间在运行中的错动和冲击，保证列车安全通过曲线和道岔。尤其是200km/h以上的高速客车用风挡，对气密性、隔声性要求更高。密接胶囊式风挡就是为200km/h以上的电动车组研制的，主要由风挡座、胶囊、对接框、风挡悬挂装置、内饰板、渡板、手动夹紧装置等组成。1.4 本课题主要研究的内容全文共分为五章，各章的主要内容如下：第一章主要介绍地铁车端连接装置的组成部分，包括车钩缓冲装置、风挡

23、等部件，并介绍了我国在该领域的发展情况；第二章主要介绍了作为地铁车钩主要形式的密接式车钩的发展状况以及当今各国主要运行的四种车钩型号；第三章介绍了密接式车钩的结构、工作原理，并通过分析计算获得了壳体、钩舌、钩锁连接杆和中心轴的强度值；第四章介绍了风挡的发展历程、各种类型，并对密接式风挡进行了着重研究。第五章总结了全文的研究工作，给出了存在的问题和进一步研究的方向。第二章 密接式车钩简介2.1 地铁车钩装置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

24、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。城市地铁和轻轨车辆的车钩缓冲装置常采用机械气路、电路均能同时实现自动连接的密接式车钩。这种车钩属刚性自动车钩，它要求在两钩连接后，其间没有上下和左右的移动，而且纵向间隙也限制在很小的范围之内（约12mm）。这对提高列车运行平稳性、降低车钩零件的磨耗和噪声均有重要意义。同时，由于车钩的连挂精度大大提高，在列车连挂和分解时，钩缓装置也能自动地实现列车间空气管路的自动连接和分离。密接式钩缓装置能保证列车连挂的可靠性、运行的舒适性和安全性。密接式车钩的构造和工作原理与一般车钩完全不同，目前世界上较为先进的密接

25、式车钩主要有四种结构形式：第一种为日本新干线高速列车上所采用的柴田式密接式车钩，我国北京地铁车辆的车钩均属此列；第二种为Scharenberg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，深圳地铁一期列车亦装用这种车钩；第三种为德国的BSI-COMPACT型密接式车钩；第四种是进口的上海地铁及轻轨车辆所采用的SCHAKU型结构的密接式车钩。目前，国内外地铁车辆列车组车钩的配置情况基本相同：单元内车辆之间的连接车钩均采用半永久车钩（牵引杆）； 单元之间的连接车钩均采用半自动车钩；编组之间的连接车钩均采用全自动车钩。半自动车钩和全自动车钩均要求自动机械连挂、 自动气路连挂。车钩内装有

26、能量缓冲和吸收装置，和车体的连接处装有过载保护装置。2.2 地铁车钩的性能特点 2.2.1 间隙 目前世界各国的地铁列车普遍采用密接式车钩，使两车钩连接面的纵向间隙小于2mm，上下、左右偏移也很小，这为提高列车的运行平稳性和电气线路、风管路的自动对接提供了保证 2.2.2 载荷 车钩缓冲装置在列车中起传递纵向力的作用，应具有足够的强度和刚度。从地铁车钩的承载状况看，其主要受力部件为钩舌、钩锁连接杆和中心轴。其主要受力部件必须在850kN时不能屈服，因为其方式与我们现在使用的旧型车钩承载方式不同，旧型车钩为整体承载，在拉压工况下均由钩体上的凸锥承载，钩舌的强度有较大富裕，薄弱部件为钩体。而新型车

27、钩在受压时由钩体承载，受拉时主要由钩舌、钩锁连接杆和中心轴构成的平行四边形机构，并传递至钩体承载 （受力关系见图2.1），而钩体上的凸锥牵引时不受力。因此钩舌、钩锁连接杆和中心轴这 3 个零件的强度格外重要图2.1 新型车钩受力关系图2.2.3 自动摘挂与定位 由于地铁列车密封性能的要求，以及风管、电气连接系统的安装和连挂的不方便。因此，密接式钩缓装置必须实现自动连挂和分解，手动功能仅限于在自动功能失灵的特殊情况下使用；电气和风管的自动连接或手动整体连接还要求车钩有自导向入位功能，且入位后各接头之间的相对位置要比较准确。 2.3北京地铁密接式车钩北京地铁车辆的密接式车钩缓冲装置见图2.2车钩的

