铁路货车用锻造钩尾框的开发

铁路货车用锻造钩尾框的开发

姜岩 孟庆民 祝震

摘要：本文简述了铁路货车锻造钩尾框的结构、性能参数、主要尺寸、静强度有限元分析及疲劳寿命评估情况，介绍了锻造钩尾框的特点、制造工艺、相关试验及推广运用情况。

关键词： 货车 锻造  钩尾框  

近十年多，随着我国铁路货车重载提速的不断发展，铁路货车钩尾框疲劳裂纹、断裂事故日益增多，造成列车分离事故增加，制约了铁路货物运输能力的进一步提升和行车安全及运输效率的提高。为提高我国铁路重载提速运输的安全可靠性，齐齐哈尔轨道交通装备有限责任公司（以下简称：齐轨道装备公司）根据2003年铁道部运输局装备部提出的钩尾框“铸”改“锻”的指导意见，联合重庆长征重工有限责任公司开始了锻造钩尾框的研究开发，首次提出了采用锻造工艺方法制造钩尾框的产品技术设计方案，并完成了锻造工艺方案、制造模拟分析的等设计分析工作，先期在南京中盛公司的配合下完成了首件锻造钩尾框样品的试制及相关试验验证工作，在铁科院金化所、戚墅堰工艺研究所、北京交通大学支持配合下，以及南京中盛公司的配合和帮助下完成了制造技术条件的编制工作，经铁道部技术审查批准后于2006年开始批量生产装车使用。

齐轨道装备公司在2004～2008年间先后设计开发了17型、16型和13B型锻造钩尾框，成为我国重载提速货车钩缓技术的升级换代产品，现已在我国新造铁路货车上全面推广使用。试验结果、仿真分析及实际运用情况表明，锻造钩尾框技术达到了世界领先水平。

1 钩尾框的作用及结构特点

车钩缓冲装置是铁路车辆中具有使车辆与车辆（或机车）相互连接、牵引及缓和列车运行中的冲击力等作用的装置，由车钩、缓冲器、钩尾框、从板和钩尾销等零部件组成。

钩尾框是车钩缓冲装置的重要组成部分，是安装从板、缓冲器并承受列车车辆牵引力的关键零件。铁路车辆通过车钩连挂后组成列车，车钩是通过钩尾销与钩尾框连接在一起，车辆间力的传递见图1、2所示。 当车辆受牵引力作用时，力的传递过程为：车钩→钩尾销→钩尾框→缓冲器→从板→前从板座→牵引梁；当车辆受冲击时，作用力的传递过程为：车钩→从板→缓冲器→后从板座→牵引梁。

图1

1-缓冲器；2-车钩；3-钩尾框；4-钩尾销；5-从板

图2  17型车钩缓冲装置

2 锻造钩尾框结构设计与特点

2.1 锻造钩尾框的结构设计

在保证钩尾框的互换性和使用性的基础上，根据有限元结构优化的分析结果，结合锻造工艺的特点在原铸造钩尾框结构基础上进行了改进设计；由原铸造一体式结构改为主体结构锻造、整体为组焊式结构，将钩尾框设计拆分钩尾框框体和连接板两部分，经模锻、组焊成钩尾框。焊缝的位置是根据有限元结构优化的分析结果选在钩尾框的头部低应力区内，不影响钩尾框的强度及使用寿命，见图3所示。在保障产品使用性能及功能的前提下，充分考虑并满足了锻造工艺的特点及需要，并可降低制造成本和提高生产能力。

锻造钩尾框整体为长回字形空心框体结构，框体为模锻U型结构；要求在锻造过程中保证框板和尾部的金属纤维流向与钩尾框的受力方向一致；为提高尾部弯角处制造质量，要求采用加工方法制造；同时，为提高生产效率，结合锻造工艺特点，在锻造钩尾框的结构设计上取消了原铸造钩尾框上的工艺及减重孔。

