城市轨道交通车辆全自动车钩过载保护装置比较

李春明　张英福　徐 园

（中国中车株洲电力机车有限公司技术中心，412001，株洲∥第一作者，硕士研究生）

城市轨道交通车辆全自动车钩过载保护装置比较

李春明张英福徐 园

（中国中车株洲电力机车有限公司技术中心，412001，株洲∥第一作者，硕士研究生）

摘 要从结构型式、过载保护触发、安装方式、可维护性等四个方面，对地铁车辆全自动车钩的三种过载保护装置（鼓型套筒式、螺栓内剪切式、螺栓内拉断式）进行了比较分析。建议在地铁车辆中采用螺栓内剪切或螺栓内拉断式前部安装的全自动车钩。

关键词地铁车辆；全自动车钩；过载保护装置

Author＇s address R&D Center，CRRC Zhuzhou Electric Locomotive Co.，Ltd.，412001，Zhuzhou，China

全自动车钩是一种自动机械连接、自动气路连接和自动电路连接车钩，可在司机室操作，自动解钩；气路故障时，可用解钩专用工具解钩。车钩能量吸收部分由弹性变形吸收能量的缓冲器和不可恢复变形吸收能量的压溃管组成。过载保护装置用于列车在超速连挂或者受到强烈冲击所受外力超过标定值时，使车钩脱离车体安装板向后回退，以使车体上的防爬器互相咬合。如图1所示，当一列AW0（空载）的列车以大于15 km∕h的速度与一列AW0处于停放制动的列车相撞时，全自动车钩尾部区域过载保护装置动作，使车钩脱离车辆推向后部，列车前端车体底架司机室前端吸能区吸收剩余能量，以保护乘客安全。

因此，全自动车钩过载保护装置的选型是地铁车辆设计的重要内容之一。本文从结构型式、过载保护触发、安装方式、可维护性等四方面，对鼓形套筒式、螺栓内剪切式、螺栓内拉断式三种过载保护装置进行比较分析，并给出选型建议。

图1　列车前端能量吸收示意图

1　结构型式比较

全自动车钩过载保护装置从结构上分为鼓形套筒、螺栓内剪切、螺栓内拉断三种型式。其中，鼓形套筒式是在车体与车钩之间设置过载保护装置，设置有独立的退出导轨；螺栓内剪切和螺栓内拉断式是在车钩内部缓冲器与轴承安装座外壳之间预装过载保护装置，由于轴承安装座已集成了退出导轨的功能，故无需在车钩安装时安装调节过载保护装置，车钩过载保护后停留在钩尾座外壳内，不会掉到轨道。因此，螺栓内剪切和螺栓内拉断式过载保护装置相对于鼓形套筒式过载保护装置结构更精简。

1.1鼓形套筒式过载保护装置

鼓形套筒式过载保护装置由鼓型套筒、安装轴承座、退出导轨组成，如图2所示。鼓形套筒安装在车钩安装螺栓与车钩安装面之间，车钩发生过载保护时通过鼓形套的压缩变形实现能量吸收，并使车钩安装螺栓与车钩体脱落，从而实现过载保护功能。缓冲器连接钩身和车体底架。

图2　鼓形套筒式过载保护装置

1.2螺栓内剪切式过载保护装置

螺栓内剪切式过载保护装置由8个内剪切螺栓、安装轴承座、缓冲器组成，如图3所示。过载内剪切螺栓将缓冲座与安装轴承座连接起来。过载保护触发时，使EFG3缓冲座与车钩安装座分离，从而实现过载保护。轴承座内的轴颈允许车钩发生水平摆动。在出现巨大撞击时，轴颈和缓冲器之间的紧固螺钉将会剪切，车钩通过车辆底架下的轴承座。

图3　螺栓内剪切式过载保护装置

1.3螺栓内拉断式过载保护装置

螺栓内拉断式过载保护装置由4个拉断螺栓、安装轴承座、缓冲器组成，如图4所示。

图4　螺栓内拉断式过载保护装置

缓冲器通过4个拉断螺栓组装在缓冲器壳体上。当车钩缓冲装置在正常牵引状态时，牵引力通过缓冲器壳体传递，过载保护螺栓并不承受牵引力。4个拉断螺栓安装在缓冲器拉杆四周，且以车钩中心线为轴心对称分布，故4个拉断螺栓承受的纵向冲击力完全相同。