28、连挂与分解作用原理如图2.3图2.2 密接式车钩缓冲装置 图2.3 密结式车钩作用原理1-钩舌；2-解钩风管连接器； 1-钩头；2-钩舌；3-解钩杆。3-总风管连接器；4-截断赛门； 4-弹簧；5-解钩风缸。5-钩身；6-缓冲器；7-制动风管连接器；8-电器连接器。它由密接式车钩、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。车辆连挂时，依靠两车钩相邻钩头上的凸锥和凹锥孔相互插入，起到紧密连接作用，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。两钩连挂时，凸锥插进对方相应的凹锥孔中。这时凸

29、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40。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。2.4 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置结构如图2.4。图2.4 上

30、海地铁全自动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置由机械连接、电气连接和气路连接三部分组成。机械连接部分设于钩头中央，电气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40，最大垂向摆角为5，以满足车辆过水平曲线和竖曲线的要求。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

31、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2.5所示。图2.5 上海地铁自动车钩作用原理（a）待挂状态；（b）闭锁状态；（c）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；10-解钩风缸。（a）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

32、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。（b）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。（c）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

33、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。2.5 BSI-COMPACT型密接式车钩BSI-COMPACT型密接式车钩结构如图2.6所示。图2.6 BSI-COMPACT型密接式车钩1-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。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广泛应用。这种车钩钩头的壳体设有凸锥体和凹锥孔，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

34、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承体。这种车钩也有待挂、闭锁和开锁三个位置，其作用原理如图2.7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。图2.7 车钩的连挂、闭锁与开锁位

35、第三章 密接式车钩相关设计3.1国内地铁车钩的结构与原理参考国外SCHAKU 型等车钩的成功经验，现将国产化的3种类型密接式车钩分别介绍如下。3.1.1 全自动密接式车钩 全自动车钩能在一组车向另一组车低速移动联挂时，实现两组车的机械、气路、电路的自动连接。车钩之间的连接（机械、气路和电气系统）可自动分解或人工手动分解。车辆分离后 , 车钩即处于待联挂状态。全自动密接式钩缓装置联挂部分（见图3.1）由机械连接、电气连接和气路连接3部分组成。机械连接部分居中，电气连接器分设在左右两侧，中心轴下方为风管连接器。机械连接部分（见图3.2）由钩体13、中心轴11、钩舌10、钩锁连接杆12、钩锁弹簧14

36、、钩舌定位杆5、定位杆顶块9及压簧7以及解钩风缸1等组成。钩体的前部一半为凸锥体，另一半为凹锥孔，在连接时分别和相邻的车钩凸锥体和凹锥孔互相插入，起连接导向作用；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；钩舌呈不规则曲线形状，设有供连接时定位和供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，使钩舌定位在待挂或解钩状态；定位杆顶块顶动钩舌定位杆实现两钩的联挂。全自动电气连接器由左右电气箱组成，分设于钩体两侧，并可前后移动，电气箱外部装有保护罩，当两钩连接时，车钩的凸轮

37、带动一个二位五通阀控制其机械传动机构，电气箱可推出使其端面高于车钩端面，电器连接器的机械传动机构处于死点状态，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。左右电气箱内的触点分为固定触点和弹性触点，保证电气连接时密接可靠。风管连接器设有主风管接头和解钩风管接头。主风管配有主风管自动阀，在解钩时可自动切断气路，在连接时可自动接通气路。解钩风管始终处于联通状态，由司机操纵电磁阀控制管路的通断，达到两钩风缸同时充气自动解钩或解钩后气缸排空的目的。 图3.1 全自动密接式钩缓装置联挂部分1-钩体总成；2-全自动电器连接器；3-全自动电器连接器传动装置。图3.2 密接式车钩机械连接部

