1、 专业知识分享版使命：加速中国职业化进程 摘 要：通过分析产品在厂内的运输需求，根据生产条件的特点，设计了一种适合产品的轻量化过渡车钩，并通过有限元分析和实际使用状况，改进了车钩的设计，使其满足产品在厂内的运输使用。关键词：城轨车辆； 运输车钩； 有限元分析； 强度0引言由于被运输车辆（城轨车辆）使用密接式车钩，动力机车（调车机车）多使用国标 13 号车钩，这就需要在被运输车辆（城轨车辆）和动力机车（调车机车）之间加过渡装置，分别与动力机车和被运输车辆结合，从而实现产品的运输。 为满足生产周期要求和达到降低费用的目的，根据产品特点，公司进行自主开发厂内运输过渡车钩就非常必要。 本文以某型地铁工
2、程维护车厂内过渡车钩的设计为例，介绍城轨车辆过渡车钩的研发。1车钩模型的建立通过分析和对比 13 号车钩钩头和密接式车钩钩头的构造和轮廓特点， 找到一种可以使两者结合为一个结构的方案，从而制造出可以在 13 号车钩和密接式车钩之间连挂的过渡车钩。 密接式车钩钩头部分的制作主要为与密接式车钩钩舌配合机械装置的设计，13 号车钩的钩头轮廓比较复杂，设计和制造过程会有一定难度，通过逐段造型设计，可以实现对 13 号车钩钩头的轮廓彷型。1.1密接式车钩模型的建立产品使用车钩为密接式车钩， 其接口形状因各个城市的要求而有所不同， 因此要根据车型的要求提供正确的接口以确认连接可靠的机械装置， 同时又要保证
3、机械装置的简易性，以降低制造成本。本过渡车钩与密接式车钩连接部分设计成可以锁死的机械装置（见图 1） 。安装顺序和安装方法： 将密接式车钩钩体推入工程维护车车钩的突出接口， 使其钩板面与工程维护车车钩板紧密贴合，打开工程维护车车钩钩舌，将钩舌插入密接式车钩钩体的安装孔与工程维护车车钩钩舌锁好后，插入锁板用以塞紧钩舌，并用定位销锁住锁板，最后使用防脱卡（图中未显示）将定位销限位，以防止脱销。 其中钩舌的安装尺寸应做为关键尺寸控制以保证与工程维护车车钩的配合。需解挂时，可以通过拆卸本装置解钩，也可以通过操作工程维护车车钩的解钩手柄进行解钩。1.2 13号车钩模型的建立调车机车使用车钩为 13 号车
4、钩， 为降低制造难度，过渡车钩与 13 号车钩相接的接口制作成钩专业知识分享版使命：加速中国职业化进程 体与钩舌为一体的钢结构，而非可以自行解钩的机械装置，因此设计上既要保证过渡车钩与 13 号钩结合的可靠性，又要保证灵活性。根据 TB/T 1669.4185 13 号车钩轮廓量规标准，且为实现轻量化设计和易于制造，本车钩与 13 号车钩钩舌配合的部分分为三段进行， 其中与钩舌内表面配合的部分采用厚板进行机加工， 与钩舌外表面配合的部分采用薄板成型。由于该部分为一整体结构， 各部分无法实现自由开合，所以与调车机车连挂时，须先解开调车机车的车钩才能与之相接， 解钩也只能通过操作调车机车的提杆装置
5、来实现。1.3车钩合成模型分别制作好密接式车钩部分和 13 号车钩部分后，即可按照调车机车与地铁工程维护车辆的车钩距轨面高度差要求， 对两部分的中心线相对定位并进行合成制作，车钩整体模型如图 2 所示。为保证车钩使用的可靠性， 在车钩的上下面分别加装一个防脱杆， 以防止车钩在运行过程中窜出调车机车的车钩。 安装时应先与密接式车钩相连，后与 13号钩相连。1.4车钩的优缺点本车钩具有以下优点：1）轻便性突出。 由于本车钩完全使用板材进行拼焊，与铸件相比，质量相对减轻（车钩总质量 56 kg） ，只需 2 3 个操作人员在无起重设备的条件下就可以实现过渡车钩的安装和拆卸。2）结构通用性强。 本车钩
