一種出口型緊湊式車鉤托梁裝置研制

于鵬 張繼堯

（中車制動系統有限公司 山東青島 266031）

本文提出的緊湊式車鉤托梁裝置是針對出口美國費城的雙層不銹鋼客車研制的。美國費城項目雙層不銹鋼客車使用H型密接車鉤（見圖1），車鉤托梁主要起到支撐車鉤的作用，同時，車鉤托梁可以滿足車鉤水平及垂向擺動要求。目前，國內外常用的車鉤托梁裝置結構復雜、重量大、外形笨重。本項目提供的車鉤托梁裝置需滿足美國AWS 焊接標準，操作需滿足AAR 及APTA 操作規程，是首次出口美國的車鉤托梁裝置，對強度及重量要求高，設計難度大。

圖1 H型車鉤及托梁裝置結構

首先，針對美國費城雙層客車車鉤托梁的技術需求，提出可滿足設計需求的結構方案，并對支撐彈簧、關鍵零部件材料進行選型。其次，對關鍵零部件的加工、鑄造及組裝工藝進行分析及定型。再次，采用相關軟件對托梁進行功能校核，對設計方案的零部件進行結構強度分析。最后，對試制樣機進行強度、性能等驗證。

1 車鉤托梁裝置基本性能要求

根據出口美國費城雙層客車車鉤托梁技術規范要求，車鉤托梁需滿足如下技術條件。

（1）車鉤托梁需帶有彈簧，兩端設有止擋。

（2）車鉤托梁如采用焊接方式，需滿足AWS 焊接標準。

（3）需適應車體接口，側面或頂面連接。

（4）車鉤托梁可承載車鉤正常水平位置的100000磅（約45360kg）車鉤柄垂直向下的推力，且不會造成永久變形。

（5）車鉤托梁應滿足車鉤水平擺動±26°、垂向擺角±5°。

（6）車鉤托梁裝置重量應遵循輕量化原則，整體重量不超過40kg。

2 產品結構設計及功能實現

2.1 結構方案設計

根據技術條件要求，車鉤托梁采用彈簧支撐方式。為滿足車鉤托梁高強度、輕量化的要求，考慮上、下支撐的加強筋同時作為導向結構，整體使用盒狀結構。在保證強度的基礎上，各零件通過打孔等方式進行減重設計［1］，設計重量約36kg。

車鉤托梁裝置主要由上支撐、下支撐、彈簧、磨耗板和鎖塊等結構組成，通過兩側安裝孔用兩個螺栓與車體進行連接，結構如圖2所示。

圖2 車鉤托梁裝置結構

該結構中，上、下支撐均為盒狀鑄造結構，能夠承受較高強度的載荷。上、下支撐及彈簧預壓后，通過鎖塊鎖定后，即可完成安裝，結構緊湊簡潔，安裝方便。其中，支撐彈簧位于托梁內部，是主要的功能承載結構，其彈性性能需滿足支撐車鉤的設計要求。初始狀態下，支撐彈簧通過彈性銷進行預壓安裝，可以承載車鉤重量；在彈簧彈性變形范圍內（初步設計彈簧行程31mm），托梁可以承載一定載荷；超過31mm 后，上支撐和下支撐底部接觸，強度應能夠承載454kN 的力。上磨耗板的主要作用是減少車鉤移動過程中托梁裝置和車鉤的磨損；側磨耗板位于上支撐的兩端，其作用是限制車鉤的擺動范圍。同時，磨耗板可以減緩車鉤移動過程中的碰撞和震動。

2.2 彈簧選型設計

根據托梁的使用要求，車鉤重量按照250kg計算，根據結構方案，初步選取彈簧技術參數。

（1）旋向：左旋。

（2）長度壓縮到100mm時，力值≥3200N。

（3）有效圈數n=7.25。

對彈簧進行校核，根據胡克定律（F=kx），當壓縮行程為62mm時，力為3200N。本裝置設計彈簧預壓行程31mm，彈簧力為1600N，托梁裝置選用4組彈簧進行承載，其承載力為6400N，能夠支撐車鉤的重量及車輛運行時產生的振動沖擊力，符合設計要求。

2.3 關鍵零部件材料選型

車鉤托梁裝置的上支撐和下支撐為主要承載受力件，材料選擇強度較高的鑄造合金鋼［2］，從而降低零件設計壁厚，實現輕量化要求。限位板上固定有側磨耗板，防止在車鉤擺動的過程中鉤體和限位板之間發生碰撞磨損；上支撐上表面固定有磨耗板，防止車鉤擺動時和托梁之間產生摩擦損耗。上磨耗板及側磨耗板材料采用復合型耐磨材料，材料垂向壓縮強度可達到330MPa以上。