38、分结构示意图1-解钩风缸；2-钩舌定位杆弹簧支座组成；3-定位块；4-钢丝绳组件；5-钩舌定位杆；6-中心销；7-压簧；8-钩体定位杆；9-定位杆顶块；10-钩舌；11-中心轴； 12-钩锁连接杆；13-钩体；14-钩锁弹簧。3.1.2半自动密接式车钩 半自动密接式车钩见图3.3。图3.3 半自动密接式车钩1-电器连接器传动控制机构总成；2-电器连接器总成；3-钩体总成。半自动车钩能在一组车向另一组车低速移动挂钩时，实现两组车的机械、气路的自动连接但电气连接由人工进行操作。半自动密接式钩缓装置联挂部分的机械连接和气路连接与全自动密接式钩缓装置完全相同，其电气连接不完全一样。其电气箱盖的开闭机构

39、与全自动车钩相同，但接线方式、头数目、头类型、头排布与全自动车钩的电气箱完全不同。另外，半自动车钩电器箱的传动机构（见图3.4）与全自动车钩不同，全自动车钩靠气缸来实现电气箱的推动，而半自动车钩的电器箱靠齿轮、齿条传动机构来实现。3.1.3半永久密接式车钩半永久密接式钩缓装置用于地铁车辆之间的半永久连接，一套车钩由两部分组成，分别安装在相邻两车上。其中一辆车上的车钩设有缓冲器，另一辆车上是刚性牵引杆。它带有可以方便、快速拆卸的连接环，使两辆车具有完好的刚性连接，半永久密接式钩缓装置由人工操作，现气路和电路的连接。半永久密接式钩缓装置的联挂部分也由机械连接、电气连接和气路连接3分组成。机械连接部

40、分居中，电气连接器分设在牵引杆气路接头支架的下端，气路接头在牵引杆的一侧。图3.4 半自动车钩电器箱开关机构传动图1-支撑板；2-齿轮锁闭开关；3-小齿轮轴；4-小齿轮；5-转臂；6-大齿轮轴；7-大齿轮；8-电器箱摆臂总成；9-连杆；10-下摇臂；11-上摇臂；12-轴；13-齿条座；14-齿条。图3.5 带缓冲器半永久车钩机械连接靠人工连接实现，对中装置中的销轴允许车辆之间相对转动，以适应在水平曲线和竖曲线上运行。气路连接通过两个车钩气路接头的密封环紧密结合，实现完好的连接。电气接头通过固定在轴上的压簧固定，以实现连接。它的电气接线箱无自动开闭机构，其接线方式、触点数目、触头类型、触头排布

41、均与半自动车钩的电气箱不同。图3.6 刚性牵引杆3.2车钩的连挂分解原理自动车钩有待挂、连接（即闭锁）和解钩3种状态，其中解钩状态分为手动解钩状态和风动解钩状态，其作用原理如图3.7图3.10所示。3.2.1待挂状态（见图3.7）图3.7 车钩待联挂位示图1-钩体；2-钩锁连接杆；3-解钩气缸；4-钩舌定位杆；5-定位块；6-定位杆顶块；7-钩舌。此图为车钩联挂前的准备状态，此时钩舌定位杆被固定在待挂位置，钩锁弹簧处于最大拉力状态，钩锁连接杆退至凸锥体内，钩舌的钩嘴对着钩头的正前方。3.2.2 联挂状态（闭锁）（见图3.8）图3.8 车钩联挂位示图相邻车钩的凸锥体伸入对方车钩的凹锥孔并推动定位

42、杆顶块，定位杆顶块推动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。这是两钩的钩锁连接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。3.2.2 解钩状态解钩状态分为气动解钩状态和手动解钩状态。（1）手动解钩状态（见图3.9）当车钩无法采用气动解钩，或在厂内检修时（如图3.9所示）必须采用手动解钩方式。手动解钩时，用手拉动解钩拉环，带动解钩钢丝绳、手动解钩曲柄组成、中心轴，带动钩舌转动，当松开钢丝绳后，钩舌定位杆被定位

