胡健 謝建良 李凱

摘要：本文分析了同為？準(zhǔn)4.8直徑的不同材質(zhì)鉚釘?shù)钠趬勖g的差異，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證鉚釘?shù)睦臁⒓羟械绕趶?qiáng)度及可靠性，為提煉工藝規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)準(zhǔn)則等提供依據(jù)，總結(jié)不同材質(zhì)鉚釘?shù)钠趬勖囼?yàn)數(shù)據(jù)，擬合S-N疲勞曲線(xiàn)，提取鉚釘疲勞壽命規(guī)律。

Abstract： This paper analyzes the difference between the fatigue life of different material rivets with diameters of ？準(zhǔn)4.8. According to the test data， the fatigue strength and reliability of rivet tensile and shear are verified， to provide basis for refining process specifications， standards and design guidelines， etc.， the fatigue life test data of different material rivets is summarized， the SN fatigue curve is fitted， and the fatigue life law of the rivet is extracted.

關(guān)鍵詞：鉚釘;疲勞壽命;疲勞試驗(yàn);S-N曲線(xiàn)

Key words： rivet;fatigue life;fatigue test;S-N curve

中圖分類(lèi)號(hào)：TH131.1 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1006-4311（2019）07-0105-03

0 ?引言

近年來(lái)隨著我國(guó)城市建設(shè)的飛速發(fā)展，高鐵、動(dòng)車(chē)和地鐵大批量上線(xiàn)運(yùn)行，列屬于城軌列車(chē)牽引系統(tǒng)心臟的牽引變流器等部件產(chǎn)品的配套生產(chǎn)需求也大大的提升。其中隨著列車(chē)輕量化、節(jié)能環(huán)保等的要求越來(lái)越高，牽引逆變器、輔助變流器等部件上使用的鉚接結(jié)構(gòu)越來(lái)越多，為探討研究不同材質(zhì)的鉚釘使用壽命，避免鉚釘因疲勞斷裂失效，開(kāi)展本試驗(yàn)研究。

1 ?問(wèn)題現(xiàn)狀

在軌道交通領(lǐng)域，鉚接結(jié)構(gòu)使用越來(lái)越常見(jiàn)，各種材質(zhì)的鉚釘充斥其中，鋁合金、不銹鋼和硼碳鋼等材質(zhì)抽芯鉚釘、環(huán)槽鉚釘均大量使用。對(duì)于一些外露部件如標(biāo)牌、銘牌等鉚釘鉚接也廣泛應(yīng)用于各種柜體、門(mén)板結(jié)構(gòu)上，其使用壽命確沒(méi)有明確的數(shù)據(jù)支撐，哪種鉚釘耐疲勞性能更優(yōu)也沒(méi)有理論性支撐，往往運(yùn)行幾年后因鉚釘脫落造成銘牌整體掉落也時(shí)有發(fā)生（見(jiàn)圖1），因此結(jié)合此類(lèi)情況，選擇了三種常用的不同材質(zhì)的鉚釘對(duì)其耐疲勞性能進(jìn)行了研究分析。

2 ?鉚釘疲勞壽命試驗(yàn)分析

2.1 鉚釘疲勞壽命試驗(yàn)方案

根據(jù)GB/T 24176-2009 金屬材料 疲勞試驗(yàn) 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方案與分析方法和HBZ 112-1986 材料疲勞試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)分析方法國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，在給定的應(yīng)力S下進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，仔細(xì)準(zhǔn)備一套試樣測(cè)定每一試樣的疲勞壽命值，其中每套試樣包含7個(gè)應(yīng)力等級(jí)共21個(gè)拉伸試驗(yàn)樣品和7個(gè)應(yīng)力等級(jí)的21個(gè)剪切試驗(yàn)樣品。

試驗(yàn)條件：室溫;

試驗(yàn)方法：拉伸疲勞試驗(yàn)及剪切疲勞試驗(yàn)（圖2-圖3）;

設(shè)備：疲勞試驗(yàn)機(jī)、試驗(yàn)夾具、鉚槍、試驗(yàn)所需工具工裝等;

試驗(yàn)材料：POP AD65、MGLP-U6-7和AVEDEL0604。

2.2 鉚釘疲勞壽命試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)鉚釘疲勞試驗(yàn)結(jié)果，模擬出不同鉚釘?shù)睦旒凹羟衅赟-N曲線(xiàn)如下：