3 產品設計校核

3.1 水平及垂向擺角校核

車鉤托梁應能夠滿足車鉤水平方向擺動±26°、垂向擺角±5°。根據車鉤托梁在車體的安裝位置及H 型車鉤的尺寸［3］，對車鉤托梁進行校核。由圖3可以看出，車鉤水平擺動時，車鉤托梁能夠滿足其擺動，超過26°時，能夠對車鉤擺動進行限制。

圖3 車鉤水平擺角校核

車鉤垂向低頭時，校核最大擺角5°，車鉤轉動中心到托梁中心長度為318mm，彈簧此時的壓縮行程x=318×tan5°=27.8mm，彈簧的設計壓縮行程為31mm，因此，車鉤托梁在垂向上可以滿足車鉤擺動要求。

3.2 關鍵零部件強度計算

為保證車鉤托梁滿足強度要求，對車鉤主要受力零部件進行強度計算，校核其強度是否能夠使用滿足要求，進而對零部件進行詳細設計［4］。

車鉤托梁承受455kN 的垂向力時，彈簧壓縮行程31mm，上支撐與下支撐接觸，主要受力零部件包括上支撐、下支撐。采用ANSYS Workbench 軟件對以上零部件進行有限元分析，有限元模型根據零件實際尺寸建立，并對部分圓角、倒角等細節特征進行簡化，有限元網格離散為四面體單元［5］。根據車鉤托梁裝置的實際裝車狀態及所承受的載荷，對上、下支撐有限元模型施加邊界條件，計算結果的應力云圖如圖4所示。

由圖4的應力云圖可知，上支撐在455kN 縱向靜壓載荷時，最大應力為346.6MPa；下支撐在455kN縱向靜壓載荷時，最大應力為543.3MPa。通過有限元分析可知，車鉤托梁裝置主要零部件在455kN 靜壓工況作用下的最大應力均小于材料的屈服強度690MPa，符合設計要求。

圖4 零件應力云圖

4 試驗分析

為了檢驗研制產品的性能能否達到設計要求，樣機試制完成后，在中車青島四方車輛研究所有限公司靜強度試驗臺，對車鉤托梁裝置進行了承載功能試驗和靜強度試驗，試驗結果滿足設計要求，具體試驗結果如下。

（1）車鉤托梁承載功能試驗。將組裝完成的費城車鉤托梁安裝于專用工裝上（見圖5），模擬裝車狀態。用壓力機分別在托梁左側限位塊內側和右側限位塊內側施加載荷，加壓到7000N 左右時，托梁順利被壓動，繼續施壓至上、下支撐接觸（彈簧到31mm行程），動作過程流暢無卡滯，卸載后，托梁能夠順利回彈。

圖5 車鉤托梁試驗安裝示意圖

試驗時，車鉤托梁的狀態如圖6所示，本文只選取了在左側承載時的狀態。

圖6 車鉤托梁承載試驗

（2）靜強度試驗。對車鉤托梁進行靜強度破壞試驗，將組裝完成的費城車鉤托梁安裝于專用工裝上（見圖7），模擬裝車狀態。用壓力機在托梁中間位置逐步施加載荷，直至托梁的上表面施加載荷至455kN，試驗過程中，托梁未出現明顯屈服［6］，試驗結束后，測量尺寸，未發現屈服變形，圖8和圖9所示為車鉤托梁的試驗狀況。

圖7 車鉤托梁靜強度試驗示意

圖8 車鉤托梁在455kN靜壓時

圖9 車鉤托梁壓力卸載后

5 結論

對出口美國費城的雙層客車的用車鉤托梁的設計、計算校核、試制、型式試驗等研制工作進行研究，可得出以下幾點結論。

（1）車鉤托梁能夠滿足車鉤水平方向擺動±26°、垂向擺角±5°的要求。

（2）車鉤托梁能夠滿足承載車鉤重量的設計要求。

（3）研制的車鉤托梁主要零部件在455kN 靜壓時未發生屈服，滿足設計要求。

（4）研制的車鉤托梁結構緊湊、組裝維護簡便，實測重量為37kg，滿足輕量化設計要求。

綜合上述分析可知，這一新型車鉤托梁符合各項設計指標要求，結構緊湊、重量輕、強度高，能夠滿足出口客車的運用需求，可在國內外鐵路客車上推廣使用。