43、杆顶块扣住，可使车钩保持在手动解钩状态，完成解钩过程。当两钩分离后，顶块所受外力消失，在两个压缩弹簧作用下，顶块退回到初始状态，定位杆被固定在待解位，车钩恢复到待挂状态。（2）气动解钩状态（见图3.10）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，使相邻车钩的钩锁连接杆脱开钩舌，同时使自身的钩锁连接杆克服钩锁弹簧拉力缩入钩头凸锥体内，脱离相邻车钩的钩舌，这时定位杆顶块推动钩舌定位杆使钩舌处于解钩状态。当两钩分离后，定位杆顶块由于弹簧作用复位，钩舌定位杆回至待挂位，车钩又恢复到待挂状态。图3.9 手动开钩时车钩全开位示图图3.10 气动开钩时车钩全开位示图由此可见，虽然

44、称之为车钩的三态作用，但实际上有4个状态。从图3.9和图3.10中可以清楚地看到手动解钩和风动解钩时，钩舌定位杆与顶块的相对位置有微小的区别，这是该型车钩设计的手动开钩在松开钢丝绳后得以保持待挂位的奥妙所在。3.3车钩壳体强度分析3.3.1 车钩壳体实体模型 车钩壳体是安装车钩内部连接零件和车辆间连挂设备的关键零件。车钩壳体主体采用铸造成型，内部有许多铸造圆角，忽略小的倒角和铸造圆角以保证在强度分析的时候不会产生应力集中。为了计算方便，也忽略了壳体外部的焊接件。下面采用三维实体建模软件solidworks来建立密接式车钩壳体的实体模型，由于壳体为整体铸造，内部型腔复杂，所以采用Solidwor

45、ks的“模具”工具进行造型。首先建立壳体外形，命名为“壳体外形Prt”，壳体外形是在圆锥的基础上进行“拉伸切除特征”造型；然后建立壳体内部型腔实体，命名为“壳体型腔Prt” 两个实体零件模型建立完成后，以“壳体外形Prt”为实体基础，利用模具工具在选定的分型面上采用“型腔”工具在“壳体外形Prt”内部去掉“壳体型腔Prt”。生成的实体模型如图3.11所示。 图3.11 车钩壳体实体模型强度分析一般分为三个步骤：网格划分、施加边界条件、运算及后处理。本文就按照这三个步骤进行强度计算，计算的目标是保证壳体满足最大强度要求。 3.3.2划分网格 由于车钩壳体厚度不均并且厚度较大，所以适合采用实体网格

46、划分壳体。实体网格类型为抛物线四面体单元，由四个边角节点、六个中侧节点和六条边线来定义H1。对于壳体关键过度区域划分网格时采用细化的方法，保证不会因为网格畸变而产生应力集中。细化部分网格单元大小为4mm，其他部分为9mm，采用雅可比4点检查网格。区域网格划分后共生成73400个单元，个节点， 个自由度。如图3.12所示。 图3.12 车钩壳体有限元模型3.3.3边界条件 这里只考虑壳体承受车辆间的纵向载荷，所以只受拉伸载荷和压缩载荷。壳体设计强度为890MPa，所以分析时施加载荷以设计强度为准。壳体材料为ZG35CrMo，壳体经过热处理，表面喷丸强化，强度极限 620MPa，分析时取620MP

47、a为应力极限。根据材料性能可知材料的弹性模量E=210GPa，泊松比A=0.28。壳体在承受拉伸载荷时主要是壳体尾部的圆锥面和壳体连接中心杆的孔承受载荷和约束。考虑到车钩连挂之后可能存在间隙，所以拉伸载荷分两种边界条件。一种是尾部圆柱面施加铰接约束、尾部端面施加固定约束，中心孔施 加轴承载荷。边界条件如图3.13所示；另一种是尾部施加拉伸载荷，中心孔固定，如图3.14所示。壳体在承受压缩载荷时主要是壳体前面板和尾部端面承受载荷和约束。同样考虑到间隙的存在，分为前面板承受压缩载荷，尾部端面固定，如图3.15所示；前面板约束，尾部端面承受压缩载荷，如图3.16所示。 图3.13 中心孔承受拉伸载荷