图3  16型、17型钩尾框的应力云图

16型、17型锻造钩尾框分别与16型、17型车钩配套使用，是17型、16型铸造钩尾框的更新换代产品。16型车钩通过钩尾销与安装在钩尾框内的转动套连接，由于转动套可以在钩尾框内实现360°转动，从而实现了车钩与尾框的相对转动功能。17型、16型锻造钩尾框见图4。

                              图4  17型、16型锻造钩尾框

13B型锻造钩尾框改变了原13系列铸造钩尾框螺栓承载钩尾销的型式，采用插入式销托承载钩尾销，提高了钩缓系统的安全可靠性，可防止钩尾销脱落后引起的列车分离事故。13B型锻造钩尾框及插托如图5所示。

图5  13B型锻造钩尾框及插托

2.2 锻造钩尾框特点

1)疲劳寿命长,可靠性高

由于锻件的致密度优于铸件，可避免因铸造工艺引起的砂眼、气孔、缩松等特有制造缺陷，尤其是能保证和提高钩尾框尾部弯角部位的制造质量，可明显提高钩尾框的疲劳寿命和可靠性、明显降低钩尾框裂纹发生率，能够有效地防止因钩尾框断裂引起的列车分离事故，为列车运行安全提供了技术保障。 

2)结构强度高

锻造钩尾框采用E级锻钢制造，最小极限载荷为4005kN，其结构设计强度与铸造钩尾框强度相当，但实际结构强度明显高于铸造钩尾框。在保证产品的可靠性前提下，通过优化分析，将原传统的“铸造一体式结构”设计成了“锻造组焊式结构”，确保其强度分别与16、17型、13系列车钩缓冲装置具有良好的匹配关系。

3)互换性好

16、17型、13B型锻造钩尾框可与现有16、17型、13系列钩尾框（铸造）互换，与现有16、17型、13系列车钩缓冲装置配套使用，具有较好的互换性；16型锻造钩尾框同时能满足翻车机作业的要求。

4）减少检修工作量，降低运用成本。

由于锻造钩尾框结构强度高、耐磨性能好、疲劳寿命长，因此可降低运用、定检工作量和费用，符合铁路货车检修制度改革的发展需要。

3  主要性能参数和主要尺寸

钩尾框最小极限载荷                            ≥4005KN

钩尾框最大永久变形（3340KN）                  ≤ 0.8mm

17型锻造钩尾框：

     尾销孔直径                              φ92 +0.87 -0.35mm

     尾销孔中心至尾部内侧承载面距离         740.5 +1.0 -1.8mm

     框身内挡高度                              235 +3 -1mm

     自重                                     102.2kg

     用途                          70t级、80t级新造货车

16型锻造钩尾框：

     头部内圆直径                           φ270 +0.2 -1.5mm

     框身内挡高度                             235 +3 -1mm

     钩尾销托承载面至尾框中心距离             161+1.5   0mm

     牵引面到尾部承载面距离                   834± 2mm

     自重                                        126kg

     用途          适用于不摘钩翻转卸货的重载各型货车

   13B型锻造钩尾框

         钩尾销孔长度                             106 +1.0 -0.8mm

     框身内挡高度                             235 +3 -1mm

     钩尾销孔前端至尾部内侧距离               777 +3.0   0mm

     自重                                      100kg

     用途                钩载重60t级各型货车及特种货车

4  静强度有限元分析及疲劳寿命评估

在技术方案设计时，为保证锻造钩尾框的结构强度和疲劳寿命具有较好的可靠性，齐轨道装备公司对17、16型锻造钩尾框和13B型锻造钩尾框进行了静强度有限元分析，另请北京交通大学对各种钩尾框的疲劳寿命进行评估分析。

4.1 17型锻造钩尾框

根据有限元分析分析结果，在万吨列车第一工况的1780kN纵向牵引力下，17型锻造钩尾框与铸造钩尾框应力对比见表1。

表1 17型锻造钩尾框与铸造钩尾框应力对比   单位：Mpa

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