01 概述

傳統(tǒng)車鉤緩沖裝置是由車鉤、緩沖器、鉤尾框和從板等零部件組成。圖1是傳統(tǒng)車鉤緩沖裝置的一般結(jié)構(gòu)形式。在鉤尾框內(nèi)依次裝有前從板和緩沖器（少量采用G1型緩沖器的鐵路客車有后從板），借助鉤尾銷把車鉤和鉤尾框連成一個(gè)整體，從而使機(jī)車車輛具有連掛、牽引和緩沖三種功能。

圖1 傳統(tǒng)車鉤緩沖裝置

1-車鉤；2-鉤尾銷；3-鉤尾框；4-前從板；5-緩沖器；A-鉤舌；B-鉤體

車鉤緩沖裝置的主要功能是承受并緩解機(jī)車車輛的牽引力和沖擊力，當(dāng)該裝置受拉時(shí)，有關(guān)零部件的受力順序是，車鉤（鉤舌、鉤體）→鉤尾銷→鉤尾框→緩沖器→前從板。

在車鉤緩沖裝置中，影響列車運(yùn)行安全的零件有車鉤、鉤尾銷和鉤尾框，其中車鉤和鉤尾框是裂紋等故障發(fā)生較多的零件，其傳統(tǒng)制造工藝為鑄造，為了提高疲勞壽命，鉤尾框已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了鍛造并在鐵路上批量裝車運(yùn)用，車鉤的鉤舌也已經(jīng)實(shí)現(xiàn)鍛造，正在推廣中，而車鉤鉤體也正在進(jìn)行鍛造化研究。

傳統(tǒng)車鉤緩沖裝置的保有量是比較大的，鐵路貨車上裝備的全部是傳統(tǒng)車鉤緩沖裝置，2018年國(guó)家鐵路貨車保有量為72.53萬車，國(guó)鐵2017年新購(gòu)貨車5.34萬車，每臺(tái)車有首尾兩套傳統(tǒng)車鉤緩沖裝置。

02 鉤尾框的鍛造

為了提高鉤尾框的疲勞壽命，提高運(yùn)用可靠性，齊齊哈爾軌道交通裝備有限責(zé)任公司從2003年開始采用鍛造工藝替代鑄造工藝生產(chǎn)鉤尾框。采用鍛造工藝生產(chǎn)的鉤尾框內(nèi)部組織致密、材料韌性好、疲勞強(qiáng)度高、無鑄造缺陷，提高了鉤尾框的疲勞壽命和安全可靠性，試驗(yàn)表明，其疲勞壽命比鑄造鉤尾框提高了3倍左右。正是由于疲勞壽命的提高，其質(zhì)量保證期從鑄造產(chǎn)品的8年提高到了25年。鍛造鉤尾框技術(shù)是我國(guó)重載運(yùn)輸裝備生產(chǎn)制造的核心技術(shù)之一，具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，技術(shù)性能國(guó)際領(lǐng)先。

鍛造鉤尾框的生產(chǎn)實(shí)施資質(zhì)管理，鐵路總公司以文件的形式許可了若干家有鍛造能力、屬鐵路系統(tǒng)或與鐵路系統(tǒng)有供貨關(guān)系的廠家生產(chǎn)鍛造鉤尾框，首家試制成功鍛造鉤尾框的廠家是南京中盛鐵路車輛配件有限公司，該廠采用自由鍛制坯，80000kN摩擦壓力機(jī)展開模鍛后折彎成形的工藝。其工藝流程是：鋸床下料→加熱→自由鍛制坯→二次加熱→摩擦壓力機(jī)上展開鍛造→液壓機(jī)上折彎→整形。鞍山太陽鍛造實(shí)業(yè)有限公司等公司也陸續(xù)采用此種工藝生產(chǎn)。

北京機(jī)電研究所在自由鍛造的基礎(chǔ)上，利用其在輥鍛方面的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，聯(lián)合寧波捷豐機(jī)械公司，對(duì)鍛造鉤尾框采用了精密輥鍛的模鍛技術(shù)。其工藝流程是：下料→中頻感應(yīng)加熱→輥鍛機(jī)上4道次部分成形輥鍛→3150噸以上摩擦壓力機(jī)或高能螺旋壓力機(jī)上鍛造→切邊→在通用設(shè)備上用專用工裝或?qū)Ｓ靡簤赫蹚潤(rùn)C(jī)折彎→整形。

圖2 鍛造鉤尾框成品

03 鉤舌的鍛造

鉤舌是車鉤的關(guān)鍵牽引部件，如果鉤舌發(fā)生斷裂，列車就會(huì)出現(xiàn)脫離事故，鉤舌在實(shí)際運(yùn)用中出現(xiàn)的主要問題是斷裂和磨耗。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在鉤舌的服役過程出現(xiàn)報(bào)廢的情況中，裂紋超限的情況占到90%以上，疲勞破壞是鉤舌的主要失效形式。

