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01 概述 传统车钩缓冲装置是由车钩、缓冲器、钩尾框和从板等零部件组成。图1是传统车钩缓冲装置的一般结构形式。在钩尾框内依次装有前从板和缓冲器（少量采用G1型缓冲器的铁路客车有后从板），借助钩尾销把车钩和钩尾框连成一个整体，从而使机车车辆具有连挂、牵引和缓冲三种功能。 图1 传统车钩缓冲装置 1-车钩；2-钩尾销；3-钩尾框；4-前从板；5-缓冲器；A-钩舌；B-钩体 车钩缓冲装置的主要功能是承受并缓解机车车辆的牵引力和冲击力，当该装置受拉时，有关零部件的受力顺序是，车钩（钩舌、钩体）→钩尾销→钩尾框→缓冲器→前从板。 在车钩缓冲装置中，影响列车运行安全的零件有车钩、钩尾销和钩尾框，其中车钩和钩尾框是裂纹等故障发生较多的零件，其传统制造工艺为铸造，为了提高疲劳寿命，钩尾框已经实现了锻造并在铁路上批量装车运用，车钩的钩舌也已经实现锻造，正在推广中，而车钩钩体也正在进行锻造化研究。 传统车钩缓冲装置的保有量是比较大的，铁路货车上装备的全部是传统车钩缓冲装置，2018年国家铁路货车保有量为72.53万车，国铁2017年新购货车5.34万车，每台车有首尾两套传统车钩缓冲装置。 02 钩尾框的锻造 为了提高钩尾框的疲劳寿命，提高运用可靠性，齐齐哈尔轨道交通装备有限责任公司从2003年开始采用锻造工艺替代铸造工艺生产钩尾框。采用锻造工艺生产的钩尾框内部组织致密、材料韧性好、疲劳强度高、无铸造缺陷，提高了钩尾框的疲劳寿命和安全可靠性，试验表明，其疲劳寿命比铸造钩尾框提高了3倍左右。正是由于疲劳寿命的提高，其质量保证期从铸造产品的8年提高到了25年。锻造钩尾框技术是我国重载运输装备生产制造的核心技术之一，具有自主知识产权，技术性能国际领先。 锻造钩尾框的生产实施资质管理，铁路总公司以文件的形式许可了若干家有锻造能力、属铁路系统或与铁路系统有供货关系的厂家生产锻造钩尾框，首家试制成功锻造钩尾框的厂家是南京中盛铁路车辆配件有限公司，该厂采用自由锻制坯，80000kN摩擦压力机展开模锻后折弯成形的工艺。其工艺流程是：锯床下料→加热→自由锻制坯→二次加热→摩擦压力机上展开锻造→液压机上折弯→整形。鞍山太阳锻造实业有限公司等公司也陆续采用此种工艺生产。 北京机电研究所在自由锻造的基础上，利用其在辊锻方面的技术优势，联合宁波捷丰机械公司，对锻造钩尾框采用了精密辊锻的模锻技术。其工艺流程是：下料→中频感应加热→辊锻机上4道次部分成形辊锻→3150吨以上摩擦压力机或高能螺旋压力机上锻造→切边→在通用设备上用专用工装或专用液压折弯机折弯→整形。 图2 锻造钩尾框成品 03 钩舌的锻造 钩舌是车钩的关键牵引部件，如果钩舌发生断裂，列车就会出现脱离事故，钩舌在实际运用中出现的主要问题是断裂和磨耗。据统计，在钩舌的服役过程出现报废的情况中，裂纹超限的情况占到90%以上，疲劳破坏是钩舌的主要失效形式。 传统的钩舌生产方法为铸造，因为钩舌的形状比较复杂，采用铸造的方法能够容易的生产出形状复杂的零件。但在钩舌铸造过程中会产生气孔、夹渣、缩孔和疏松等缺陷，这些缺陷在交变应力作用下，容易形成裂纹，甚至在使用过程中出现断裂等故障。尽管科研人员在钩舌的结构以及铸造工艺和材料等方面采取过很多改进措施，但是钩舌的断裂和磨耗问题依然存在。因此，采用锻造工艺来生产钩舌，以进一步降低故障率显得十分必要。 钩舌的锻造成形主要包括三道工序，第一道工序是原始坯料经过自由锻或者模锻工艺得到预锻坯料，第二道工序是预锻坯料经过模锻工艺得到预锻件，第三道工序是预锻件经过模锻工艺得到最终锻件。锻造钩舌与铸造钩舌的对比见图3。 图3 钩舌示意图 （a）铸造钩舌；（b）锻造钩舌 04 钩体锻造的必要性 对铸造钩体来说，其工艺过程中有很多因素容易导致铸件中存在缩孔等铸造缺陷，这类缺陷是导致裂纹生成的直接原因。钩体的工作环境多种多样，受力情况也十分复杂，这些都会引起铸造钩体中裂纹的扩展，使钩体的使用寿命大幅降低，图4～图8是几种典型的钩体裂损故障。尽管通过许多科研人员的研究努力，在结构、材料和铸造工艺方面做了大量工作，使得铸造钩体的综合性能以及使用寿命得以提高，但是铸造工艺本身的局限性限制了钩体性能的提升空间。随着列车速度和载重量的不断提高，钩尾框和钩舌已经实现了锻造，而钩体的裂损问题则愈加突出，因此为了提高钩体的综合性能，钩体的锻造成了钩体技术发展的方向之一。 图4 钩体钩耳处裂损 图5 钩体裂损 图6 钩体S面裂损 05 钩体锻造的方法设想 由于钩体尺寸大，如图9是钩体尺寸示意图，重量在150公斤左右，且形状复杂，从目前的锻造技术水平看，钩体的结构尺寸不做修改，直接采用锻造的方式是不切实际的。要对钩体实施锻造，需要在保持功能尺寸和接口不变的情况下，改变其形状或局部焊接。 钩体的锻造是非常困难的，必须是钩体的设计者与锻造者紧密结合，钩体的设计者根据锻造者的要求在保持功能和接口不变的前提下优化设计，而锻造者在现有的工艺条件下尽量满足设计者的要求。 铸造钩体的内部有很多空腔，这是适合铸造工艺的设计，改成锻造结构的钩体，宜尽量减少内部空腔。 图7 钩体尺寸示意图（基于13A型） 06 结论与建议 锻造钩尾框从2008年开始实现了批量生产和运用，且降低成本和提高生产效率的锻造工艺也在持续优化过程中，锻造钩舌也已经开始装车运用。 在传统车钩缓冲装置中，铸造钩体是裂损故障率较高的零件，特别是随着铸造钩尾框和铸造钩舌实现锻造生产，钩体裂损的问题更加突显，由于体积和重量大，工艺复杂，铸造改锻造还涉及到结构和尺寸更改，难度特别大，随着锻造水平的持续进步和钩体的设计逐步优化，钩体锻造是有可能实现的，这将为传统车钩缓冲装置的可靠性带来根本性的提高。 ——文章来自《锻造与冲压》第5期 |
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