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        扶手連接軸結(jié)構(gòu)緊固螺栓失效淺析

        2021-04-22 05:19:12常虹任明葛萬(wàn)明
        工程技術(shù)與管理 2021年6期
        關(guān)鍵詞:碳鋼摩擦系數(shù)螺紋

        常虹 任明 葛萬(wàn)明

        中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司,中國(guó)·江蘇 南京 210000

        1 引言

        地鐵車輛客室扶手是內(nèi)裝的重要組成部分,也是乘客乘車時(shí)接觸最多的區(qū)域,其裝配的質(zhì)量將直接影響車輛的運(yùn)營(yíng)及乘客的安全。論文主要介紹扶手連接軸形式的連接原理,及連接中螺栓的失效原因及優(yōu)化措施。

        2 扶手連接原理

        整體扶手形式如圖1所示,扶手桿采用304L 不銹鋼管,在扶手桿對(duì)接處,連接軸置于相鄰扶手內(nèi)部,連接軸外徑比扶手桿內(nèi)徑小0.5mm。

        圖1 整體扶手形式

        如圖2所示,連接軸斷面呈“C”型,連接軸開有通長(zhǎng)槽口結(jié)構(gòu),連接軸上半結(jié)構(gòu)帶有兩個(gè)M6 的內(nèi)螺紋孔。安裝過(guò)程中,螺栓旋入連接軸的螺紋內(nèi),螺栓尾部抵在連接軸開槽平面上,使得連接軸的開槽角度變大,進(jìn)而連接軸與扶手桿內(nèi)壁存在摩擦副,通過(guò)摩擦副的作用“抱緊”扶手,如圖3所示。

        圖2 連接軸結(jié)構(gòu)

        圖3 連接軸與扶手連接狀態(tài)

        3 連接失效形式

        沿扶手軸向拉動(dòng)扶手,扶手桿與連接軸間摩擦副存在滑動(dòng),即出現(xiàn)扶手桿松脫現(xiàn)象。為滿足扶手桿與連接軸不松脫,摩擦副間需要較大的靜摩擦力,進(jìn)而需要更大的正壓力[1]。實(shí)際安裝中,分別選用8.8 級(jí)-M6 螺栓及A2-70-M6 螺栓進(jìn)行緊固,在施加標(biāo)準(zhǔn)扭矩時(shí),扶手均出現(xiàn)松脫現(xiàn)象,當(dāng)施加扭矩13Nm 時(shí),扶手不松脫,但螺栓及連接軸存在以下失效形式,具體如表1所述。

        表1 8.8 級(jí)-M6 螺栓及A2-70-M6 螺栓對(duì)比

        失效1:碳鋼螺栓斷裂失效,斷裂位置在螺栓頭部下方嚙合螺紋第1 扣螺紋處,如圖4所示。

        失效2:不銹鋼螺栓失效分兩種:50%的螺栓螺紋損壞,螺桿出現(xiàn)頸縮但未斷裂;50%的螺栓螺桿斷裂。失效位置皆在螺栓頭部下方嚙合螺紋第1 扣螺紋處,如圖4所示。

        圖4 螺栓示意圖

        失效3:連接軸螺紋存在損壞現(xiàn)象,如圖5所示。

        圖5 左側(cè)螺栓無(wú)法旋入,連接軸內(nèi)螺紋損壞

        4 失效形式原因分析

        在實(shí)際安裝中,為達(dá)到扶手不松脫,螺栓緊固扭矩在13Nm 以上,遠(yuǎn)大于螺栓允許施加扭矩值(如表2所示),初步分析過(guò)扭應(yīng)是造成螺栓與連接軸失效的根本原因。

        表2 螺栓允許施加扭矩值

        4.1 螺栓強(qiáng)度校核

        將受力情況進(jìn)行簡(jiǎn)化,取單個(gè)螺栓受力情況,如圖6所示,扶手與連接軸間的正壓力設(shè)為F0,即螺栓受到的預(yù)緊力,扶手桿受外部拉力設(shè)為F。連接軸外壁與扶手內(nèi)壁間摩擦系數(shù)設(shè)為μ,扶手與連接軸間的最大靜摩擦力Fmax=F0*μ,查詢材質(zhì)屬性,取μ=0.15。

        圖6 單個(gè)螺栓受力情況

        實(shí)際安裝中,每個(gè)扶手松脫現(xiàn)象,皆是在人雙手緊握扶手,整個(gè)身體猛然向后,給扶手的一個(gè)橫向沖力產(chǎn)生的,扶手的松脫是一個(gè)沖量過(guò)程,根據(jù)沖量與動(dòng)量的關(guān)系可知:mV1-mV2=Ft,其中m 取平均人體重60kg,晃動(dòng)時(shí)的瞬間速度取3m/s,即V1=3m/s,V2=0,扶手產(chǎn)生縫隙時(shí)間t 取0.1s,從而得出F=(mV1-mV2)/t=1800N。

        要想保證扶手不松脫,需滿足F ≤Fmax,即F ≤F0×μ,從而得出F0≥F/μ,即F0≥12000N。

        在連接軸與扶手內(nèi)壁“頂住”后,螺栓尾部與連接軸間的摩擦副作用,使得螺栓尾部“鎖死”,在扭矩作用下,螺栓除了受壓應(yīng)力,還受到扭轉(zhuǎn)應(yīng)力。根據(jù)第四強(qiáng)度理論,螺栓預(yù)緊狀態(tài)下的計(jì)算應(yīng)力為:

        即螺栓危險(xiǎn)截面的強(qiáng)度應(yīng)力:

        其中,要保證扶手不松脫,F(xiàn)0 ≥12000N,螺紋小徑d1=5.0mm,代入式中,可得:σca ≥795MPa。

        螺栓危險(xiǎn)截面的強(qiáng)度條件需滿足:

        碳鋼8.8 級(jí)螺栓極限應(yīng)力σlim為800MPa,A2-70 不銹鋼螺栓極限應(yīng)力σlim為700MPa,可知,碳鋼螺栓和不銹鋼螺栓的許用強(qiáng)度[σ]小于795MPa。因此,由于螺栓過(guò)載,出現(xiàn)斷裂、頸縮等失效現(xiàn)象。

        4.2 螺栓失效位置分析

        螺紋嚙合過(guò)程中,第1 扣螺紋受力最大,以后每扣受力非線性遞減,如圖7所示,所以在拆裝過(guò)程中,螺栓失效位置皆在螺栓頭部下方旋合螺紋第1 扣螺紋處。

        圖7 螺栓失效位置分析

        4.3 碳鋼螺栓與不銹鋼螺栓失效對(duì)比

        在實(shí)際拆裝過(guò)程中,碳鋼螺栓過(guò)扭后很容易斷裂,而不銹鋼螺栓斷裂情況相對(duì)少一些,以下從屈強(qiáng)比方面進(jìn)行簡(jiǎn)單闡述。

        8.8 級(jí)碳鋼螺栓斷裂強(qiáng)度為800MPa,屈服強(qiáng)度為640MPa,屈強(qiáng)比為0.8。A2-70 不銹鋼螺栓斷裂強(qiáng)度為700MPa,屈服強(qiáng)度為450MPa,屈強(qiáng)比為0.6。

        在螺紋嚙合過(guò)程中,由于不銹鋼螺栓屈強(qiáng)比較低,螺栓發(fā)生塑性變形后,能夠有較多時(shí)間將螺紋受力向后面幾扣螺紋進(jìn)行傳導(dǎo),而碳鋼螺栓屈強(qiáng)比較高,發(fā)生塑性變形后,較快地達(dá)到強(qiáng)度極限,所以出現(xiàn)斷裂的情況較多,而不銹鋼螺栓出現(xiàn)斷裂的情況相對(duì)少一些[2]。

        4.4 連接軸失效

        連接軸無(wú)需考慮斷裂的情況發(fā)生,僅考慮是否容易發(fā)生塑性變形。連接軸的屈服強(qiáng)度極限在235MPa 左右,數(shù)值較小,很容易發(fā)生塑性變形,發(fā)生螺紋損壞現(xiàn)象。

        5 優(yōu)化措施

        5.1 增大連接軸與扶手間的摩擦系數(shù)

        根據(jù)Fmax=F0*μ 可知,在Fmax不變的情況下,增大μ,則F0則變小,螺栓受力變小,螺栓不容易出現(xiàn)斷裂等失效。增大連接軸與扶手內(nèi)壁的摩擦系數(shù),可采用連接軸外壁滾花、倒刺處理,或者在連接軸外壁增加摩擦系數(shù)大的材料,如橡膠等。

        5.2 提高螺栓剛度等級(jí)

        根據(jù)強(qiáng)度校核可知,提高σlim,可以承受更大的實(shí)際應(yīng)力σca。提高螺栓強(qiáng)度極限,可選用10.9 級(jí)碳鋼螺栓、直徑等級(jí)更大的螺栓,或合金高強(qiáng)度螺栓。

        同時(shí),需要相應(yīng)增加連接軸內(nèi)螺紋強(qiáng)度等級(jí),連接軸可采取屈服強(qiáng)度極限更大的材料制作并攻絲處理,或在連接軸內(nèi)嵌與螺栓等級(jí)相應(yīng)的螺母。

        5.3 更改結(jié)構(gòu)

        由于依靠螺栓的緊固來(lái)保證扶手不松脫,螺栓承受應(yīng)力較大,對(duì)于普通M6 螺栓較難達(dá)到,可增加彈簧銷、鍵連接結(jié)構(gòu),如圖8所示。

        圖8 更改結(jié)構(gòu)

        6 結(jié)語(yǔ)

        論文以地鐵項(xiàng)目扶手連接軸結(jié)構(gòu)螺栓失效為研究對(duì)象,通過(guò)螺栓強(qiáng)度校核發(fā)現(xiàn)主要原因是螺栓強(qiáng)度無(wú)法滿足要求,并由此提出以下優(yōu)化措施:①增加扶手與連接軸間摩擦系數(shù);②選用強(qiáng)度極限更大的緊固件;③扶手與連接軸間增加彈簧銷、鍵連接等。

        通過(guò)對(duì)不銹鋼及碳鋼螺栓失效位置及失效形式進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)以下現(xiàn)象:①嚙合螺紋第1 扣受力最大從而此位置失效;②A2-70 螺栓屈強(qiáng)比較低,斷裂情況較少,8.8 級(jí)螺栓屈強(qiáng)比較高全部斷裂。

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