傳統(tǒng)的鉤舌生產(chǎn)方法為鑄造，因?yàn)殂^舌的形狀比較復(fù)雜，采用鑄造的方法能夠容易的生產(chǎn)出形狀復(fù)雜的零件。但在鉤舌鑄造過程中會(huì)產(chǎn)生氣孔、夾渣、縮孔和疏松等缺陷，這些缺陷在交變應(yīng)力作用下，容易形成裂紋，甚至在使用過程中出現(xiàn)斷裂等故障。盡管科研人員在鉤舌的結(jié)構(gòu)以及鑄造工藝和材料等方面采取過很多改進(jìn)措施，但是鉤舌的斷裂和磨耗問題依然存在。因此，采用鍛造工藝來生產(chǎn)鉤舌，以進(jìn)一步降低故障率顯得十分必要。

鉤舌的鍛造成形主要包括三道工序，第一道工序是原始坯料經(jīng)過自由鍛或者模鍛工藝得到預(yù)鍛坯料，第二道工序是預(yù)鍛坯料經(jīng)過模鍛工藝得到預(yù)鍛件，第三道工序是預(yù)鍛件經(jīng)過模鍛工藝得到最終鍛件。鍛造鉤舌與鑄造鉤舌的對(duì)比見圖3。

 

圖3 鉤舌示意圖

 （a）鑄造鉤舌；（b）鍛造鉤舌

04 鉤體鍛造的必要性

對(duì)鑄造鉤體來說，其工藝過程中有很多因素容易導(dǎo)致鑄件中存在縮孔等鑄造缺陷，這類缺陷是導(dǎo)致裂紋生成的直接原因。鉤體的工作環(huán)境多種多樣，受力情況也十分復(fù)雜，這些都會(huì)引起鑄造鉤體中裂紋的擴(kuò)展，使鉤體的使用壽命大幅降低，圖4～圖8是幾種典型的鉤體裂損故障。盡管通過許多科研人員的研究努力，在結(jié)構(gòu)、材料和鑄造工藝方面做了大量工作，使得鑄造鉤體的綜合性能以及使用壽命得以提高，但是鑄造工藝本身的局限性限制了鉤體性能的提升空間。隨著列車速度和載重量的不斷提高，鉤尾框和鉤舌已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了鍛造，而鉤體的裂損問題則愈加突出，因此為了提高鉤體的綜合性能，鉤體的鍛造成了鉤體技術(shù)發(fā)展的方向之一。

圖4 鉤體鉤耳處裂損

 

圖5 鉤體裂損

圖6 鉤體S面裂損

05 鉤體鍛造的方法設(shè)想

由于鉤體尺寸大，如圖9是鉤體尺寸示意圖，重量在150公斤左右，且形狀復(fù)雜，從目前的鍛造技術(shù)水平看，鉤體的結(jié)構(gòu)尺寸不做修改，直接采用鍛造的方式是不切實(shí)際的。要對(duì)鉤體實(shí)施鍛造，需要在保持功能尺寸和接口不變的情況下，改變其形狀或局部焊接。

鉤體的鍛造是非常困難的，必須是鉤體的設(shè)計(jì)者與鍛造者緊密結(jié)合，鉤體的設(shè)計(jì)者根據(jù)鍛造者的要求在保持功能和接口不變的前提下優(yōu)化設(shè)計(jì)，而鍛造者在現(xiàn)有的工藝條件下盡量滿足設(shè)計(jì)者的要求。

鑄造鉤體的內(nèi)部有很多空腔，這是適合鑄造工藝的設(shè)計(jì)，改成鍛造結(jié)構(gòu)的鉤體，宜盡量減少內(nèi)部空腔。

圖7 鉤體尺寸示意圖（基于13A型）

06 結(jié)論與建議

鍛造鉤尾框從2008年開始實(shí)現(xiàn)了批量生產(chǎn)和運(yùn)用，且降低成本和提高生產(chǎn)效率的鍛造工藝也在持續(xù)優(yōu)化過程中，鍛造鉤舌也已經(jīng)開始裝車運(yùn)用。

在傳統(tǒng)車鉤緩沖裝置中，鑄造鉤體是裂損故障率較高的零件，特別是隨著鑄造鉤尾框和鑄造鉤舌實(shí)現(xiàn)鍛造生產(chǎn)，鉤體裂損的問題更加突顯，由于體積和重量大，工藝復(fù)雜，鑄造改鍛造還涉及到結(jié)構(gòu)和尺寸更改，難度特別大，隨著鍛造水平的持續(xù)進(jìn)步和鉤體的設(shè)計(jì)逐步優(yōu)化，鉤體鍛造是有可能實(shí)現(xiàn)的，這將為傳統(tǒng)車鉤緩沖裝置的可靠性帶來根本性的提高。

——文章來自《鍛造與沖壓》第5期