中国铁路货车车钩缓冲装置

4 车辆纵向缓冲与连接技术 4.1 概述

车钩缓冲装置系统是铁路机车车辆的重要组成部分。通过它使铁路货车车辆之间，以及与机车实现连接、编组成列车，并传递和缓和列车车辆间在运行或调车编组作业时所产生的牵引和冲击力。简言之，车钩缓冲装置系统的三大功能是连挂、牵引和缓冲。

车钩缓冲装置系统主要由车钩、钩尾框、缓冲器及从板、钩尾销等零部件组成。连挂、牵引功能是由车钩、钩尾框、钩尾销、从板等来实现的，以保证机车与车辆、车辆与车辆之间能够实现连接、牵引。如图1所示。

图1 车钩缓冲装置系统

车钩作为机车车辆的重要零部件，为了满足运输安全可靠性及提高列车编组效率方面需要，车钩应具有自动连挂功能，既不需要人工辅助就能实现车辆与机车、车辆与车辆之间的安全、可靠的连挂。由于自动车钩具有明显的优越性，世界各国铁路机车车辆在车辆连挂技术方面均采用和选取了研究及不断发展自动车钩及其连接技术。我国铁路货车同样也选择采用了自动车钩及其配套技术和产品。

车钩按结构作用原理分两大类：一类是以美国AAR标准E、F型车钩为代表的具有三态作用性能的自动车钩，这是除欧洲以外世界各国机车车辆采用的主型车钩，也是世界铁路货车的主流车钩；另一类是以俄罗斯标准CA-3型为代表的具有二态作用性能的自动车钩，主要在符合UIC标准要求的欧洲各国铁路机车车辆上广泛使用。由于两类车钩的作用原理不同、特别是连挂轮廓上存在明显不同和差异，因此，两类车钩不能直接连挂和相互互换。

车钩按连挂后的相互关系可分为刚性车钩和非刚性车钩两类。刚性车钩是指两车钩连挂

后不能在垂直方向上下相对移动，在水平面内也只能产生微小的相对转动，车钩间纵向连挂间隙较小、两车钩联锁成近视为一杆体，要求车辆采用具有弹性支撑功能的冲击座，以适应两车钩中心线距轨面高度不一致及车辆通过垂直和水平曲线时车辆连挂的要求，如我国提速重载货车使用的16、17型及F、FR型车钩等。非刚性车钩是指两车钩连挂后相互间能在垂直方向上下移动，在垂直和水平面内能产生小角度的相对转动，以适应两车钩中心线距轨面高度不一致及车辆通过垂直和水平曲线时车辆连挂的要求，如我国13号、13A、13B型车钩，美国的E、E/F型车钩，俄罗斯的CA-3型车钩等。

钩尾框是车钩缓冲装置的主要受力部件之一，在机车车辆上发挥着重要而关键的作用。其主要作用：一是为缓冲器提供安装使用空间，以利缓冲器充分发挥作用；二是与车钩连接并提供安装使用空间，传递纵向牵引力并保证在牵引工况下使缓冲器发挥作用。钩尾框的结构强度大小、疲劳可靠性高低直接影响着铁路运输的安全及运输效率。不同车辆使用不同作用原理和型式的车钩，不同的车钩必须配套使用专用的钩尾框，目前我国货车常用的钩尾框主要有13号，13A型、13B型、16型和17型钩尾框。

缓冲器是车钩缓冲装置的三大主要部件之一，其主要作用：一是吸收列车运行及编组调车作业时机车与车辆、车辆与车辆间的纵向冲动能量，缓和车辆间的冲击，降低车钩纵向力，减轻车辆及所运货物的损坏，改善列车纵向动力学性能；二是降低由纵向冲击力引起的车钩横向分力和车辆脱轨系数，从而提高列车运行的稳定性和平稳性，确保铁路运输安全。目前我国铁路货车常用的缓冲器主要有ST 型、MT-3型、MT-2型缓冲器，近几年我国研制开发了几种重载货车用大容量缓冲器，如HM-1型、HM-2型和HN-1型缓冲器。

4.1.1重载提速对车辆连接技术提出的要求

4.1.1.1 车钩强度

由于车钩缓冲装置的特殊作用，车钩强度的大小及可靠性直接关系到列车的运行安全及铁路运输效率。车钩强度要满足三方面要求：列车运行安全性的要求；列车编组时调车作业的要求；方便运用维护及检修的要求。

列车在运行时车钩主要受到与列车牵引重量及车辆编组数量直接相关的稳态牵引力的作用，列车调速时造成的列车内部随机的、交变的纵向牵引力和压缩力的动载作用，以及车辆点头沉浮振动和横向摇摆振动引起的钩高差及附加弯矩作用，不同车辆因载重及运用时间

和磨耗状态的不同引起车钩中心线高度差产生的附加弯矩作用。这些复杂因素的影响对车钩等零件的强度及可靠性提出较高要求。

在货车车辆进行列车编组调车作业时，车钩等零件和车辆本身要承受较大的冲击力。冲击力的大小随着车辆的载重、数量及编组连挂速度的提高而增加，车钩的强度要满足车辆编组调车作业的要求。

为了方便维护与检修，在设计车钩缓冲装置时，还要综合考虑组成车钩缓冲装置的钩舌、钩体、钩尾框、从板、钩尾销及缓冲器、车辆上从板座、牵引梁及底架等车辆结构与零部件之间的强度匹配关系，依次逐级提高强度储备，保证钩舌的强度储备相对最小，车辆底架强度储备相对最大。这样钩舌将发挥“保险丝”的作用，满足运用过程中检修维护的最经济性的要求，不仅方便了运用维护，同时也为车辆及缓冲器提供了安全保护。