48、图3.14圆锥面承受拉伸载荷图3.15前面板承受压缩载荷图3.16 尾部承受压缩载荷3.3.4结果后处理 由于壳体结构复杂，所以计算结果按照第四强度理论取值。 （1）中心孔承受拉伸载荷 壳体在承受如图3.13的拉伸载荷时最大应力出现在如图3.17，所示应力云图上，最大应力=583.58MPa，根据= 620MPa可以看出，在此种载荷下满足强度要求。图3.17中心孔承受拉伸载荷应力云图（2）圆锥面承受拉伸载荷 壳体在承受如图3.14的拉伸载荷时是考虑到尾部圆柱面与连接环存在间隙而中心孔位置装配的内部零件紧密配合。最大应力出现在如图3.18所示的应力云图上，最大应力 =569.2MPa，且 ，可以

49、看出在此种载荷下满足强度要求。 图3.18圆锥面承受拉伸载荷应力云图（3）前面板承受压缩载荷 前面板构造复杂，如连挂接口基本上不承受载荷，所以划分网格之前必需对前面板受力区域进行划分。受力区域采用solidworks中“分割面”功能对前面板进行划分，载荷只加载在受力区域。进行强度计算之后，最大应力出现在如图3.19应力云图所示的位置，最大应力为=576.23MPa满足强度要求。图3.19前面板承受压缩载荷应力云图（4）尾部承受压缩载荷 按照图3.16所示进行强度计算后，壳体最大应力出现在图3.20应力云图所示位置，最大应力=597.8MPa，且，同样满足强度要求。 图3.20尾部承受压缩载荷应

50、力云图3.3.5结论 壳体在承受拉压载荷时分别进行两种边界条件的计算，一方面考虑到车钩实际装配时可能存在间隙的问题，另一方面为了进行分析结果对比，验证分析结果的正确性。通过计算得出不论是承受拉伸载荷还是压缩载荷，壳体的最大应力位置都出现在壳体尾部的圆柱面。下表列出了不同载荷和边界条件下的最大应力。通过比较同种载荷在壳体装配时不存在间隙以及存在间隙的情况下壳体的最大应力以确定壳体是否满足强度要求。 壳体承受拉伸载荷时，图3.13(中心孔承受拉伸载荷)计算的最大应力比图3.14(尾部圆锥面承受拉伸载荷)计算的最大应力大25，壳体在两种边界条件下都满足强度要求。 表3.1 强度计算结果载荷方式边界条

51、件最大应力（Mpa）约束位置载荷位置拉伸尾部圆锥面中心孔583.58尾部圆环面中心孔583.58压缩中心孔尾部圆锥面569.2前面板尾部端面576.23尾部端面前面板597.83.4钩舌、钩锁连接杆和中心轴强度分析从地铁车钩的承载状况看，其主要受力部件为钩舌、钩锁连接杆和中心轴。其主要受力部件必须在850kN时不能屈服，因为其方式与我们现在使用的旧型车钩承载方式不同，旧型车钩为整体承载，在拉压工况下均由钩体上的凸锥承载，钩舌的强度有较大富裕，薄弱部件为钩体。而新型车钩在受压时由钩体承载 , 受拉时主要由钩舌、钩锁连接杆和中心轴构成的平行四边形机构，并传递至钩体承载（受力关系见图3.21），而钩

52、体上的凸锥牵引时不受力。因此钩舌、钩锁连接杆和中心轴这3个零件的强度格外重要，所以对其进行了有限元分析。图3.21新型车钩受力关系图图3.22、3.24、3.26分别为钩舌、中心轴和钩锁连接杆的实体模型，图3.23、3.25、3.27 分别为钩舌、中心轴和钩锁连接杆承受850 kN力时的应力云图。其结果见表3.2。图3.22 钩舌实体模型图 图3.23 钩舌应力分布图图3.24 中心轴实体模型图 图3.25 中心轴应力分布图图3.26 钩锁连接杆实体模型图 图3.27 钩锁连接杆应力分布图表3.2 强度计算结果名 称承受载荷/ kN最大应力/MPa钩舌850942中心轴850807钩锁连接杆8

