一种车钩过载保护装置的优化设计.pdf

17研究开发文章编号：1 0 0 7-6 0 34（2 0 2 3）0 4-0 0 1 7-0 3D01:10.14032/j.issn.1007-6034.2023.04.004一种车钩过载保护装置的优化设计殷杰，李家乐，周磊，吴刚（中车制动系统有限公司常州分公司，江苏常州2 1 30 0 0）摘要：全自动车钩过载保护装置是车钩满足碰撞吸能要求、实现列车碰撞面分级吸能的重要部件，其功能的稳定性与可靠性与车辆安全关系密切。文章介绍了3种全自动车钩过载保护装置的工作原理和结构，通过结构受力、触发可靠性、导向能力等方面的对比，分析了3种结构存在的不足，提出了一种优化的全自动车钩过载保护装置方案，该方案增加了导向结构，改善了过载保护元件受力状况，提升了过载保护触发可靠性与稳定性，有效增强了过载保护触发后回退过程中的导向能力。关键词：全自动车钩；过载保护装置；可靠性；拉断螺栓中图分类号：U270.1;TP273文献标识码：B全自动车钩缓冲装置位于列车两端，主要起到连接车辆、传递作用力、缓和纵向冲击力、传递电气信号及连通气路等作用。过载保护装置用于列车超速连挂或发生碰撞时，车钩受到强烈冲击导致纵向力值超出标定值，车钩与车体脱离并向后回退至车体内，车体上预设的防爬器互相咬合作用，实现分级吸收碰撞能量，减缓碰撞并保证乘客及司机安全。车钩过载保护装置是车钩设计的重要内容，为了保证功能安全可靠，设计时对过载保护装置触发力值稳定性、动作可靠性及触发后车钩回退、防爬器咬合等后续动作有较高要求。本文对既有的3种过载保护装置对比分析，并提出一种优化设计方案。1结构与原理介绍目前较为通用的过载保护装置主要有螺栓内剪切式和螺栓内拉断式2 种形式1 ，本文对3种常见的螺栓内剪切式和螺栓内拉断式装置进行对比分析。1.1螺栓内剪切式如图1 所示，螺栓内剪切式过载保护装置由缓冲器、连接轴、剪切螺栓与钩尾座组成。钩尾座预设上、下2 个环形筒部，筒部预设旋转孔，连接轴安装在旋转孔内。缓冲器位于2 个环形筒部内侧，8 根剪切螺栓将连接轴、缓冲器与钩尾座连接起来。连接轴、缓冲器可绕旋转孔旋转，连带车钩实现水平摆动。收稿日期：2 0 2 2-0 3-1 5作者简介：股杰（1 9 8 9 一），男，工程师，硕士当触发过载保护装置时2】,8 根剪切螺栓断裂，缓冲器与钩尾座分离，缓冲器通过钩尾座预设的孔向车体内回退，实现过载保护功能。连接轴缓冲器剪切螺栓钩尾座图1螺栓内剪切式示意图1.2前置螺栓内拉断式如图2 所示，前置螺栓内拉断式过载保护装置由缓冲器、外筒、连接轴、钩尾座和拉断螺栓组成。缓冲器通过4根拉断螺栓与外筒连接，4根普通螺栓将连接轴、外筒和钩尾座连接。缓冲器、外筒与连接轴可绕旋转孔旋转，连带车钩实现水平摆动。当触发过载保护装置时，4根拉断螺栓断裂，缓冲器与外筒分离，缓冲器通过外筒、钩尾座的预设孔向车体内回退，实现过载保护功能1.3后置螺栓内拉断式如图3所示，后置螺栓内拉断式过载保护装置由钩尾座、传动部、纵销和拉断螺栓组成。上、下2个传动件，通过4根拉断螺栓与钩尾座连接，传动部上预设旋转孔，纵销垂直组装在旋转孔内，并通过轴承架与前部的缓冲器相连。