理论分析及仿真计算结果表明：列车稳态运行时车钩力不会大于机车的牵引力，机车牵引力大小和机车型号的选取要与牵引的列车重量及车辆数量相匹配。因此随着列车牵引重量及列车编组数量的增加，不仅要选用与牵引能力需求相匹配的机车，同时也要提高车钩等零件的强度和储备裕量，以满足铁路运输安全及效率的需要。 列车调速时的内部纵向冲动是比较复杂的，最大车钩力可达到机车最大牵引力的2倍左右。这种复杂性主要是缓冲器的性能、车辆性能（长短、载重、自重、结构强度和刚度等）、车钩缓冲装置的连挂自由间隙的大小、列车编组数量及运行速度、制动及缓解波速、运行线路情况（如坡度、曲线的大小）等因素影响的综合结果。当缓冲器的性能、车辆性能一定时，列车内部纵向冲动力随着车钩缓冲装置的连挂自由间隙的增大、列车编组数量增加，以非线性的几何特性急剧增大，容易导致列车车辆脱轨、倾覆等事故的发生，并引发包括车钩在内的车辆及零部件过早疲劳损坏。

由于制动作用及缓解作用沿列车长度方向的不同步性，造成车辆间及列车首尾车辆产生较大速度差，引起列车内部产生强烈的纵向冲动，使车钩、缓冲器及货车承受较大的纵向力，其值的经验公式(1)为：

5Ln2FmaxPPmax (1)

12tZCZB式中：Fmax—列车纵向压缩力（kN）;

l —辆车的长度（m）；

n —车辆数；

P —辆车的闸瓦压力总和（kN）； φ—闸瓦摩擦系数； tZC—制动缸冲气时间(s)； ωZB—制动波速（m/s）。

当列车中车辆参数一定时，列车内部的纵向力只与列车编组数量n的平方值有关。理论上讲，由100辆车组成的列车的内部最大纵向力是由50辆车组成的列车的内部最大纵向力的4倍；以此类推150辆、200辆的重载列车内部的纵向力是非常大的。

理论研究及运用实践证明，因制动的不同步、车钩缓冲装置的连挂间隙、列车编组数量及运行速度、运行线路情况等因素的影响，造成列车内部所有的车辆间连续产生相互挤压性和反弹拉伸性的冲击作用、并延续很长时间，冲击作用是通过车钩力以外力的形式传递，使车辆间形成很大的冲动力，对车钩等零件及车辆的可靠性提出严峻考验和要求。

在调车工况下，货车车辆进行列车编组作业时，车钩等零件和车辆本身还要承受很大的冲击力。两车辆直接冲击时车辆间的最大车钩力Fmax可用公式（2）进行理论计算。

2M1M2VmaxFmax （2）

(M1M2)x式中：M1、M2分别为货车车辆的总体质量(kg)，Vmax是两辆货车车辆编组连挂的最大相对速度（km/h），x为两货车车辆钩缓装置所允许的缓冲器工作行程之和（m）。

由此说明，在缓冲器行程固定不变的前提下，货车车辆进行列车编组作业时，车钩等零件和车辆本身承受的冲击力是随着编组车辆重量的增加成正比、与相对连挂速度的平方值成正比。随着国民经济发展不断提高对车辆载重要求、以及运输部门对提高运输效率的要求，实际货车编组作业过程中连挂速度将进一步提高，车钩力也是在逐渐的增加，对车钩等零件及车辆强度的储备和可靠性提出了更高要求。

目前我国对于车钩、钩尾框的强度评价均采用静强度分析及静载荷试验的方法，同时开始着手进行疲劳可靠性的试验研究。强度试验的主要内容包括：钩舌、钩体、钩尾框的静强度试验，规定载荷下的最大永久性变形试验，钩体、钩舌的最小破坏载荷试验，钩尾框的最小极限载荷试验。

对于车钩、钩尾框等主要传递纵向力的重要部件，在我国铁道行业标准TB/T1335-1996

《铁道车辆强度设计及试验鉴定规范》中规定了纵向力及主要载荷的最大组合可能。明确了纵向力是指列车在各种运动状态时车辆间所产生的压缩和拉伸力，在计算和试验时货车必须按第一工况和第二工况的载荷方式进行，其中货车：第一工况作用在车钩上纵向拉伸力取1125 kN，压缩力取1400kN；第二工况作用在车钩上的纵向压缩力为2250kN。该标准对车钩的强度进行了要求，其中：货车自动车钩的拉伸破坏强度不小于3100kN。相比1978年版本的第一工况作用在车钩上纵向拉伸力取980kN（100tf）、压缩力取1176kN（120tf），第二工况作用在车钩上的纵向压缩力为1960kN(200tf)，货车自动车钩的拉伸破坏强不小于2940kN（300tf）有所提高，以满足载重60t级货车的普及推广应用的需要。

随着我国铁路的快速发展，1～2万吨重载运输开行，运输效率的提高，因列车编组数量的增加、内部纵向冲动的加剧及编组调车作业速度的提高，造成的第一工况和第二工况载荷又有所提高。因此，为满足重载列车的车辆及其重要部件的设计要求，我国大秦铁路重载货车强度设计需满足第一工况纵向拉伸力2250kN，纵向压缩力2500kN；第二工况纵向压缩力2800kN的要求。23～25t轴重的通用货车车辆强度设计的纵向载荷为：第一工况纵向拉伸载荷为1780kN，纵向压缩载荷为1920kN；第二工况纵向压缩载荷为2500kN。因此，车辆强度的不断提高对车钩、钩尾框的可靠性提出了更高要求。 4.1.1.2 缓冲器技术

缓冲器是铁路机车车辆的重要部件,其主要作用：一是吸收列车运行或编组调车作业时机车与车辆、车辆与车辆间的纵向冲动能量，缓和车辆间的冲击，降低车钩纵向力，减轻车辆及所运货物的损坏，改善列车纵向动力学性能；二是可以降低由纵向冲击力引起的车钩横向分力和车辆脱轨系数，从而提高列车运行的稳定性和平稳性，确保铁路运输安全。