從圖4可知，POP AD65的拉伸疲勞壽命在103～105次數(shù)之間，疲勞壽命較小;在同等疲勞載荷下，疲勞壽命不穩(wěn)定，同時(shí)隨著疲勞載荷減小，POP AD65的拉伸疲勞壽命并沒(méi)有顯著的增加，在靜載極限的0.3倍載荷的疲勞作用下，POP AD65的拉伸疲勞壽命也才104左右。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)，POP AD65的拉伸疲勞壽命整體較低。

從圖5可知，POP AD65的剪切疲勞壽命在104～3×106次數(shù)之間，剪切疲勞壽命較拉伸疲勞壽命大幅度提高;在同等疲勞載荷下，疲勞壽命也較拉伸疲勞壽命穩(wěn)定;同時(shí)，隨著疲勞載荷減小，POP AD65的剪切疲勞壽命穩(wěn)定的增加，在靜載極限的0.25倍載荷的疲勞作用下，POP AD65的剪切疲勞壽命接近3×106左右。根據(jù)POP AD65的抽芯鉚釘疲勞實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)，POP AD65的剪切疲勞壽命較拉伸疲勞壽命為優(yōu)，耐拉伸載荷水平較差。

從圖6可知，U6-7的拉伸疲勞壽命在104～107次數(shù)之間，疲勞壽命較好;在同等疲勞載荷下，疲勞壽命穩(wěn)定，同時(shí)隨著疲勞載荷減小，U6-7的拉伸疲勞壽命顯著的增加，S-N曲線(xiàn)較平緩，在靜載極限的0.3倍載荷的疲勞實(shí)驗(yàn)中，疲勞壽命達(dá)到了500萬(wàn)次實(shí)驗(yàn)設(shè)定的極限疲勞壽命。

從圖7可知，U6-7的剪切疲勞壽命在104～107次數(shù)之間，剪切疲勞壽命較拉伸疲勞壽命稍差;在同等疲勞載荷下，疲勞壽命也沒(méi)有拉伸疲勞壽命穩(wěn)定;隨著疲勞載荷減小，U6-7的剪切疲勞壽命也隨之增加，在靜載極限的0.3倍載荷的疲勞作用下，U6-7的剪切疲勞壽命也達(dá)到了實(shí)驗(yàn)設(shè)定的疲勞壽命極限500萬(wàn)次。根據(jù)U6-7的抽芯鉚釘疲勞實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)，U6-7的拉伸疲勞壽命較剪切疲勞壽命為優(yōu)，耐剪切載荷水平稍差，但遠(yuǎn)比POP-AD65抽芯鉚釘疲勞性能為優(yōu)。

從圖8可知，AveDel0604環(huán)槽鉚釘?shù)睦炱趬勖?04～3×106次數(shù)之間，疲勞壽命較AD65為好;但在同等疲勞載荷下，疲勞壽命不穩(wěn)定，循環(huán)次數(shù)相差較大，而隨著疲勞載荷的降低，AveDel 0604環(huán)槽鉚釘?shù)睦炱趬勖鼪](méi)有顯著增加，反而有下降趨勢(shì)，S-N曲線(xiàn)平緩，在靜載極限的0.55倍載荷的疲勞實(shí)驗(yàn)中，疲勞循環(huán)次數(shù)僅有十幾萬(wàn)次，可見(jiàn)其耐拉伸疲勞性能一般。

從圖9可知，AveDel0604環(huán)槽鉚釘剪切疲勞壽命在104～107次數(shù)之間，剪切疲勞壽命較拉伸疲勞壽命明顯提高;在同等疲勞載荷下，疲勞壽命也比拉伸疲勞壽命穩(wěn)定;隨著疲勞載荷減小，AveDel0604環(huán)槽鉚釘?shù)募羟衅趬勖搽S之增加，在靜載極限的0.7倍載荷的疲勞作用下，AveDel0604環(huán)槽鉚釘?shù)募羟衅趬勖鸵堰_(dá)到了實(shí)驗(yàn)設(shè)定的疲勞壽命極限500萬(wàn)次，可見(jiàn)耐剪切疲勞性能優(yōu)異。