当触发过载保护装置时，4根拉断螺栓断裂，缓冲器、纵销连带传动部向后退出，直至钩尾座筒18机车车辆工艺第4期2 0 2 3年8 月研究开发部与轴承架接触，触发下一级吸能装置，实现过载保护功能。纵销普通螺栓钩尾座外筒、缓冲器连接轴传动部钩尾筒部一钩尾座轴承架钩尾座拉断螺栓钩尾座轴承架缓冲器图2 前置螺栓内拉断式示意图图3后置螺栓内拉断形式示意图2过载保护触发对比分析以上3种过载保护方式均选用螺栓断裂形式，结构相似，且均能实现车钩在承受超出标定值的纵向冲击时，螺栓断裂、缓冲器后退并触发下一级吸能装置的功能。但综合列车运行工况与车钩受力状况分析，仍存在触发稳定性、可靠性不高和导向能力较弱等不足。2.1螺栓内剪切式通过有限元分析可知，车钩受到纵向力时，金属零件发生变形导致连接轴前部与后部受力状况不同，前、后部剪切螺栓受到纵向拉力相差较大，如图4所示。在碰撞过程中，车钩会受到超过标定值的瞬时纵向冲击，加剧了连接轴前部、后部剪切螺栓的受力不均，前、后部剪切螺栓受到的弯曲变形量不同，导致螺栓承受不同的弯曲载荷，使得前部、后部螺栓断裂不同步，降低了过载保护触发的稳定性与可靠性。U,Magnitude+2.851e-01+2:625e-01+2398e-01+2:172e-01+1.945e-01+1.719e-01+1.492e-01+1.266e-01+1.040e-01+8.131e-02+5.866e-02+3.601e-02+1.337e-02图4连接轴有限元分析示意图剪切螺栓断裂后，缓冲器与钩尾座脱离，在巨大冲击的作用下从钩尾座预设孔向车体内回退。但是由于未设置导向槽或退出导轨等结构，回退导向能力较差，可能会引起缓冲器与钩尾座碰撞或干涉导致回退卡滞或受阻。2.2前置螺栓内拉断式前置螺栓内拉断式过载保护装置在钩尾座与缓冲器之间设置了外筒作为过渡件。车钩受到纵向力时，金属零件发生变形导致连接轴前部与后部受力状况不同，此处受力不均仅会导致连接轴上的8 根普通螺栓受力不同，无法传递至拉断螺栓。拉断螺栓仅承受缓冲器与外筒件的纵向拉力，因此后置螺栓内拉断式过载保护装置在过载保护触发的稳定性与可靠性优于螺栓内剪切式过载保护装置。拉断螺栓断裂后,缓冲器与外筒脱离，在巨大冲击的作用下从外筒、钩尾座预设孔向车体内回退。但是由于未设置导向槽或退出导轨等结构，回退导向能力较差，可能会引起缓冲器与钩尾座碰撞或干涉导致回退卡滞或受阻。在回退导向能力上，前置螺栓内拉断式与螺栓内剪切式相同2.3后置螺栓内拉断式车钩受到纵向冲击时，纵向力通过纵销传递至传动部，并经由4根拉断螺栓传递至钩尾座上，拉断螺栓仅受纵向拉力，该工况下受力状况优于螺栓内剪切式过载保护装置。因线路情况复杂，列车在运行过程中，不仅会水平方向拐弯，还会出现“爬坡”或“下坡”工况，此时车钩将出现“抬头”或“低头”现象。车钩连接车辆并传递作用力，此时车钩传递车辆间垂直于地面的横向分力。横向分力通过纵销传递至传动件，并由4根拉断螺栓承受。因此在运行过程中，拉断螺栓不仅承受纵向拉力，还存在横向剪切力。复杂交变的载荷会降低过载保护触发的稳定性与可靠性。拉断螺栓断裂后缓冲器、传动部与钩尾座脱离，在巨大冲击的作用下从钩尾座预设孔向车体内回退。