缓冲器的性能直接影响着列车牵引重量、运行速度、车辆总重、列车编组作业效率、货物完好率等涉及铁路运输效率的经济指标和技术水平。评定缓冲器性能的主要技术参数是冲击速度、最大阻抗力、容量、行程及能量吸收率。

(1) 冲击速度

随着列车运行速度的提高（将提高到120km/h），车辆轴重的提高（由21t 提高到23t、25t），列车载重的增加（一般干线开行5000t重载列车和10000t重载组合列车、大秦线开行10000t重载单元列车和20000t重载组合列车），车辆间纵向冲动将呈非线性的增长；车辆的

编组数量和调车作业工作量必然要增加。为有效地改善车辆间的冲击，减少车辆周转天数、提高使用频率，需缩短列车编组作业时间，必然要提高车辆的冲击速度，以满足运输需求。

我国目前规定编组调车作业时冲击速度不大于5km/h，但实际冲击速度多为7～8km/h，最不利时可以达到10km/h左右。美国铁路货车规定冲击速度为8km/h(5mph),前苏联及俄罗斯铁路规定货车冲击速度为9km/h。

在大容量缓冲器的设计中既要适当提高冲击速度，又要考虑与缓冲器的容量、阻抗力及行程等相匹配。由于受缓冲器行程和阻抗力大小的限制，再考虑货车载重和总重的不断提高的影响，因此新型大容量缓冲器的冲击速度应不小于10km/h。

(2) 阻抗力

缓冲器阻抗力的大小，直接影响货物运输的质量、车体结构及车钩等相关零部件的强度和使用寿命、列车运行的平稳性及安全性。因此，合理设计缓冲器的阻抗力参数也非常重要。

缓冲器的阻抗力不应超过车辆的强度要求，在我国铁道行业标准TB/T1335-1996规定的纵向压缩载荷为2250kN；当以8km/h冲击速度进行车辆冲击试验时，最大车钩力应不大于2250kN。因此，我国的MT-2、MT-3及ST型缓冲器设计的阻抗力均符合该强度要求，MT-2、MT-3缓冲器阻抗力不大于2250kN，ST型缓冲器阻抗力不大于2000kN。

为满足大秦线开行1～2万吨重载列车运输的要求，我国对车辆结构强度进行了规定：大秦铁路重载货车强度设计需满足纵向压缩力2800kN的要求。23～25t轴重的通用货车车辆强度设计需满足的纵向压缩载荷为2500kN。

因此，结合我国铁路货车的实际应用工况及强度设计要求，大容量缓冲器的阻抗力应不大于2500kN。

(3) 容量

容量是衡量缓冲器性能优劣的一个非常重要的技术指标。容量的选取主要与列车编组调车的冲击速度、车辆总重及列车牵引重量密切相关，同时还受其本身结构及工作原理的制约。

通常情况下缓冲器的容量按调车作业工况进行设计。假定两连挂车辆装用相同的缓冲器，不考虑车辆结构及货物的影响，则可根据动量守恒定律和能量守恒原理推出下述公式(3)

进行设计计算，结果见表1。

E01W1W22V (3) 4W1W2式中：W1、W2分别为车辆的总重（t）；

V冲击速度(km/h)。

表1 车辆在不同冲击速度下所需要的缓冲器的容量值 工况 1 2 3 4 5 6 W1 （t） 84.0 92.0 100.0 92.0 100.0 100.0 W2 （t） 84.0 84.0 84.0 92.0 92.0 100.0 5 km/h 20.25 21.17 22.01 22.20 23.10 24.06 8 km/h 51.85 54.20 56.36 56.80 57.98 61.73 E0（kJ） 9 km/h 10 km/h 11 km/h 65.63 68.60 71.33 71.88 74.88 78.13 81.02 84.70 88.06 88.70 92.44 96.45 96.17 100.54 104.53 105.33 109.72 114.49 12 km/h 14 km/h 116.67 121.90 126.81 127.80 133.10 138.89 158.80 165.98 172.60 173.90 181.20 189.04 国内外试验研究表明，车辆结构及其运载货物也必然吸收一部分冲击能量，故在缓冲器容量的计算时应按下述公式(4)进行修正。

E=δ×E0 (4)

式中：δ为修正系数

日本的试验研究结果是：对于散装货物车辆δ值为0.7，对于装运液体的车辆δ值为0.8。另外，UIC标准规定δ值为0.65~0.75。我国研究结果认为现有车辆的δ值应在0.55~0.83之间，平均为0.68，建议在近似计算时修正系数取0.68。因此，在缓冲器容量的设计计算时，修正系数取为0.7~0.8 。根据上述修正系数近似计算，车辆冲击速度为10km/h时，不同轴重的车辆需要缓冲器的容量可按照表2的数值进行设计：

表2 车辆在10km/h的冲击速度下所需要的缓冲器容量值

车辆轴重 21t 23t 25t δ=0.7 56.7 62.1 67.5 δ=0.75 60.8kJ 65.5kJ 72.3kJ δ=0.8 64.8kJ 70.9kJ 77.2kJ 另一方面，重载列车系统动力学分析表明，在采用常规的车钩缓冲技术及制动系统的前