53、501162从有限元分析的结果来看，牵引状态下车钩的最薄弱环节在钩锁连接杆的牵引柱处，因此，我们对拉杆从材料的选取到制造工艺等进行了重点研究。3.5拉杆的研制情况从拉杆的使用情况和要求来看拉杆材料必须具有良好的综合性能：高强度、足够的韧性、良好的焊接性能和机加工性能。通过采用多种材料进行试制，最后选用了两种航空材料，均为低合金超高强度结构钢，热处理后具有良好的综合性能。3.5.1制造工艺的选择 从拉杆的结构来看，由于拉杆牵引柱中心到拉杆的另一端连接中心线近 300mm，如果整体制造，要保证拉杆牵引柱的圆柱度，在机床上难于实现，因此必须将拉杆分开加工，然后焊接，再热处理，再加工，但这种分体式的结

54、构强度难以保证。且拉杆的结构精度要求很高，这也给加工带来了困难。3.5.2设计的两种方案 （1）方案1将上下拉杆和拉杆牵引柱加工后焊接，为避免焊后变形，除了对拉杆牵引柱与上下拉杆连接处焊接，另外只能焊接拉杆牵引柱的前端位置，如图3.28所示，在d1不能改变的情况下，必须在上下拉杆和牵引柱之间的强度取得最优化的匹配结果。因为上下拉杆的薄弱环节为厚度处，为拉伸破坏，而拉杆牵引柱的薄弱环节为d2-d1的阶梯型过渡处，有明显的应力集中，为剪切破坏，通过对、d2、d1、h 多个参数的比选优化取得了一组最佳值。（2）方案2将上下拉杆切断，分别加工后，开V型坡口焊接的型式（见图3.29），焊接完成后再使用钳

55、工手工修磨拉杆牵引柱的形位公差。图3.28 拉杆方案1 图3.29 拉杆方案2参照有关的外国技术标准，对车钩提出的是屈服强度标准，这一点和国内不同，经分析由车钩的结构决定的。由于从前文知道车钩受力的薄弱环节为车钩拉杆，我们进行了多次的方案研究和试制，最后选定的两种结构方案取得了较为满意的结果（见表3.3）。表3.3 强度试验结果断裂载荷/ kN换算后的屈服载荷/ kN制造工艺方案1540432试件精度较好方案2595476较复杂，保证试件精度有困难由于实际运用工况中，拉杆呈平行四边形机构承载，因此，方案1可以承受864 kN的屈服载荷，方案2可以承受952kN的屈服载荷，都超过了技术要求的85

56、0kN的屈服极限要求，而且在单件强度试验中由于工装不能保证试件受实际最有利的工况承载，因此实际进行整体强度试验时拉杆的强度应高于试件试验强度。考虑到国内制造工艺的水平，尽管第二方案制造较复杂，但为安全起见，建议按照第二方案进行正式产品的生产。第四章 地铁风挡相关设计4.1国内外客车风挡发展状况4.1.1 国外客车风挡发展状况国外高速列车运输方式不同,车辆的类型也不同,动车与拖车的连挂、拖车与拖车的连挂型式也不同。即使同一种连挂型式,不同车种,风挡结构也各异。德国ICE、法国TGV、日本新干线等高速客车风挡和国际UIC橡胶风挡等是世界高速车辆风挡的基本类型,其型式各有特色、结构各不相同,现举例介

57、绍如下。德国ICE城间高速列车的最高运行速度达到406.9km/h，客车采用气密性好,并连同车钩装置全部包容在内的双波纹风挡,周边密封。所谓密封是相对而言,高速客车风挡是密封很好的设备,但还有剩余不密封的情况。例如,风挡连接框的滑动面和渡板处；双波纹风挡受到振动、拉压变形时发生体积变化,从而产生压力变化的不密封。结构合理的气密风挡,剩余不密封对车内的气密影响不是主要的。ICE/V型风挡由内外间隔组成。外层间隔外端面采用球形铰定位连接结构,以承受过曲线时车体之间的相对位移。它由三部分组成,用纤维增强合成材料制成,与车体轮廓相吻合,连接面的中部呈现凹球形簿壳,凸球形的对应件在凹球形内滑动。间隔的端

