Scharfenberg 密接车钩系统
0. 前言：
高速城间铁路运输和城市轨道交通的发展为机车车辆的车钩缓冲器系统提出了很高的要求：
车钩连接的间隙应尽量小
车钩应方便连挂和解钩，快速实现车辆之间的机械、空气和电气连接
车钩缓冲器系统应具有较大的缓冲容量，能缓和车辆正常运行和连挂时出现的纵向冲击
车钩缓冲器系统应具有吸能保护装置，在列车发生超过允许连挂速度的冲撞（例如列车正面冲突事故）时，有效地保护车辆车体不受损坏，车内的乘客不受伤。 密接式车钩能很好地满足上述要求，所以在世界范围内的动车组和城市轨道车辆上得到了广泛的应用。密接式车钩有多种制式，他们的机械连挂原理各不相同，目前在中国使用的主要有两种：
0.1. 日本柴田式车钩
柴田式车钩是通过一个在车钩头内可以旋转的半圆形钩锁实现车钩的密接式连接和锁闭的，如图1
所示：
图1 图2
连挂时，对面车钩的凸锥会推动钩锁旋转，车钩面密贴到位后，钩锁在拉伸弹簧的作用下回复至图中所示的倾斜位置，卡住连挂车钩的钩头体，实现连挂和锁闭。目前在中国使用这种车钩的车辆有：CRH-2动车组，25T型提速客车，北京地铁列车等。
0.2. Scharfenberg 密接车钩：
Scharfenberg 密接车钩的原理是德国人Karl Scharfenberg
在1903年发明的，在欧洲铁路和城市轨道交通已经成为标准配置，近年在中国铁路高速动车和城市轨道交通中也得到了广泛应用，有CRH-1动车组，CRH-5动车组，CRH-3动车组，上海地铁，广州地铁，深圳地铁等。
Scharfenberg 车钩采用模块化设计，如图2所示，由钩头、钩身和钩尾三部分组成，各部分之间采用卡环连接。本文将着重介绍这种车钩的原理和结构特点。
1. Scharfenberg 车钩的车钩头
1.1. 机械连挂和闭锁机构的原理：
所谓车钩的制式不同，指的就是车钩的机械连挂和闭锁机构的原理不同，不同制式的车钩是不能连挂在一起的。车钩的连挂和闭锁由钩头部分完成，其基本原理如图3
所示：
图3
车钩的连挂靠一对可旋转的钩板和连杆完成，车钩纵向力由钩板和连杆承担。当车钩在准备连挂状态下时，车辆相对移动，当车钩前端面密贴后，连杆前端的销子即卡入对面车钩的钩板缺口内，形成稳定的，间隙非常小的连接，对于新造的车钩，间隙可以控制在0.5mm 左右。解钩时只需拉动解钩绳，或者使用结构风缸转动钩板就可以使连杆的销子脱离对面钩板的缺口，然后车辆后退即可实现解钩，解钩后，在拉伸弹簧的作用下钩板和连杆回复至准备连挂状态。
1.2. 车钩头的连挂范围：
Scharfenberg 车钩的钩头外形如图4所示。车钩前端面上有凸锥和凹锥，具有导向功能，所以车钩头具有如图所示的连
挂范围，当两车连挂时，只要两车钩头中心线在高度方向和水平方向的偏差不超出阴影范围，两车钩就可以正常连挂，这样
就保证了车钩高度有偏差以及处于曲线上的车辆的连挂。
图4
有的车钩头更增加了导向杆，进一步增大了连挂范围，其外形和连挂范围如图5
所示：
图5
1.3. 车钩的空气管路连接：
在车钩前端面上设有空气管路的接口（图5），根据车辆空气系统和车钩设计的不同，空气管路接口可能有不同的配置，最少会有一个总风管接口，最多可以有总风管接口、制动管接口和解钩管接口。空气管路接口组件的结构如图6
所示：
图6
1 - 阀芯顶杆；2 - 解钩管； 3 - 密封圈；4 - 阀芯；5 - 弹簧
图中上部接口为总风管接口，下部的为解钩管接口。空气管路接口凸出车钩头前端面，车钩没有连挂时，总风管阀芯被后面的弹簧压紧，封住总风管。两车钩连挂后，车钩头前端面密贴，两车钩总风管接口内的阀芯顶杆互相压紧，克服阀芯后面弹簧的压力，使阀芯离开座面，两车钩上的总风管连通。解钩管只有在进行解钩操作时才有风，所以平时是通大气的。