提下，列车运行工况中列车头部和尾部的速度差较高；当速度差与调车工况冲击车之间的速度差相同时，两种工况中的最大冲击力及缓冲器吸收的能量基本相同。

随着列车运行速度的提高和列车编组数量的增加，对缓冲器容量也提出了新的要求。研究试验表明：由于列车车辆间的车钩连接间隙的存在、列车车辆构成的不同及制动波速造成的列车前后制动效果的不均匀性，使列车车辆之间产生相对速度差及冲击，列车相邻两辆车之间速度差最大为0.16～0.32km/h。但即使这样小的速度差所造成的能量差也足以考验缓冲器容量是否能满足要求，这些能量需要连挂的两相邻缓冲器来共同吸收化解。以总重84 t～100t的车辆为例，分析其在列车以70～100km/h运行时，因速度差造成的动能差异通过公式(5)计算，在计算时假定相邻车辆的质量相等，计算结果见表3。

122EM(V1V2) (5)

8式中：M为车辆的总重（t）；

V 冲击速度(km/h)； δ 修正系数，取0.7～0.8。

表3 列车在运行中车辆间动能差分布在每个缓冲器上的能量

车辆间动能差在每个缓冲器上的分布能量 E（kJ） δ 70km/h 0.7 31.9 34.9 37.9 0.8 36.4 39.8 43.3 80km/h 0.7 36.3 39.8 43.3 0.8 41.5 45.5 49.4 90km/h 0.7 40.9 44.7 48.7 0.8 46.7 51.1 55.6 100km/h 0.7 45.4 49.8 54.1 0.8 51.9 56.9 61.8 M（t） △V=0.2 84 92 100 通过上述分析，总重为84t～100t的车辆在列车运行速度100km/h时，因车辆间的速度差（速度差为0.2 km/h）引起的纵向冲动能量，应由缓冲器吸收的能量要小于调车工况中冲击速度10km/h时缓冲器需要吸收的能量，用调车工况对缓冲器性能参数设计完全可以满足列车运用工况要求。

因此，为满足铁路货车提速（商业运营速度和调车作业速度）、重载（单车载重和列车牵引编组数量增加）的发展要求，考虑到留有一定的技术发展裕量，缓冲器的容量约70～80kJ为宜。

(4) 行程

缓冲器的行程一般是指在标准的车辆前后从板座间距内，在最大的车辆冲击下缓冲器所允许的最大缓冲变形的能力，此时是从板与缓冲器箱体将产生接触的瞬间，既没有发生刚性冲击之前的缓冲变形量，也称之为工作行程。自由行程是指缓冲器在自由状态下结构所允许的最大缓冲变形量，一般比缓冲器的工作行程大，以补偿缓冲器的性能因磨耗的影响，防止缓冲器与从板、前后从板座之间产生间隙，降低缓冲器的缓冲作用。

由公式（6）知，增大缓冲器行程，有利于提高缓冲器的容量、降低阻力和提高缓冲器抗冲击缓冲能力。但行程增大后，一是要增大列车的弹性连挂间隙，影响长大重载列车车辆动力学性能；二是必须同步加大车辆钩肩与车辆冲击座之间的距离，不利于车辆及其冲击座的结构设计；三是影响缓冲器的互换性，不利于车辆维护和检修；四是在既有的安装空间内利用现代技术和材料很难从结构及性能设计上完全满足增加缓冲器行程的要求。

2M1M2VmaxFmax (6)

(M1M2)x我国现有的ST型缓冲器工作行程为67～69mm，MT-2/3型缓冲器工作行程为81mm。考虑到互换性的要求，以及车辆前后从板座、从板和缓冲器本身的运用磨耗对缓冲器性能的影响，新型大容量缓冲器的工作行程定为约81mm、自由行程定为约90mm为宜。

(5) 能量吸收率

能量吸收率是指缓冲器在缓冲压缩过程中所消耗的能量与容量之比值。它是衡量缓冲器有效消耗冲击作业时车辆纵向冲击和列车运行时纵向冲动能量，减缓对车辆及货物破坏作用的重要技术指标。缓冲器的能量吸收率越大，则降低回弹振幅、频次的效果越好，其反冲作用越小。根据国内外试验研究及运用经验，货车缓冲器的能量吸收率不小于80％为宜。

(6)初压力

初压力是指缓冲器装车后的静预压缩力。其值的大小将影响列车起动加速度和纵向动力学性能。适当的初压力对改善列车纵向动力学性能是有益的。

美国AAR M901G和M901K标准规定，缓冲器装车后的初压力不小于35.6kN；前苏联及俄罗斯的标准规定，货车缓冲器的初压力应在100～300kN范围内，客车缓冲器的初压力

应在20～50kN范围内。另外，由于运用中车辆结构及缓冲器的磨耗不可避免，势必增加缓冲器的安装空间尺寸，衰减缓冲器的初压力，设计时应考虑磨耗对缓冲器初压力的影响。目前我国重载货车缓冲器的初压力取50～300kN。

众所周知，不同技术状态的列车及车辆要求的缓冲器技术性能参数是不同的。其性能参数的选择主要看其能否最大限度地降低车辆间纵向冲击力，改善列车及车辆的纵向动力学性能；是否具有良好的综合经济性和先进性、适用性、可靠性；能否满足我国铁路货车提速重载的发展要求。因此，重载货车用大容量缓冲器的技术参数应遵循技术性能先进、使用可靠、经济性合理、具有良好的互换性能与现有车辆缓冲器互换、与国际标准接轨的基本原则。

技术性能方面应能满足运行速度120km/h，轴重21～25t的各型铁路货车的使用要求，满足一般干线开行5000t重载列车和10000t重载组合列车、大秦线开行10000t重载单元列车和20000t重载组合列车的使用要求，满足冲击速度达10km/h的调车作业工况的使用要求。与国际先进标准接轨，积极采用国外先进成熟的技术及评定标准，缩小与国外先进技术水平的差距。

使用可靠性方面应结构简单，各项性能稳定、可靠，尽可能保证装车使用时在120万公里范围内性能稳定，使用安全、可靠。缓冲器的经济性体现在所用的原材料成本、制造成本、维护、检修成本、使用寿命等方面，换言之应物美价廉、经久耐用。

