车端连接装置是车辆最基本也是最重要的部件组合之一,用于使车辆与车辆、机车或动车相互连挂,传递牵引力、制动力并缓和纵向冲击力。由车钩、缓冲器、钩尾框、从板等组成一个整体,安装于车底架构端的牵引梁内。为了保证车辆连挂安全可靠和车钩缓冲装置安装的互换性,中国铁路机车车辆有关规程规定:车钩缓冲器装车后,其车钩钩舌的水平中心线距钢轨面在空车状态下的高度货车为880毫米(±10毫米)。两相邻车辆的车钩水平中心线最大高度差不得大于75毫米。
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,那么该装置被称为牵引缓冲装置;如果它们的作用分别由不同的装置来承担,则分别被称为牵引连挂装置和缓冲装置。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;缓冲装置用来传递和缓和冲击(压缩)力的作用,并使车辆彼此之间保持一定的距离。
车钩是用来实现机车和车辆或车辆和车辆之间的连挂,传递牵引力及冲击力,并使车辆之间保持一定距离的车辆部件。按开启方式,车钩可分为上作用式及下作用式两种。一般货车大都采用通过车钩钩头上部的提升机构开启的上作用式。按其结构类型,车钩分为螺旋车钩、密接式自动车钩、自动车钩及旋转车钩等。螺旋车钩使用最早,但因缺点较多已被淘汰,密接式自动车钩多为高速铁路车辆所用。中国除在大秦铁路重载单元列车上使用旋转车钩外,现一律采用自动车钩。所谓自动车钩,就是先将一个车钩的提杆提起后,再用机车拉开车辆或与另一车辆车钩碰撞时,能自动完成摘构或挂钩的动作的车钩。
缓冲器用来缓和列车在运行中由于机车牵引力的变化或在起动、制动及调车作业时车辆相互碰撞而引起的纵向冲击和振动。缓冲器有耗散车辆之间冲击和振动的功能,从而减轻对车体结构和装载货物的破坏作用。缓冲器的工作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征和工作原理的不同或根据缓冲介质的不同分为以下几种类型:摩擦式缓冲器(又名钢弹簧缓冲器,含摩擦圆簧式、润滑式缓冲器)、橡胶缓冲器(含弹性体缓冲器)、摩擦橡胶式缓冲器、胶泥缓冲器、液压缓冲器及空气缓冲器(含液气缓冲器)和组合式(几种吸能材料的组合)缓冲器等。摩擦缓冲器由前、后两部分组成,货车用前部一般为环弹簧,后部为内、外环弹簧,彼此以锥面相配合,两部分之间有弹簧座板分隔。环弹簧两滑动斜面间的摩擦力用来起到吸收能量的作用。当缓冲器受力压缩时,使各环相互挤压,这时外环弹簧中就储存了大部分的冲击能量;同时各内外环簧的斜面之间因相互摩擦而将一部分冲击能变成热能。当外力除去后,各环簧之间又产生摩擦,将所储存能量的一部分再一次转变为摩擦热能而消散,因而起到了缓冲和减振的作用。橡胶缓冲器的头部为楔块摩擦部分,由3个形状完全相同且带倾斜角的楔块,压头和箱体等部分组成,楔块介于压头与箱体之间,整个缓冲器封闭在箱体内。橡胶缓冲器是借助橡胶分子内摩擦和弹性变形起到缓和冲击和消耗能量作用的。为了增大缓冲器容量,在头部装有金属摩擦部分,借助3个带有倾角的楔块,在受压时与箱体及压头间各接触斜面产生相对位移,因摩擦而消耗冲击能量。
车钩缓冲装置由车钩、缓冲器、钩尾框、从板等零部件组成。车钩由钩头,钩身、钩尾3个部分组成、车钩前端粗大的部分称为钩头,在钩头内装有钩舌、钩舌销,锁提销,钩舌推铁和钩锁铁。车钩后部称为钩尾,在钩尾上开有垂直扁锁孔,以便与钩尾框联结。为了实现挂钩或摘钩,使车辆连接或分离,车钩具有以下3种位置,也就是车钩三态:①锁闭位置。车钩的钩舌被钩锁铁挡住不能向外转开的位置。两个车辆连挂在一起时车钩就处在这种位置。②开锁位置。即钩锁铁被提起,钩舌只要受到拉力就可以向外转开的位置。摘钩时,只要其中一个车钩处在开锁位置,就可以把两辆连挂在一起的车分开。③全开位置。即钩舌已经完全向外转开的位置。当两车需要连挂时,只要其中一个车钩处在全开位置,与另一辆车钩碰撞后就可连挂。旋转车钩的构造与普通车钩不同,钩尾开有锁孔,钩尾销与钩尾框的转动套连接。钩尾端面为一球面,顶紧在带有凹球面的前从板上。当钩头受到扭转力矩作用时,钩身连同尾销以及转动套一起转动。旋转车钩现在只安装在专为大秦铁路运煤单元组合列车设计的车辆上。这种车辆的一端装设旋转车钩,另一端装设固定车钩,整列车上每组连接的两个车钩,两两相互搭配。当满载煤炭的车辆进入卸煤区的翻车机位时,翻车机带动车辆翻转180°,将煤炭倾倒出来。旋转车钩可以使车辆翻转卸货时不摘钩连续作业,缩短了卸货作业时间。
中国货车上采用的车钩类型有2号、13号、16号(图1)、17号车钩(图2),其中2号车钩已不能适应运输的要求,已逐步淘汰;为了降低列车纵向冲动,改善列车的动力学性能,在13号车钩的基础上改进研制了13A型、13B型车钩。新造60吨级铁路货车已全部采用高强度的13B型车钩。随着列车运行速度提高和牵引吨位的增加,铁路货车车钩正向着可靠性高、强度高和耐磨性能好的方向发展。
图1 16型车钩与缓冲装置
图2 17型车钩与缓冲装置
因钩尾框必须与车钩配套使用的特殊性,其技术发展基本与车钩技术的发展同步。
以前在中国铁路货车车辆上所采用的缓冲器,一般为2号环弹簧缓冲器、MX-1橡胶缓冲器和3号摩擦式缓冲器等。缓冲器的性能直接影响着列车的牵引总重、运行速度、货车的总重、编组作业效率、货物的完好率等涉及铁路运输效能的主要技术经济指标。决定缓冲器特性的主要参数是:缓冲器的行程、最大阻抗力、容量及能量吸收率等。随着中国列车运行速度和牵引总重的提高,对缓冲器容量、性能提出了更高的要求。
中国货车缓冲器的技术发展与车钩的技术发展过程略有不同,基本满足了中国铁路运输及货车技术的发展需要,主要有ST型、MT系列、HM系列、HN-1型等缓冲器。2002~2008年是中国开展重载货车缓冲器研发的特殊阶段,相继开发了HM-1型、HM-2型、HN-1型、YQ-1型等大容量货车缓冲器,整体上提高了中国货车缓冲器的研发技术水平和能力,缩小了与国外先进技术的差距,完善了相关技术标准。