6、是两个车钩连挂部分的简单组合， 其高度差可以根据设计任务的变化进行简单调整， 容易满足其它车型的使用要求。 对于车钩接口来说， 调车机车一般会使用 13 号车钩调车， 因此13 号车钩部分的结构在遇到新车型时， 结构不需变化即可使用， 密接式车钩部分会因工程维护车使用车钩接口的变化发生改变， 但通过相应调整即可满足接口要求。但该车钩与密接式车钩相连的部分在使用过程中会有一定的偏心力， 故车钩在使用一段时间后会发生轻微变形， 不过这种变形不会影响工程维护车辆在厂内的调车使用。2有限元分析与评价2.1工况确定过渡车钩主体采用 16MnDR， 其强度极限为 490620 MPa，屈服极限在 315
7、MPa 以上。城轨车辆运营速度为 60 120 km/h，启动加速度为 a1=1 m/s2，制动加速度为 a2=1.2 m/s2。 本过渡车钩仅用于厂内调车使用， 厂内调车最大速度为 v=20 km/h，车辆自重 m60 000 kg，如以运营加速度计，则：工况 1：机车牵引时最大受力 F1=ma1=60 kN；工况 2：机车制动时最大受力 F2=ma2=72 kN；专业知识分享版使命：加速中国职业化进程 2.2计算分析采用 ANSYS11.0 对过渡车钩进行校核计算。 采用45 号单元对车钩钩体进行离散处理，并对小半径圆弧处局部加密网格，共计 153 259 个单元，38 953 个节点组成
8、，网格划分图见图 3。过渡车钩在工况 1 和工况 2 的载荷作用下的应力分布如图 4 所示。由图 4 可知， 过渡车钩在工况 1 和工况 2 的载荷下，最大应力值分别为 903 MPa 和 349 MPa，显然这种结构不能满足使用要求，在实际使用过程中，图中所显示应力很大的位置也有失效发生。因此，就要对应力极大的位置进行设计改进。专业知识分享版使命：加速中国职业化进程 3设计改进从图 4 可以看到，过渡车钩最大应力值分别在密接式车钩部分的钩舌安装板位置和筋板交接的位置，因此对上述部分进行了设计改进，并重新进行计算分析。3.1改进方案通过计算分析， 对过渡车钩的 4 处位置的设计进行了改进（见图
9、 5） 。专业知识分享版使命：加速中国职业化进程 位置 1： 箭头所指位置在焊接时采取较大焊角，并将该焊缝修磨成圆弧状（R6） ，从而减小了应力集中，同时还加大了箭头所指件的宽度，由 35mm 增大到 41mm。位置 2、位置 3：缺口由方形改为圆弧形，且位置 3 的板厚由 10mm 增大到 20mm。 位置 4：通过计算表明该位置所受应力较小，适当减小了厚度（由 25mm 减小到 20mm） ，从而达到了减重的目的。 改进后，车钩质量降低到 55kg。3.2强度计算重新对改进后的设计方案在工况 1 和工况 2 下进行有限元计算，应力分布如图 6 所示。专业知识分享版使命：加速中国职业化进程 从图 6 可以看到，通过改进设计，过渡车钩在工况1 和工况 2 的载荷下， 最大应力值分别为 222 MPa 和245 MPa，且本车钩只用于厂内运输，其启动加速度和制动加速度都远小于正式运行时的加速度， 故强度能够满足该地铁工程维护车在厂内的调车使用， 并有较大裕量。4结束语通过有限元计算分析和对实际调车应用中发现问题的不断解决，过渡车钩在具有轻便性的同时，已完全满足地铁工程维护车辆在厂内的调车使用， 其设计和制造模块也已得到定型， 可为后续地铁工程维护车辆的调运提供保证， 如果对设计结构和机械组成做进一步提升，还可扩大其在城轨车辆调运中的使用。