具有良好的互换性能，与现有车辆缓冲器互换。缓冲器必须能与现有车辆匹配，整体安装尺寸和使用性能应符合现有车辆结构的安装及使用要求，能与现有的缓冲器安装尺寸互换。根据标准要求，我国铁路货车的牵引梁内及钩尾框允许的缓冲器标准安装空间尺寸为625mm×327mm×235mm。新型大容量缓冲器在工作状态下的外形尺寸最好为568mm×320mm×230mm。

4.1.1.3 其它连接技术（牵引杆）

为了解决重载及长大货物列车因制动缓解不均匀性和列车间隙效应引起的列车冲动问题，国外早在20世纪70年代就开始研究设计新的车辆连挂装置以减少和消除列车的“间隙”作用，如ASF-Keystone公司、Cardwell Westinghouse公司、McConway&Torley公司和ABC-NACO公司均设计开发了不同类型的牵引杆装置来代替车钩缓冲装置。

牵引杆装置作为新型的铁路车辆连接方式已经在国外重载运输的单元列车中得到成功

应用，如美国、澳大利亚、南非、加拿大和巴西等国均不同程度地在长大重载货车上采用了牵引杆装置，按其组成可分为普通牵引杆装置和无间隙牵引杆装置，主要区别为前者带有缓冲器，后者无缓冲器；其中核心部件牵引杆按其使用2

性能可分为旋转牵引杆和不旋转牵引杆。见表4。

表4 牵引杆装置及牵引杆的分类

牵引杆装置 分类依据 结构组成 种 类 普通牵引杆装置（牵引杆+缓冲器+钩尾框+从板等） 无间隙牵引杆装置（牵引杆+斜楔+球面斜板等） 牵引杆 使用性能 旋转牵引杆 不旋转牵引杆 无间隙牵引杆装置。国外最早研制开发使用的是无间隙牵引杆装置。为了解决重载长大货物列车内部纵向冲动问题，美国率先提出了无间隙牵引杆装置的设计方案（无缓冲器），其设计原则是车辆之间真正无间隙，既间隙为零，并要求零部件磨耗时具有自动补偿功能以保证连接装置处于无间隙状态。无间隙牵引杆装置中，牵引杆及其它部件在牵引力的作用下发生弹性变形，与球面斜板间产生间隙，斜楔在自重的作用下下沉填补弹性变形产生的间隙，从而达到自锁和消除间隙的作用，典型的无间隙牵引杆装置简图如图2。

图2 典型的无间隙牵引杆装置简图

无间隙牵引杆装置开发以后，装在由10节车组成的车组上进行试验，试验结果表明：无间隙牵引杆装置由于取消了车钩、钩尾框和缓冲器等部件，彻底消除了车辆之间的连挂间隙，对于改善列车动力学性能的效果最好。但由于斜楔的自锁、粘滞作用容易造成机构卡死现象而影响车辆的曲线通过能力，也不便于车辆检修，且无间隙牵引杆装置与现有车辆的牵引缓冲装置不能互换，因此虽然经过多次改进，仍没有得到大范围的推广。

普通牵引杆装置，就是将车辆之间连挂的两个车钩设计成一个整体的牵引杆以取代车钩，而保留缓冲器、钩尾框、从板等部件，牵引杆简图见图3。这种牵引杆装置由于制造简单，不需要对车辆结构进行改动，维护检修方便，可以消除两车钩连挂间隙，且能明显改善

列车动力学性能，其技术成熟、可靠性高，因而得到了大范围的应用，安装简图如图4。

图3 McConway&Torley公司设计的F型牵引杆

图4 普通牵引杆安装简图

4.1.2传统钩缓

4.1.2.1传统车钩

自上世纪60年代以来，我国载重60t及以下的货车使用的车钩主要是13号、13A型、13B型车钩。

13号车钩是我国在二十世纪60年代初参照美国E型车钩及俄罗斯CA-3型车钩研制的，70年代初开始在我国铁路货车上推广使用。13号车钩钩头结构及三态作用性能、防跳原理与美国E型车钩基本相同，钩尾部结构及联接方式而是采用了类似俄罗斯CA－3型车钩垂直竖扁销联接方式及结构，钩尾端面采用美国E型车钩的平面结构；没有直接采用美国E型车钩水平横扁销联接方式及和俄罗斯CA－3型车钩钩尾端部的圆柱面结构。与13号车钩配套使用的13号钩尾框的结构基本同CA-3型车钩用的钩尾框。

13号车钩钩体、钩舌及钩尾框开始采用牌号为ZG25的普通碳素铸钢制造，其车钩的静拉破坏载荷为2250KN，比当时铁路货车使用的2号车钩的静拉破坏载荷（1550KN）提高45%以上，13号钩尾框的静拉破坏载荷为不低于2800KN，基本满足了当时由载重50t～60t货车组成的列车牵引需要。从1983年开始停止生产2号车钩，在修理货车中逐步淘汰2号车钩；同时考虑我国铁路运输重载、提速的发展需要，组织国内相关院所及工厂研制材料及强度等同美国AAR M201 C级铸钢的低合金铸钢，用于制造车钩、钩尾框，以期进一步提高13号车钩、钩尾框承载能力。经过近十年的努力研制成功C级钢13号车钩及钩尾框，车钩的静拉破坏载荷提高到2820KN以上，钩尾框的静拉破坏载荷提高到3150KN以上，并于1996年开

始在新造货车上推广使用。

随着我国铁路运输的发展，现有13号车钩及钩尾框安全可靠性不高，主要反映在：一是运用中车钩自动开锁、造成列车分离事故较多；二是13号钩舌、钩体、钩尾框的疲劳裂纹、断裂事故增多，钩舌磨耗速度加快。为了保证铁路运输安全，满足改革开发以来经济高速发展对提高铁路运输能力不断增长的需求，在13号车钩和钩尾框基础上改进研制开发的13A型车钩及钩尾框。