2　过载保护触发比较

对于螺栓内剪切和螺栓内拉断式过载保护装置，当碰撞剪切装置可随车钩体一起摆动时，只承受沿车钩方向上的纵向力，以保证更为准确触发。过载保护触发后，橡胶支撑和对中装置可与缓冲器壳体脱开，并不随缓冲器一起向后退行，这样过载力不受橡胶支撑和对中装置剪切力的影响，使过载保护的触发力更稳定。内置剪切车钩的过载保护触发力是预置好的，过载保护触发力浮动范围更小。

2.1鼓形套筒式过载触发方式

如图5所示，当两列车碰撞达到预置的触发力，鼓形套筒式过载保护装置全自动车钩的缓冲器及安装轴承座与车体脱落，沿着导轨向后部退出，使车辆前部吸能区相接触，以此实现过载保护功能。鼓形套筒安装需要专用工具施加额定的预紧力。对维修人员要求高。如果安装不到位，会导致预紧力误差大，影响车钩过载保护时的触发力。因此，鼓形套筒过载保护装置的过载保护触发力受到人为的影响因素较大，较难控制。此外，缓冲器可沿着安装轴承座的轴颈转动，实际碰撞时，缓冲器的纵向碰撞力与全自动车钩安装的鼓形套筒的触发力不在平行线上，存在横向分力，在压溃管未触发的情况下，可能存在单个鼓形套过载触发的现象。

图5　鼓形套筒式过载保护装置过载保护示意图

2.2螺栓内剪切式过载触发方式

如图6所示，当车钩缓冲器受到的压缩载荷达到过载保护装置的额定触发力时，过载保护螺栓发生切剪断，车钩在压缩力的作用下向后运动，从而使钩缓装置与车体牵引梁分离，橡胶支撑与轴承座分离，车钩通过车辆底架下的轴承座，实现过载功能。之后，列车的其他能量吸收装置将可以启动。此外，碰撞时剪断螺栓可随车钩一起摆动，只承受沿车钩方向上的纵向力，缓冲器与轴承座之间的剪切螺栓将同时被剪断。

图6　螺栓内剪切式过载保护装置过载保护示意图

2.3螺栓内拉断式过载触发方式

如图7所示，在车钩受压缩载荷状态下，当压缩载荷达到过载保护装置额定触发力时，过载保护螺栓发生断裂，车钩与车体安装板脱离，车钩向后运动。

图7　螺栓内拉断式过载保护装置过载保护示意图

过载保护装置的关键元件是位于缓冲器尾部的4个拉断螺栓。通过4个拉断螺栓的断裂，使得钩缓装置内部结构与车体牵引梁分离，从而使受冲击车辆的防爬器和车体吸能区发挥作用。在这个过程中，拉断螺栓随车钩一起摆动，只承受沿车钩方向上的纵向力，并不承受横向的扭转力和剪切力。这保证了过载保护装置被触发时，4个螺栓同时被拉断。

3　安装方式比较

根据安装方式的不同，车钩分为前装式车钩与后装式车钩。结构设计时，前装式车钩与后装式车钩仅安装座不同，与使用功能和性能相关的如连挂、解钩及能量吸收可保持一致。两种车钩都可根据实际使用要求对连挂钩头和缓冲吸能装置进行具体配置和结构设计。前装式和后装式全自动车钩的安装结构如图8、图9所示。

前装式车钩安装时仅需4套紧固件将车钩直接安装到车体上，车钩安装座的安装面与车体安装面贴合，拧紧螺栓即可完成安装。后装式车钩安装时首先需要使用4套紧固件将车钩安装到车钩板上，然后通过2块围板和8套紧固件将车钩板安装到车体上。与后装式车钩相比，前装式车钩方案省去了车钩板、围板和车钩安装紧固件的安装，结构更加简单，质量减轻约100 kg。鼓形套筒式过载保护装置仅能采用前安装型式，螺栓内剪切式和螺栓内拉断式过载保护装置前安装和后安装型式都可采用。