但是由于未设置导向槽或退出导轨等结构，回退导向能力较差，可能会引起缓冲器与钩尾座碰撞或干涉导致回退卡滞或受阻。在回退导向能力上，3种过载保护装置结构相同3优化结构设计与分析3.1优化结构设计优化后的结构采用后置螺栓内拉断式，如图5所示。钩尾座预设上、下2 个环形筒部，2 个导向板平行插在钩尾座预设插槽内，并通过4根拉断螺栓连接。缓冲器位于2 个环形筒部内侧，通过上、下2个圆形凸台插在导向板预留的旋转孔内，车钩连带缓冲器可绕着旋转孔旋转，实现水平摆动。如图6、图7 所示，导向板侧面设置环形凸起，并在钩尾座上设置环形滑槽，凸起与滑槽配合使用。组装时将导向板的环形凸起插人钩尾座的环形滑槽19殷杰，李家乐，周种车钩过载保护装置的优化设计磊，等内，形成异形的“键、槽配合”，再使用4根拉断螺栓将导向板固连在钩尾座上。缓冲器拉断螺栓钩尾座导向板图5优化结构设计示意图环形凸起环形凸起图6导向板结构示意图滑槽滑槽图7钩尾座与滑槽示意图3.2优化结构分析在车钩受到纵向冲击时，缓冲器的上、下2 个圆形凸台与导向板的旋转孔配合作用，传递纵向力，拉断螺栓仅承受纵向拉力。在列车“爬坡”或“下坡”时，车钩出现“抬头”或“低头”现象，产生垂直于地面的横向分力，导向板环形凸起与钩尾座滑槽形成的“键、槽配合”，承受了该工况下的横向分力，避免拉断螺栓同时承受纵向和横向载荷，优化了拉断螺栓受力状况，提升了过载保护触发的稳定性与可靠性。另一方面，当拉断螺栓断裂后，缓冲器、导向板与钩尾座松开，导向板上环形凸起与钩尾座滑槽形成的“键、槽配合”确保了缓冲器与导向板只能沿着滑槽向后平行退出，大幅提升了回退过程的导向作用，确保缓冲器不与钩尾座发生干涉或碰撞导致回退卡滞或受阻。为了验证优化结构的可靠性，选取系列化标准地铁全自动车钩进行试验。将试验车钩及配合工装安装在车钩拉压试验台上，用卡环组件连接，如图8所示。组装完成后，启动试验机进行压缩试验，试验机连带配合工装向试验车钩一侧运动，压缩试验车钩直至过载保护装置触发，车钩回退至回退工装内结束。试验台回退工装试验车钩卡环组件配合工装压缩方向图8压缩试验示意图试验过程按照设计顺序触发：压力较小时车钩发生弹性变形，压力持续增加至过载保护装置触发，4根拉断螺栓同时断裂，车钩在导向板导向作用下向后平行回退至工装内，如图9 所示。整个过程中车钩无歪斜且未与钩尾座发生碰撞，试验过程及结果符合要求，取得良好效果。拉断螺栓导向板图9应用效果示意图4丝结束语针对既有全自动车钩过载保护装置存在的不足，提出了一种优化的后置螺栓内拉断式过载保护装置，通过增加“键、槽配合”导向结构，改善了拉断螺栓受力状况，有效提升了过载保护触发的稳定性、可靠性和过载保护触发后回退过程中的导向作用。本文为车钩过载保护装置的触发及动作提供了一种优化设计方案，并在实际应用中取得了良好效果，也为后续产品设计提供了一定的参考。参考文献：【1 李春明，张英福，徐园.城市轨道交通车辆全自动车钩过载保护装置比较J.城市轨道交通研究，2 0 1 6,1 9（1）：1 2 3-1 2 6.【2 许彦强，孙方，肖守讷.轨道车辆被动安全设计中附加式吸能元件的应用J.轨道交通装备与技术2 0 1 6（2）：1=4.