13A型车钩主要是缩小了车钩连挂间隙，降低列车的纵向冲动，改善列车车辆的纵向动力学性能。13A型车钩的连挂间隙为11.5mm，比普通的13号车钩连挂间隙19.5mm减小了41%，钩体、钩舌的材质为C级钢，锁铁为E级钢，其它钩腔内零件均采用B级钢材质制造，车钩静拉破坏强度提高到2950KN以上。13A型车钩从2002年开始在新造货车及厂段修货车上推广使用。

13A型钩尾框在结构强度和疲劳使用寿命上明显优于13号钩尾框，静拉破坏载荷提高到3340KN以上。13A型钩尾框从2002年开始在新造货车及厂段修货车上推广使用。同时停止生产13号车钩及钩尾框，并开始在货车修理中逐步淘汰13号车钩及钩尾框。

随着铁路货车重载提速的发展，在运用过程中13A型车钩钩尾牵引面与钩尾销长期作用产生凹槽，出现钩尾销偏磨引起的钩尾销安全螺栓折断造成的列车分离事故。2007年在13A型车钩及钩尾框基础上改进研制了13B型车钩及钩尾框。13B型车钩及钩尾框于2008年开始推广应用，取代13A型车钩及钩尾框。

在标准GB/T17425-1998的前身标准TB/T456-1991中明确规定了钩舌、钩体、钩尾框在规定载荷下的最大永久性变形，钩体、钩舌的最小破坏载荷，钩尾框的最小极限载荷，见表5所示。标准TB/T456中规定的载荷标准只适用于货车、电力机车、内燃机车用13号车钩的钩舌、钩体及钩尾框，其强度储备比较小、可靠性差。随着列车牵引重量及运输速度的提高，已不能适应我国铁路快速发展的需要，这也是运用中淘汰13号车钩的钩舌、钩体及钩尾框的重要原因。

表5

ZG230-450铸钢 零件名称 钩舌 钩体 最大永久变形mm 在1000kN时 在1600 kN时 最小破坏载荷 最小极限载荷 ZG415-620低合金铸钢 最大永久变形mm 在1250 kN时 在1700kN时 最小破坏载荷最 小极限载荷 kN kN 0.8 --- --- 0.8 2250 2800 0.8 --- --- 0.8 2820 3150 钩尾框 --- 0.8(1) 2800 --- 0.8(2) 3150 注：1）ZG230-450铸钢的钩尾框的最小永久变形载荷为1600kN。 2）ZG415-620低合金铸钢的钩尾框的最小永久变形载荷为1700kN。

在标准GB/T17425-1998中明确规定了钩舌、钩体、钩尾框在规定载荷下的最大永久性变形，钩体、钩舌的最小破坏载荷，钩尾框的最小极限载荷，见表6。13B型车钩、钩尾框采用E级钢制造，其强度明显高于C级钢制造的C级钢车钩及钩尾框。

表6

C级铸钢 零件名称 钩舌 钩体 钩尾框 最大永久变形mm 在1335 kN时 在2000 kN时 最小破坏载荷 最小极限载荷 E级铸钢 最大永久变形mm 在1780 kN时 在3115kN时 最小破坏载荷最 小极限载荷 kN kN 0.8 --- --- --- 0.8 0.8 2950 3225 3225 0.8 --- --- --- 0.8 0.8(1) 3430 4005 4005 注：1）钩尾框的最小永久变形载荷为3340kN。

4.1.2.2传统缓冲器

从上世纪60年代至80年代初，我国列车的牵引重量和运行速度一直发展比较缓慢，运用的车辆基本上是轴重18吨载重50吨左右货车，调车编组作业速度为3km/h，对应货车用缓冲器主要为2号、3号和MX-1型缓冲器。

80年代初我国铁路为提高运输能力，确定了向提速、重载方向发展目标。借鉴国外经验，提出在不增加机车车辆轴重的情况下，货物列车牵引最大重量由3500t提高到4000t，固定车底的煤炭、矿石等专列提高到5000t；货物列车行车速度最高时速由60km/h逐步提高到80km/h；快运列车最高时速可提高到100km/h；同时积极推广应用轴重21吨载重60吨的C62型敞车和P62型棚车，提高车钩强度和缓冲器的容量，以适应提高列车牵引重量的要求。

为适应铁路货车提速、重载的发展需要，铁道部组织对前述几种缓冲器进行了改进研究，研制开发了G2型、MX-2型、G3型货车缓冲器。同时从国外引进MARK-50型和SF-81型缓冲器进行各种试验研究，并在MARK-50型缓冲器基础上研制开发MT-2型和MT-3型缓冲器，并且全面设计推广应用21t轴重的载重60 t的货车,加快淘汰50t载重货车及3号和MX-1型缓冲器，积极调整货车品种和结构。到1993年底载重60t及以上的货车已经达到车辆总数的70％以上。

与国外铁路货车缓冲器比较，我国铁路货车缓冲器在综合性能方面相对较差和落后，

在数量和品种上也相对较少。目前我国主型货车缓冲器应用最为广泛的是MT-2型、MT-3型、ST型缓冲器，均为干摩擦式钢弹簧缓冲器，运用中还有部分2号缓冲器。

Ш-1-TM、SZ-1-TM型缓冲器是上世纪80年代随着从原苏联及波兰采购的C62A(N)、C61Y型敞车和P13型棚车购入的，总计约有近2万套。这些缓冲器工作原理均为摩擦减振式，所以它们的缓冲器性能和使用寿命均不同程度地受到摩擦减振元件表面质量状态、磨耗情况的影响，显出性能稳定性差、制造尺寸精度要求高及检修工艺性不好，给运用检修工作造成很大不便，增加了运用检修成本。如Ш-1-TM、SZ-1-TM和ST型缓冲器运用中箱体口部摩擦面、推力锥、楔块磨耗严重、检修工艺差，螺栓裂纹、断裂破损率高，卡死现象增多，检修工作量大、检修成本高等等，加剧了缓冲器性能的不稳定性，严重影响了其使用效果，缩短了实际使用寿命。