根據(jù)AveDel0604環(huán)槽鉚釘疲勞實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)，其拉伸疲勞壽命較剪切疲勞壽命差，耐剪切載荷水平非常好。相對(duì)于同為4.8孔徑大小鉚釘，AveDel0604環(huán)槽鉚釘耐剪切疲勞壽命遠(yuǎn)比POP-AD65和U6-7抽芯鉚釘為優(yōu)。

2.3 Φ4.8鉚釘疲勞壽命性能試驗(yàn)對(duì)比分析

AVEDEL0604、POP AD65和MGLP-U6-7鉚釘均適用于底孔直徑大小為4.86～5.0左右的，鉚釘直徑大小約為4.8mm，三種鉚釘適用安裝情況類(lèi)似，大部分情況下可通用，故對(duì)此三種鉚釘?shù)钠趬勖闆r進(jìn)行對(duì)比分析，分析方法依然是選取載荷均值相差不大的載荷進(jìn)行對(duì)比分析，具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下。

從表1、圖10可以看出，對(duì)于拉升疲勞壽命，AD65鉚釘實(shí)驗(yàn)載荷最小而循環(huán)次數(shù)最低，僅103級(jí)別，而U6-7實(shí)驗(yàn)載荷略大于AD65鉚釘，但相較于AD65循環(huán)次數(shù)有大幅度提高，達(dá)到了5萬(wàn)多次（AD65的20多倍），而0604鉚釘實(shí)驗(yàn)載荷最大，比0604載荷高出0.25kN，但是循環(huán)次數(shù)達(dá)到了50多萬(wàn)次，可知0604的拉伸疲勞載荷遠(yuǎn)優(yōu)于AD65和U6-7鉚釘。

從表2、圖11可以看出，對(duì)于剪切疲勞壽命，AD65鉚釘實(shí)驗(yàn)載荷最小而循環(huán)次數(shù)最低，僅104級(jí)別，而U6-7實(shí)驗(yàn)載荷比AD65高了約1kN，但相較于AD65循環(huán)次數(shù)有大幅度提高，達(dá)到了105多次（AD65的7倍多），而0604鉚釘實(shí)驗(yàn)載荷最大，循環(huán)次數(shù)達(dá)到了實(shí)驗(yàn)設(shè)定的疲勞壽命極限500萬(wàn)次，可知0604的剪切疲勞載荷遠(yuǎn)優(yōu)于AD65和U6-7鉚釘。

綜上所述，此三種鉚釘?shù)钠趬勖阅軆?yōu)異性能排行為0604鉚釘最高，U6-7鉚釘次之，AD65鉚釘最差。即硼碳鋼材質(zhì)的鉚釘耐疲勞性能最優(yōu)，不銹鋼材質(zhì)鉚釘次之，鋁合金5056的鉚釘耐疲勞性能最差。

3 ?結(jié)論

鉚接結(jié)構(gòu)是變流器柜體制作及組裝過(guò)程中的核心結(jié)構(gòu)，鉚釘耐疲勞性能的好壞直接影響整個(gè)鉚接結(jié)構(gòu)的使用壽命，本文在通過(guò)大量的試驗(yàn)基礎(chǔ)上對(duì)鋁合金5056、不銹鋼和硼碳鋼三種材質(zhì)的鉚釘進(jìn)行疲勞壽命試驗(yàn)分析，得出結(jié)論如下：

①鋁合金5056的POP AD65抽芯鉚釘耐拉伸疲勞性能為103～105，耐剪切疲勞試驗(yàn)性能為104～3×106;

②不銹鋼材質(zhì)的U6-7抽芯鉚釘耐拉伸疲勞性能為104～107，耐剪切疲勞試驗(yàn)性能為104～107;

③硼碳鋼材質(zhì)的0604環(huán)槽鉚釘耐拉伸疲勞性能為104～107，耐剪切疲勞試驗(yàn)性能為104～107;

④三種鉚釘?shù)钠趬勖阅軆?yōu)異性能排行硼碳鋼材質(zhì)的0604環(huán)槽鉚釘耐疲勞性能最優(yōu)，不銹鋼材質(zhì)U6-7抽芯鉚釘次之，鋁合金5056的POP AD65抽芯鉚釘耐疲勞性能最差。

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