陽清泉，吳 勇，黃細友，劉元平，陶 澤

（中車株洲電機有限公司，湖南 株洲412001）

機車車輛運行過程中，工況復(fù)雜，變壓器安裝時應(yīng)選取合適的螺栓，以保證變壓器在機車運行時保持平穩(wěn)及緊固。文章對鋼軌打磨車隔離變壓器的安裝螺栓靜強度和疲勞強度進行計算和校核，確認產(chǎn)品在極端的工作條件下能夠正常工作。

1 螺栓技術(shù)參數(shù)

隔離變壓器安裝于車體下方，靠螺栓將其與車體連接在一起，防止出現(xiàn)滑動或相互脫開。選擇螺栓時需考慮車輛的運行條件，螺栓的強度必須滿足不同載荷情況下的應(yīng)力要求；對于動態(tài)或靜態(tài)負載的螺栓連接的功能而言，應(yīng)存在一定的預(yù)緊力，螺栓的擰緊力矩必須保證變壓器在機車運行過程中不發(fā)生滑動。

隔離變壓器安裝螺栓組的分布及加速度方向如圖1 所示，其縱向，橫向與垂向加速度分別如圖1中ax，ay與az，圖中1-8 標(biāo)識為螺栓安裝位置。

圖1 變壓器螺栓分布及加速度方向圖

隔離變壓器的質(zhì)量為3550kg，螺栓組所在平面與變壓器重心在垂直方向上的距離為345mm，螺栓中心與結(jié)合面對稱軸縱向距離均為841mm，螺栓中心與結(jié)合面對稱軸橫向最遠距離為256+120=376mm。變壓器安裝螺栓技術(shù)參數(shù)如表1 所示：

2 載荷條件

根據(jù)IEC61373-2010《軌道交通—機車車輛設(shè)備沖擊和振動試驗》的規(guī)定，牽引變壓器共受到以下3 種沖擊超常載荷工況，這3 種載荷工況是：

（1）垂向3g 加速度；

（2）橫向3g 加速度；

（3）縱向5g 加速度；

根據(jù)EN12663-1：2010《鐵路應(yīng)用—鐵路車輛車體結(jié)構(gòu)要求》的規(guī)定，牽引變壓器運用加速度載荷為：

（4）縱向加速度 ax=0．2g

（5）橫向加速度 ay=0．15g

（6）垂向加速度 az=1±0．15g

3 判斷依據(jù)

根據(jù)有關(guān)載荷是否為靜態(tài)負載或疲勞負載（運用載荷）確定相應(yīng)的許用安全系數(shù)：在沖擊載荷工況下，允許應(yīng)力與計算應(yīng)力的比值應(yīng)大于或等于S1（S1=1．15）。

在運用載荷工況下，允許應(yīng)力與計算應(yīng)力的比值應(yīng)大于或等于S2（S2=1．5）。

其中：σS為材料屈服強度，N/mm2。σ 為計算應(yīng)力，N/mm2。

4 計算公式

螺栓的總拉力：

式中：P0為預(yù)緊力；P 為工作載荷；KC—螺栓的相對剛度系數(shù)，取值0．25。

螺栓預(yù)緊力：

式中：T 為擰緊力矩；K 為擰緊力矩系數(shù)，取值0．28。

傾覆力矩對螺栓產(chǎn)生的載荷：

式中：M 為傾覆力矩；Li為各個螺栓的力臂。

螺栓殘余預(yù)緊力為：

螺栓的摩擦力：

式中：Kn為可靠性系數(shù)，取1．2；f 為連接摩擦副摩擦系數(shù)，取0．3；n 為螺栓個數(shù)；i 為摩擦面數(shù)量。

螺栓的拉應(yīng)力：

5 隔離變壓器安裝螺栓強度校核

螺栓強度計算包括：靜止時的強度校核、考核沖擊載荷時的強度校核以及運用中的疲勞強度校核。

5.1 靜止時的螺栓強度校核

自身重力給單個螺栓的力：P=mg/n=3550×9．8／8＝4348．8N

螺栓的預(yù)緊力：

螺栓總拉力與應(yīng)力：

根據(jù)EN12663 標(biāo)準(zhǔn)校核：

因此螺栓強度滿足要求。

5.2 考核沖擊載荷時的強度校核

縱向加速度產(chǎn)生的力：Fx=max=3550×5×9．8=173950N。

橫向加速度產(chǎn)生的力：Fy=may=3550×3×9．8=104370N。

垂向加速度產(chǎn)生的力：Fz=maz=3550×3×9．8=104370N。

根據(jù)螺栓安裝狀態(tài)可知，螺栓縱向加速度與橫向加速度產(chǎn)生傾覆力矩作用到螺栓軸向方向，垂向加速度產(chǎn)生的力與螺栓預(yù)緊力方向一致。設(shè)定縱向加速度向右，橫向加速度向外，采用公式（3）分別計算出縱向和橫向加速度對螺栓的最大載荷。

縱向加速度的影響對螺栓的最大載荷：

橫向加速度的影響對螺栓的最大載荷：

垂向加速度對螺栓的載荷：

隔離變壓器安裝螺栓在水平面以中心對稱布置。隔離變壓器不產(chǎn)生滑移的條件，軸向力產(chǎn)生的摩擦力大于水平安裝面內(nèi)的合力。利用公式（1）與公式（4）（5）的轉(zhuǎn)換計算螺栓組的摩擦力為：

橫向與縱向的合力：

可知，橫縱向力的合力小于螺栓組的摩擦力，即F＜F’，因此螺栓預(yù)緊是安全的，結(jié)合面不會產(chǎn)生相對滑移。

由于垂向加速度向下將增大螺栓的拉力，因此設(shè)定螺栓垂向加速度向下進行分析。3 個方向的加速度對螺栓的載荷方向一致時，其螺栓拉力最大：

螺栓的最大總拉力：Pmax=P0＋KcPmax=158390.6N

螺栓軸向最大拉應(yīng)力為：

根據(jù)EN12663 標(biāo)準(zhǔn)校核：

因此螺栓強度滿足要求。

5.3 螺栓疲勞強度校核

縱向加速度產(chǎn)生的力：Fx=max=3550×0.3×9.7=6958N。

橫向加速度產(chǎn)生的力：Fy=may=3550×0.15×9.8=5218.5N。

垂向加速度產(chǎn)生的力：Fz=maz=3550×1.15×9.8=40008.5N。

縱向加速度對螺栓的最大載荷：

橫向向加速度對螺栓的最大載荷：

垂向加速度對螺栓的最大載荷：

3 個方向的加速度對螺栓的載荷方向一致時，螺栓拉力最大，其載荷進行合成為：

螺栓的最大總拉力：

螺栓軸向最大拉應(yīng)力為：

根據(jù)EN12663 標(biāo)準(zhǔn)校核：

因此螺栓的疲勞強度滿足要求。

6 結(jié) 語

綜上所述，隔離變壓器在運用載荷和沖擊載荷的作用下，均滿足最大拉應(yīng)力小于相應(yīng)許用應(yīng)力、最大疲勞應(yīng)力小于相應(yīng)許用疲勞應(yīng)力的要求，滿足EN12663 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定安全運用要求。