ST型缓冲器是铁道部于1992年组织有关部门及单位，结合我国铁路货车制造及检修方面条件，根据普通货车重载提速及运用的实际需求，在Ш-1-TM、SZ-1-TM型缓冲器的基础上开发研制的。1997年1月通过了部级审查定型为ST型缓冲器，开始大批量装车使用，为推动我国铁路重载运输的发展发挥了重要作用。 ST型缓冲器同属于干摩擦全钢弹簧缓冲器，其主要特点是结构简单、零件少、重量轻、价格便宜、对使用环境要求不高；不足的是箱体是摩擦系统的重要组成部分，导致其性能稳定性较差，制造及检修工艺性不好。运用中箱体摩擦面、推力锥、楔块磨耗严重，螺栓裂纹、断裂事故多、破损率高，卡死现象多，检修成本高等。为此铁道部决定2005年6月起停止继续新造ST型缓冲器及停止在新造货车上使用，新造货车上全部采用MT型缓冲器。

2号缓冲器尽管因其是湿摩擦减振，静态与动态性能相对稳定、磨耗较小，但由于容量及综合缓冲能力不足，运用中主要表现为内外环弹簧裂纹、永久变形、断裂故障明显增加，缓冲器卡死严重等。由于作用原理及结构的限制，很难对其再进行改进以提高增大缓冲性能，从2002年起停止生产2号缓冲器，正在被逐渐淘汰。

MT-2、 MT-3型缓冲器是20世纪90年代初铁道部组织有关单位，在引进的Mark-50型缓冲器的基础上研制开发的。其结构型式与Mark-50型缓冲器完全相同，只是缓冲器的容量、阻抗性能有所不同，分别为不低于50KJ和45KJ、不大于2.27MN和2.0MN，性能上优于国外同类产品。MT型缓冲器是利用楔块、动板之间的干摩擦减振，设计上最大限度地防止箱体

的磨耗和提高结构强度，保证了缓冲器具有较好的性能及相对稳定性。MT型缓冲器的主要特点是：性能相对稳定可靠，价格适中，使用寿命长，对使用环境要求不高、适应范围较广，便于检修维护。目前MT-2型缓冲器主要用于重载单元运煤专用敞车及载重70t货车上使用，MT-3型缓冲器主要用于21t轴重、载重60t各种通用货车。

MT－2、MT－3型缓冲器是在借鉴美国Mark 50型缓冲器的基础上研制开发的两种铁路货车缓冲器。其中MT-2型缓冲器容量不低于50kJ，用于重载货车；MT-3型缓冲器容量不低于45kJ，用于普通货车。存在的主要问题是上述两种缓冲器的容量均偏低，不能适应我国铁路货车提速、重载的发展需要。

目前，我国传统缓冲器的主要性能可详见表7。

表7 传统缓冲器性能参数表 名称 MT-2 MT-3 ST 容量（kJ） 阻抗力（kN） 50 45 32 ≤2270 ≤2000 ≤2000 工作行程（mm） 83 83 67～72 重量 (kg) 178 178 132 我国对列车编组调车连挂速度要求为不大于5km/h，为了缩短调车作业时间，提高运输组织效率，应尽可能地提高调车速度。据调查统计资料：国内列车编组、调车时的速度超速率最高达到20％以上，最高速度达到10 km/h以上。随着列车牵引重量、车辆载重量及调车速度的提高，必然要求提高缓冲器的综合性能以适应和满足实际发展的需要。因此，从提高运输编组、调车作业的组织效率方面看，也应该淘汰上述缓冲性能差的缓冲器，研究、开发新型大容量货车缓冲器。

4.1.3重载钩缓

4.1.3.1重载车钩

随着铁路跨越式发展战略的实施，铁路货车运用条件发生了很大的变化。首先是货车运行速度、车辆载重的提高，以及列车牵引重量、编组辆数的增加，列车纵向冲动将呈非线性增长；其次是车辆周转天数降低、使用频率的提高，特别是取消货车辅修修程及延长货车厂、段修周期和关键件的质量保证期等修制改革的深化，以及列检布局的调整等措施的实施。这些都对货车车钩及其零部件的技术性能和使用安全可靠性提出了新的更高要求。

1988年铁道部根据国外重载运输经验，分别组织齐轨道装备公司等单位对美国F型车

钩进行国产化研究，组织戚墅堰机车车辆工艺研究所进行AAR M201 E级铸钢技术的研究。同年，齐轨道装备公司开始了16型、17型车钩及其相关零部件的开发设计和研制工作，1990年开始批量生产，1997年通过了铁道部组织的科技成果鉴定。目前，我国大秦铁路运煤专用运输线上的C63、C63A、C76B、C76C及C80型各型运煤专用敞车均装用的是16型联锁式旋转车钩和17型联锁式固定车钩。多年的运用实践证明，其在作用性能、安全可靠性、疲劳寿命及耐磨性能方面均明显优于13号车钩，具有连挂间隙小（9.5mm）、联锁防脱及防跳性能可靠、曲线通过好的特点，对改善长大重载列车纵向动力学性能及列车连挂安全可靠性等方面的效果非常显著，满足了大秦铁路开行万吨重载单元列车的需要。鉴于16型、17型车钩及钩尾框的优良特性，铁道部在载重70t的各型货车上全面采用了17型车钩及钩尾框。