1.4. 车钩连挂的自动化：
在车钩头上设置有空气管路接口和电连接器，车钩就可以实现机械连挂、空气管路连接和电气连接，如果再给解钩机构和电连接器配置动作风缸及相应的机构，就可以实现机械、空气和电气的全自动连接和分离，完全由司机在司机室内完成操作，即所谓的全自动车钩，如图7所示。如果车钩电连接器的
连接和分离只能以手动方式，这种车钩就称为半自动车钩。
图7
全自动车钩一般设置在列车的端部，在两列车连挂运行、救援以及库内调动列车时使用。半自动车钩一般设置在列车中部，用于列车的分段运行。
自动车钩和半自动车钩上会设置车钩控制装置，主要由一些行程开关、电空阀以及相应的电路和气路组成。其主要功能有：控制车钩机械连挂与电连接器连挂和分离的先后次序，形成保护回路防止误操作，在操作车钩时切断电连接器里高压触点的电源以防止触点烧损和操作人员触电，为车钩头加热等辅助功能提供电源等。
1.5. 半永久车钩
地铁列车和动车组一般为固定编组运行，正常情况下不解体，所以在列车内部经常采用一种半永久车钩，如图8
所示：
图8
这种车钩的结构简单，钩头部位就是一个轴环，用卡环和螺栓紧密地连接在一起，这种车钩的连接和分离都需要使用工具。
1.6. 车钩电连接器：
为了方便地实现车辆之间的电气连接，车钩上设置有电连接器，可以是手动的或者自动的。有时为了降低车辆的成本，在半永久车钩上不使用电连接器，而是用电缆直接连接两个车体端墙上的电气插座。半自动车钩设置在列车的中部，需要连接的电气线路会包括牵引线路、控制线路和各种信号线路，所以触点较多，而且各种触点区别较大，如图9
所示：
图9 图10
自动车钩位于列车的端部，它的电连接器只需传递用于列车控制的信号即可，所以触点较少，而且触点的类型和尺寸区别不大，如图10所示。电连接器有一个可以随电连接器前后
移动而打开和关闭的盖子，保护电气触头并防止操作人员触电。
2. Scharfenberg 车钩的缓冲器和钩尾
钩尾的主要作用是把车钩连接到车体上，一般是一个轴承座，使用螺栓安装在车体底架上。在钩尾一般布置有缓冲器，其功能主要是缓和车辆正常运行和连挂时发生的纵向冲击。
2.1. EFG 缓冲器
EFG 是一种橡胶缓冲器，其原理和结构如图11所示，缓冲特性如图12
所示：
图11 图12
当车钩受到纵向冲击时，橡胶环受剪切变形，利用橡胶的特性吸收冲击能量。一般使用这种缓冲器即可满足5km/h速度车辆连挂的缓冲要求。这种缓冲器根据容量大小的要求不同，可以设计成包括2道橡胶环的EFG2和包括3道橡胶环的EFG3。
2.2. 橡胶垫缓冲器
这种缓冲器使用了橡胶垫，夹在车钩和车体安装座之间，如图13所示：
图13 图14
这种缓冲器的结构简单，造价较低，但是缓冲性能和车钩的转动性能没有EFG 好。
2.3. 橡胶关节缓冲器：
如图14所示，这种缓冲器实际就是一个橡胶关节，后部通过一个轴承座连接在车体上，车钩钩身可以绕这个关节转动。由于橡胶关节的厚度有限，这种缓冲器的缓冲容量是很小的。
2.4. 车钩对中装置
车钩必须能在水平平面内发生一定的转动，以使车辆能顺利通过水平曲线，但是车钩在没有连挂的状态下，必须能保持在车辆纵向中心线的位置上，不能发生自由的横向摆动。车钩对中装置的功能就是使车钩在解钩状态下能回复至车辆纵向中心线的位置。使用较多的是一种机械式的对中装置，其结构与原理如图15
所示：
图15