58、平面与车体端墙用螺钉连接。在球形铰处用空心橡胶型材密封,为了提高气密性,还可以充入压缩空气。球形铰连接能保证车体各种相对位移,以达到车辆间距离的改变,为此,连接面内设有橡胶型材的弹性件。内间隔以弹性波纹件组成,周边密封。渡板结构是铰接栅搭板。在内外间隔的壁板间安装有连接件,车辆高速运行中起防振的作用。车辆在运行中,风挡通道净宽度基本相同,从视觉上感到宽敞。滑动风挡是把车钩装置全部包容在内的双波纹结构。风挡的外端连接面为滑动面,利用弹簧的压力保持滑动面连挂后的持续压紧。滑动面的宽度应根据车辆横向位移情况,确保覆盖滑动面,而不发生横向错位缝隙。渡板固定在车端墙上,可向上翻起。当车辆运行在曲线或道岔

59、时,风挡的滑动面发生横向错动,此情况应予解决。该风挡适用于不分解的动车组。双层波纹风挡能满足压力密封、耐压强度高和隔声的要求,外层波纹件和内层波纹件在折叠时反方向对着。两车端墙面间距离为700mm,比ICE/V型风挡缩小600mm,即为车厢客室增加的空间。风挡周边封闭,在运行中通道净宽度1100mm几乎不变。渡板采用铰接栅搭板,防止曲线运行时出现缝隙。考虑空气动力学需要,在车端外形轮廓处设有弹性护板,使车辆端墙间隙降到最低限度,确保车辆在曲线线路上运行灵活,从车外看,避免了两车间的深凹。双波纹风挡有整体结构和连接面内分体结构。1990年5月,TGV高速列车创造了速度为515.3km/h的世界记

60、录,这是采用高新技术的结果。为了进一步降低运行阻力,采取了许多有效措施,其中关节式车辆之间采用伸缩性气密风挡,即为有效措施之一。TGV高速客车的关节式车体风挡结构中,有一个承重金属框及一个固定金属框,两金属框之间由全波纹密封件连接,下部有一个转动盘,用于保证两车厢地板之间的衔接。该风挡结构可使车体自由活动,两车厢横向错动量很小,借助两车体共用的一个转向架,保证两相邻车厢之间贯通力的传递和牵引。固定金属框用螺栓固定在一个车体上,承重金属框通过两翼板置于转向架的空气弹簧上。全波纹密封件位于牵引钩上日本新干线高速客车最高速度达350km/h。客车车端采用全波纹气密风挡,它具有良好的伸缩性能,能保持气

61、密性和水密性。车内侧设有内衬以使平面平滑,易于清洁。风挡由金属框、安装框、全波纹密封件和外罩等组成,牵引装置在风挡下部,使用维修比较方便。该风挡在车端侧墙处设有挡板。全波纹密封件一端与安装框压缘处连接,另一端与金属框压缘处连接,安装框安装在车体端墙的支座上。金属框的一侧设有暗销,另一侧设有暗穴,两车连挂时,保证两金属框对中。金属框两侧利用连接紧固件密封,防止风雨进入车内。国际UIC式橡胶风挡由左右立橡胶囊、横橡胶囊、防晒板和渡板等组成。橡胶囊是把弹性橡胶件的两边夹固在内外压铁之间,用螺栓安装固定在车端墙上。利用弹性橡胶囊的特殊形状和密封垫,可防止雨雪、尘土等进入车内。渡板可以向上翻起。防晒板设在横橡胶囊上部,以防护橡胶囊。横橡胶囊设有上下导雨条,防止雨水滴在旅客身上。立橡胶囊设有异缘,以便与折棚连接。4.1.2 国内客车风挡发展状况（1）铁风挡我国铁路在90年代以前的客车多采用铁风挡连挂。 铁风挡存在的主要问题是：（1）气密性差，风、沙、雨、雪、尘埃等杂物极易侵入车内；（2）隔声性差。由于气密性差，风挡间隙大，车辆运行时的噪声直接传入车内；（3）风挡装置本身产生噪声；（4）铁风挡隔热