2005年齐轨道装备公司采用锻造工艺方法及相应特殊结构设计用于开发设计制造钩尾框，满足铁路重载运输的发展需要，该技术上处于国际上领先水平，也是我国重载运输装备所采用的一项关键技术和产品，并获得了矿业巨头必和必拓公司、力拓公司及FMG公司的极大关注、认可和好评，齐轨道装备公司不仅申请了相应知识产权专利，也应上述公司的请求在出口澳大利亚的30～40t轴重的重载货车采用了锻造钩尾框。不仅提高了我国重载装备的技术水平，也推动国际重载技术的进一步发展。

为进一步提高我国铁路货车车钩的技术水平，满足铁路运输提速、重载的发展需要，实现铁路跨越式发展的战略目标，在装备部组织下，2004年9月齐车公司等6家车钩生产单位与美国车钩委员会成员ASF公司、Trinrty公司、COLUMBIA公司就中国引进美国F型车钩和E型车钩技术达成了《技术许可协议》，主要技术引进内容为：F型、E型车钩及配套零件的产品图样、技术条件、制造工艺技术规范及一套用于制造、检修F型车钩产品的检查样板及样板图样、使用说明书。目前F型车钩产品图样及样板的图样转化工作已经基本完成,不仅通过样机及检测样板的试制验证，而且形成批量生产能力、随整车出口到澳大利亚的BHP公司、力拓公司及FMG公司等国外重载运输发达的国家。 4.1.3.2重载缓冲器

为满足我国铁路货车提速、重载的使用要求和货车检修管理体制的变化，尽快缩小我国铁路货车缓冲器技术与国际先进水平的差距，提高我国铁路货车整机装备技术水平，迫切需要开发研制满足我国铁路运输提速、重载需要且综合性能优良的新型货车缓冲器。为

此，在铁道部车辆主管部门和北车集团公司的指导下，齐轨道装备公司全面总结了我国铁路货车缓冲器的发展历程和积累的设计、制造经验，并会同有关单位多次组团赴美国、加拿大、南非、澳大利亚、巴西等国系统考察了国外铁路重载货车及车钩缓冲装置的研究、设计、制造、试验、运用、检修等技术发展情况，且与美国铁路货车缓冲器设计制造公司—Miner、ASF-keystone、Webtec 公司进行了技术交流；根据我国铁路运输的特殊国情和铁路货车具体运用条件，借鉴以往的设计、制造经验，采用国内外成熟的先进技术， 从2003年开始开发研制了新型摩擦胶泥组合式缓冲器和新型摩擦弹性体组合式缓冲器，既HM-1型缓冲器和HM-2型缓冲器，并完成了相关试验研究工作。与此同时四方所研制开发弹性胶泥缓冲器，既HN-1型缓冲器。我国重载大容量缓冲器性能参数见表8。

表8 我国目前重载大容量缓冲器性能参数表

名称 HM-1 HM-2 HN-1 额定冲击 速度(km/h) 10 10 9 阻抗力（kN） ≤2450 ≤2450 ≤2270 工作行程自由行程（mm） 81 81 67～69 （mm） 89.5 89.5 73 重量 (kg) 180 160 210 新型大容量缓冲器的缓冲能力强，可满足运行速度120km/h、轴重21～25t的各型铁路货车的使用要求，满足一般干线开行5000t重载列车和10000t重载组合列车、大秦线开行10000t重载单元列车和20000t重载组合列车的使用要求，满足冲击速度10km/h的调车作业工况的使用要求。目前这三种新型大容量缓冲器均已小批量装车使用，运用状态正常，无不良反映。 4.1.3.3 牵引杆

众所周知，开展小间隙防脱车钩及缩小列车连挂自由间隙技术的研究及相关产品的积极应用，已是国内外铁路运输业提速、安全、重载发展需要的必然趋势。齐车公司于20世纪90年代中后期就开始密切关注、研究国际上最近二十年牵引连接技术的发展动态。齐车公司在2000年就为美国Keystone公司开始生产牵引杆。通过此次牵引杆的试制、生产，齐车公司基本掌握了牵引杆在设计、生产、检测及维修等方面的关键技术。根据用户需要在澳大利亚的货车上成功地设计采用了相关技术，如齐车公司根据自己的研究，向澳大利亚用户推荐了带有缓冲器的牵引杆装置，分别用于澳大利亚25t轴重粮、30t轴重煤碳的重载货车

上，通过近8年1000多辆车的使用用户反映效果很好；在已出口的澳大利亚500辆5单元集装箱平车上成功采用了关节联接器技术，目前运用状况良好。

齐车公司自主开发设计的RFC型旋转牵引杆装置，是我国铁路重载货车上第一次采用牵引杆技术，并在C80系列及C70A型敞车全面使用。2万吨列车牵引动力学性能试验及翻车机作业运用考验的结果表明，RFC型旋转牵引杆装置不仅可明显改善长大重载列车纵向动力学性能，而且不需要改变现有的翻车作业习惯，用户反映很好。

牵引杆装置取消了车钩，简化了车辆结构，不仅降低了车辆的自重、提高了载重，而且降低了制造及检修成本，降低维修费用。同时，车辆本身磨耗和磨损的减少也使维修费用降低，特别是从板座、中梁和其他牵引零部件的维修量的减少，可延长车辆使用寿命。同时使用牵引杆装置后，可减轻在长大下坡道等工况人为操纵速度以控制间隙效应的程度，缩短了列车运行时间并提高了线路的通过能力，提高车辆运用周转率。牵引杆装置降低了车辆之间的纵向间隙，改善列车动力学性能，提高列车运行安全可靠性。从而减小了车辆间的纵向作用力，降低了列车的分离、车钩或钩尾框断裂和货物损坏的危险性。