对中装置的壳体安装在车钩钩尾上，内有一个与车钩钩身连接并随之转动的凸轮盘，两个顶杆被壳体内的碟形弹簧压紧在凸轮盘的缺口内，当解钩状态下的车钩收受外力发生转动时，凸轮盘转动，缺口偏转并压缩顶杆和弹簧。当外力失去时，顶杆在弹簧作用下使凸轮盘和车钩钩身回复至对中位置。
3. Scharfenberg 车钩的钩身和吸能装置
车钩钩身位于钩头和钩尾之间，钩身经常包含有一个容量较大的吸能装置，在传递列车纵向力的同时，还起到在发生较高速度冲击时吸收冲击能量，保护车体的作用。吸能装置按照动作原理分主要有压溃管、液压缓冲器和气液混合缓冲器。
3.1. 压溃管：
压溃管是一段经过特殊热处理，屈服强度偏差非常小的钢管，安装在车钩钩身里承受压缩力，车钩拉神力由压溃管内的芯轴承受。压溃管的强度略低于车底架的强度，高于车辆正常连挂速度下产生的纵向冲击力。当车辆发生较高速度的冲击时，压溃管被车钩钩身撑开压入，压溃管发生塑性变形，吸收冲击
能量，把列车内的纵向冲击力限制在车底架强度以下，保护车底架不受损坏。压溃管结构简单，成本较低，但是发生塑性变形后就必须更换。其结构和原理如图16所示：
图16
3.2. 液压缓冲器：
液压缓冲器主要是一个装有高粘度液压油的缸筒，里面有一个带有小孔的活塞，由于油的粘度很高，车钩在正常工作时，油不会通过小孔，缓冲器可以承受纵向力。当车钩受到较高速度的冲击时，油通过活塞上的小孔进入活塞另一侧的油腔，将冲击能量转化成热能。其原理和特性如图17
所示：
图17
3.3. 气液混合缓冲器
气液缓冲器是靠高压氮气和液压油的组合来起缓冲作用的，这种缓冲器在受到较小冲击时也会起到一定的缓冲吸能的作用，所以这种吸能装置在车钩中一般与环弹簧和橡胶关节（见
3.3）一起使用。环形弹簧的楔面之间存在摩擦，车钩在拉伸方向受到冲击时，环弹簧受压缩，楔面之间发生滑动摩擦，吸收冲击能量。在压缩方向，当车辆正常运行和连挂时，气液缓冲器可以吸收一定的冲击能量。当发生较高速度的冲击时，气液缓冲器发生较大变形，吸收冲击能量，保护车底架不被破坏。气液缓冲器在受到冲击发挥吸能作用后可以自动回复至初始状态，经检查确认没有损坏后可以继续使用，反复发挥吸能作用。其原理和结构如图18
所示：
图18
4. 列车吸能系统：
现在无论是城市轨道交通还是高速铁路，对列车的被动安全性都提出了越来越高的要求，即当列车发生冲击事故时，车钩缓冲器系统和车体本身的设计能有效地吸收冲击能量，保护车底架不损坏，车内乘客不受伤，对于不造成车底架损坏的列车冲击速度的要求也越来越高。为适应这样的要求，列车前端的车钩、缓冲器和车体经常按照图19所示的配置设计，在发生冲击时依次发挥吸能作用，控制车底架受力的幅度。首先是车钩钩尾的缓冲器（如EFG）发挥缓冲作用，冲击增大后，车钩钩身上的吸能装置发挥作用。列车前端的车钩经常设计有剪切装置，当冲击增大到一定程度，剪切装置破坏，使车钩脱离车底架，不再吸能和承受冲击力，这时，两列车前端两侧的防爬器（甚至是司机室前部吸能区）互相接触，进一步变形吸收冲击能量。
图19
在设计列车时，需要对整列车的车钩缓冲器系统按照列车冲击性能的要求进行核算，例如，要求一列车以15km/h的速度撞上另一列静止列车时，车钩缓冲器系统应充分发挥作用，保护车底架不损坏。根据这样的要求可以配置适当的吸能装置、剪切装置，在发生冲击时，把列车受到的纵向冲击力始终控制在车底架强度值之下。
5. 结束语
Scharfenberg 车钩在上世纪90年代随上海地铁1号车辆进入中国，目前在中国高速铁路和城市轨道交通领域得到广泛的应用，经过十多年的运用，证明满足和适应了中国铁路和城市轨道交通的技术要求和运用条件。