黃竹安

（中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司，江蘇南京 210031）

0.引言

本文主要基于轉(zhuǎn)向架抗側(cè)滾扭桿的吊桿安裝螺栓折斷故障進(jìn)行分析，通過相關(guān)調(diào)研分析認(rèn)為：螺栓折斷與車輛找平狀態(tài)不佳有關(guān)，找平后左右兩側(cè)空簧高度差甚至高達(dá)10mm，此時螺栓易發(fā)生松動，繼而承受剪切載荷，在其他因素的耦合作用下導(dǎo)致螺栓折斷故障。

以下將詳細(xì)分析吊桿安裝螺栓的受力并提出建議。

1.結(jié)構(gòu)簡介

吊桿用于連接抗側(cè)滾扭桿與車體，配合抗側(cè)滾扭桿抑制車體的側(cè)滾傾斜運(yùn)動，吊桿螺栓的安裝扭矩設(shè)計(jì)為173N·m，如圖1所示。

圖1 結(jié)構(gòu)示意圖

2.車輛上下體側(cè)滾角度計(jì)算

2.1 重力傾角附加系數(shù)計(jì)算

考慮車輛在側(cè)傾力矩產(chǎn)生傾角后，由于重力的分量和彈性懸掛會使得車輛會在此基礎(chǔ)上有一額外的附加傾斜角[1]。通過式（1）～（3）計(jì)算重力傾角附加系數(shù)S3=0.219。

式中：np—車輛一側(cè)軸箱數(shù)量，取4；ns—車輛轉(zhuǎn)向架數(shù)量，取2；Mc3—車體在滿員載荷下重量kg，取52155kg；hsc3—車體在滿員載荷下的重心距軌面高度m，取 2.097m；hcp0,3—一系支撐面在滿員載荷下距軌面高度m，取 0.907m；hcs0,3—二系支撐面在滿員載荷下距軌面高度m，取 0.94m；Kφp0,3—整車一系在滿員載荷下的抗側(cè)滾剛度 N.m/rad，計(jì)算為 7.2MN.m/rad；Kφs0,3—整車二系在滿員載荷下的抗側(cè)滾剛度N.m/rad，計(jì)算為4.536MN.m/rad；Cp0,3—每軸箱一系在滿員載荷下的垂向剛度N/m，取0.9MN/m；Cs0,3—每轉(zhuǎn)向架一側(cè)二系在滿員載荷下的垂向剛度N/m，取 0.384MN/m；Kφn—每轉(zhuǎn)向架扭桿抗側(cè)滾剛度N.m/rad，取1.5MN.m/rad；bp—一系彈簧橫向跨距m，取2m；bs—二系彈簧橫向跨距m，取2m。

2.2 模擬運(yùn)營工況側(cè)滾角度計(jì)算

車體側(cè)滾角度利用式（4）計(jì)算，γn=36.9mrad。

式中：αys—欠超高引起的離心加速度m/s2，考慮105mm欠超高為0.804 m/s2；αydn—運(yùn)營線路不平順引起的橫向加速度m/s2，?、蠹壪薅?.15g為1.47 m/s2。[2]

3.吊桿受力分析計(jì)算

3.1 左右空簧高度差影響的吊桿垂向力

左右空簧高度差引起抗側(cè)滾扭桿的垂向位移為Z2，造成扭轉(zhuǎn)角度為δ2，則可得出因吊桿不調(diào)平造成每個扭桿吊桿承受的垂向力FZ1通過式（5）計(jì)算。

式中：La為扭桿吊桿橫向跨距m，取1.12m。

3.2 線路運(yùn)行時通過扭桿吊桿承受的垂向力

模擬運(yùn)營工況中車體與構(gòu)架之間產(chǎn)生的角度（γn）最大為36.9mrad（不含吊桿不調(diào)平引起的傾斜角δ1），此時引起的吊桿垂向力由式（6）計(jì)算，F(xiàn)z2=49.42kN。

3.3 車輛平衡狀態(tài)需要的最大吊桿垂向力

由上兩部分引起的側(cè)滾角度需要用吊桿垂向力來平衡，因此吊桿需要提供的垂向力為：

3.4 吊桿螺栓受力計(jì)算

車輛在運(yùn)行過程中，吊桿會因車體與轉(zhuǎn)向架轉(zhuǎn)角產(chǎn)生傾斜，上下節(jié)點(diǎn)形成偏移。采用圖紙模擬得出，吊桿上下節(jié)點(diǎn)最大縱向偏移57mm，橫向偏移100mm，合成后相對偏移115mm。

吊桿及其節(jié)點(diǎn)受力如圖2所示，吊桿上下節(jié)點(diǎn)位移產(chǎn)生橫向分力FL與FZ夾角與α1相等。

圖2 吊桿及其節(jié)點(diǎn)受力圖

則螺栓松動的臨界狀態(tài)下，螺栓所需的剩余預(yù)緊力FSX利用式10計(jì)算，式中μ為安裝面之間摩擦系數(shù)，取0.3；我們設(shè)定一個扭矩安全系數(shù)σ以評價螺栓額外受力前后的剩余預(yù)緊力關(guān)系，利用式（11）計(jì)算。

吊桿的連接螺栓為M16的10.9級高強(qiáng)度螺栓，緊固扭矩為173N·m，經(jīng)計(jì)算單個螺栓預(yù)緊力FS0=54kN[3]，車輛運(yùn)行后取80%的剩余扭矩。

3.5 計(jì)算結(jié)果匯總

扭矩安全系數(shù)的計(jì)算結(jié)果匯總?cè)绫?所示，可以看出隨著找平后空簧高度差的增加，吊桿螺栓的扭矩安全系數(shù)逐步降低。

表1 找平后空簧高度差與扭矩安全系數(shù)關(guān)系

4.總結(jié)及建議

通過上述分析計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)，車輛找平狀態(tài)不佳時會使吊桿螺栓的扭矩系數(shù)降低，當(dāng)車輛左右空簧高度差達(dá)到8mm時，吊桿螺栓的扭矩安全系數(shù)已經(jīng)不足1，則螺栓松動的風(fēng)險將會大大增加。而螺栓折斷除了本身制造問題外，一般是先發(fā)生松動后，產(chǎn)生剪切載荷后發(fā)生斷裂，故本文根據(jù)分析結(jié)果提出了如下建議：

（1）適當(dāng)增加螺栓緊固力矩，進(jìn)一步增加螺栓防松安全裕量。

（2）吊桿安裝時兩側(cè)不會完全水平，在一側(cè)貼靠時，另一側(cè)會有間隙，此時應(yīng)該采用加墊方式來消除間隙而不是使用螺栓緊固的方式來消除間隙，同時控制加墊數(shù)量，以避免初始扭矩的損失。