图8　前装式全自动车钩安装结构

图9　后装式全自动车钩安装结构

4　可靠性对比

采用内置剪切过载保护装置的车钩仅需安装车钩的4个安装螺栓，然后打上扭力便可完成安装。内置剪切车钩的过载保护触发力是预置好的，其主要受到拉断螺栓或剪切销的制造误差影响，浮动范围较小。采用鼓形套筒过载保护装置的车钩安装时还需安装导轨，且鼓形套筒需要专用工具施加一定的预紧力，对维修人员要求高。如果安装不到位，会导致预紧力误差大，影响车钩过载保护时的触发力。因此，鼓形套筒过载保护装置的过载保护触发力受到人为的影响因素较大，较难控制。

5　可维护性比较

5.1安装工艺对比

采用内剪切的前安装式车钩的安装工序为：使用4个螺栓、螺母和垫块将车钩安装到车体上，打扭力，完成安装。

采用鼓形套筒后安装式车钩的安装工序为：①将退出导轨安装到车体上；②将上下车钩板固定到车钩上；③通过车钩板将车钩安装到车体上；④通过液压夹紧装置给鼓形套筒施加预紧力，拧紧螺母，完成安装。拆除是安装的逆过程。

由此可以看出，采用鼓形套筒后安装式车钩安装螺栓多了8套，且过载保护需要使用液压夹紧装置，夹紧力约200 k N，通过齿轮机构锁紧螺母，安装复杂，安装时间较内剪切的前安装式车钩多出了1倍。

5.2日常维护

日常维护时，采用鼓形套筒后安装式的全自动车钩需要检查鼓形套筒是否有松动，若存在松动不得再次拧紧，且需更换新件。采用螺栓内剪切和螺栓内拉断前安装式的全自动车钩过载保护力相对较集中，在压溃管未被触发的情况下可保证过载保护装置不被触发。因此，采用鼓形套筒式过载保护装置需经常对鼓型套筒进行检查维护，增加了日常的工作量。

5.3大修维护

大修时需要对缓冲器的弹性吸能元件进行更换，全自动车钩需整个拆下，过载保护装置也需拆装。将全自动车钩从车体上拆卸下来时，采用鼓形套筒后安装式的全自动车钩需先将退出导轨、车钩板、围板拆卸，再将带过载保护装置的紧固件松脱，取下全自动车钩；采用螺栓内剪切和螺栓内拉断前安装式的全自动车钩仅需将4套紧固件松脱，就能将车钩从车体取下。可见，采用鼓形套筒后安装式的全自动车钩紧固件多，且过载保护需要使用液压夹紧装置，安装拆卸复杂，维护时间将会多出约1倍。

6　结语

综上所述，相比鼓形套筒式过载保护装置，螺栓内剪切和螺栓内拉断式前部安装的全自动车钩结构简洁，过载保护触发准确可靠、浮动范围小，安装方式简单、质量轻，可维护性强。因此，在地铁车辆中，推荐采用螺栓内剪切或螺栓内拉断式前部安装的全自动车钩。广州地铁7号线车辆项目采用了螺栓内拉断式前部安装的全自动车钩方案。

参考文献

［1］ 王瑞，佟振兴.沈阳地铁二号线电客车半自动车钩介绍及连挂问题分析［J］.城市建设理论研究，2012（13）：22.

［2］ 钟春华.新型地铁全自动车钩［J］.科技经济市场，2010 （5）：26.

［3］ 陈浩铭.浅谈天津地铁车钩缓冲装置的结构与工作原理［J］.城市建设理论研究，2013（23）：37.

［4］ 谢素超，田红旗，周辉.耐冲击地铁车辆设计及整车碰撞研究［J］.铁道科学与工程学报，2008（5）：8.

Comparative study on Automatic Coupler Overload Protection Device of Metro Vehicle

Li Chunming，Zhang Yingfu，Xu Yuan

AbstractAutomatic coupler overload protection device of metro vehicle is firstly studied from 4 aspects：the structure type，overload protection trigger，installation and maintainability.Then，3 kind of protection devices（drum sleeve type，bolt internal shear type and bolt internal break type）are comparatively studied.On this basis，the bolt internal shear type and bolt internal break type are recommended for the automatic coupler overload protection of metro vehicles.

Key wordsmetro vehicle；automatic coupler；overload protection device

中图分类号U 270.34

DOI：10.16037∕j.1007-869x.2016.01.029

收稿日期：（2014-07-01）