曾燕軍，胡坤鏡，李祥濤，盧興旺

(1.大功率交流傳動電力機車系統(tǒng)集成國家重點實驗室，湖南 株洲 412000；2.中車株洲電力機車有限公司，湖南 株洲 412000)

1 概述

螺栓連接作為一種機械連接方式，在軌道交通行業(yè)得到了廣泛的運用。對于一些受力較大的部件，由于其運用功能要求能夠進行拆裝，也必須采用螺栓連接的方式進行固定。螺栓連接是否安全可靠，是否滿足螺栓連接強度的要求，不僅直接關(guān)系到部件本身的性能，更關(guān)系到整個軌道交通產(chǎn)品的運用安全。因此，必須對軌道交通產(chǎn)品中受力較大的螺栓連接進行強度校核。

目前國內(nèi)螺栓連接強度校核主要是通過機械設(shè)計手冊進行相對簡單的強度校核，其考慮到的關(guān)聯(lián)因素較少，存在一定的局限性，其計算結(jié)果的可靠性有待進一步加強。VDI 2230《高應(yīng)力螺栓連接的系統(tǒng)計算》用來校核螺栓連接的強度已經(jīng)實踐了幾十年，該標準被廣泛承認和經(jīng)常參考，在德國等國家被當作標準用于計算螺栓連接，它積累了螺栓連接計算的很多經(jīng)驗和研究成果，提供了校核螺栓連接強度的計算步驟、計算公式、參數(shù)的選擇、各種運用場景等，能夠較全面的校核螺栓連接強度。本文將采用VDI2230標準對某型機車排障器的螺栓連接結(jié)構(gòu)進行強度校核。

2 排障器結(jié)構(gòu)及螺栓連接說明

某型機車排障器結(jié)構(gòu)采用整體式焊接結(jié)構(gòu)，排障器結(jié)構(gòu)內(nèi)部筋板結(jié)構(gòu)采用 “田”字形布置形式。排障器結(jié)構(gòu)位于機車的前部，安裝在底架下部，主要作用是排除機車前方的障礙物。排障器的設(shè)計重量為489 kg，排障器通過12個M30×75-8.8的螺栓和12個M24×45-8.8的螺柱安裝在車體底架上，排障器結(jié)構(gòu)及其螺栓連接結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 排障器螺栓連接結(jié)構(gòu)示意圖

3 排障器的受力分析

根據(jù)EN 12663-1《鐵路應(yīng)用 鐵路車輛車體的結(jié)構(gòu)要求 第1部分：機車和客運車輛(以及貨車的一種選擇方法)》的要求，排障器安裝螺栓須承受垂向±3 g的重力加速度，橫向±1 g的加速度以及縱向±3 g的加速度載荷。同時此型號機車排障器須滿足TJ/JW 102《交流傳動機車司機室防撞性暫行技術(shù)規(guī)范》標準要求，即排障器中部須承受300 kN縱向壓縮力，排障器側(cè)邊承受250 kN縱向壓縮力，排障器安裝螺栓不會失效。排障器載荷工況如表1所示。

按照表1的載荷工況，對排障器進行強度仿真計算，排障器有限元模型見圖2。根據(jù)仿真計算結(jié)果，排障器中部承受300 kN縱向載荷時，其安裝螺栓受力最大。因此，選取此工況有限元分析的計算結(jié)果進行螺栓強度校核。從排障器有限元分析計算結(jié)果中提取出螺栓所受最大垂向力和最大橫向力分別為：

圖2 排障器有限元模型

表1 排障器的載荷工況表(g取9.81 m/s2) 單位：kN

FAmax=55 045N

Fτmax=18 730N

最大受力的螺栓規(guī)格為M30×75-8.8，規(guī)格M30×75-8.8螺栓連接相關(guān)參數(shù)如表2所示。

表2 規(guī)格M30×75-8.8螺栓連接相關(guān)參數(shù)

4 排障器螺栓連接的強度校核

排障器螺栓連接的強度是通過標準VDI2230進行校核，根據(jù)標準給出的螺栓校核步驟，選擇合適的計算公式及參數(shù)，重點評判排障器螺栓連接的安裝負載、工作載荷、疲勞載荷、螺栓表面壓力是否滿足標準要求。具體螺栓連接強度校核過程及結(jié)果如下。

1)確定擰緊系數(shù)。由于用扭力扳手來擰緊螺栓，根據(jù)標準中表A8，確定擰緊系數(shù)為：

αA=1.7

2)確定需要的最小夾緊力。根據(jù)VDI2230 中公式R2/1及5.4.1節(jié)，需要的最小夾緊力為：

其中，標準表A6查得界面摩擦系數(shù)為：μTmin=0.2

內(nèi)部力傳遞界面系數(shù)為：qF=1

3)確定柔性系數(shù)、作用力傳遞系數(shù)和載荷系數(shù)。螺栓的柔性系數(shù)δs根據(jù)標準5.1.1章中的公式確定：

δs=δSK+δ1+…δGew+δGM

其中：

因此：

δs=4.99×10-7mm/N

根據(jù)標準5.1.2章中的公式確定：

δP=

其中：

tanφD=0.362+0.032 ln(βL/2)+0.153 lny=0.492

因此：

δP=2.255×10-7mm/N

作用力傳遞系數(shù)n根據(jù)圖5.2/12及表5.2/1得出，n取0.15。

根據(jù)標準中公式R3/3可知，載荷系數(shù)為：

4)確定由于嵌入產(chǎn)生的預(yù)緊力損耗。對于螺栓由于應(yīng)變造成的預(yù)緊力的損耗，按照標準中表5.4/1的規(guī)定，預(yù)緊力損耗為：

其中：fz=0.01 mm

5)確定最小安裝預(yù)緊力?？紤]到預(yù)加載荷變化和假設(shè)連接最大可能的解除，可以得到需要的最小安裝預(yù)緊力。按照標準中公式R5/1，最小安裝預(yù)緊力為：

6)確定最大安裝預(yù)緊力?？紤]到標準中公式(R1/1)，按照標準中公式R6/1，排障器安裝的螺栓最大安裝預(yù)緊力為：

FMmax=αA·FMmin=271 875.6 N

7)安裝負載。根據(jù)標準表A1中查到摩擦系數(shù)取0.1時，其安裝預(yù)緊力為：

FMzul=FMtab=307 000 N

排障器螺栓安裝的預(yù)緊力為307 000 N>271 875.6 N，因此，排障器安裝螺栓的安裝預(yù)緊力滿足VDI2230的要求。

8)工作載荷。根據(jù)標準中公式R8/1，螺栓受到的最大工作載荷：

FSmax=FMzul+Φn·FAmax=309 570.4 N

根據(jù)標準中公式R8/2，最大工作載荷下，螺栓的拉伸應(yīng)力：

σzmax=FSmax/AS=551.8 N/mm2

根據(jù)標準中公式R8/3，最大工作載荷下，螺栓的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力：

τmax=MG/WP

τmax=177 N/mm2

由標準中公式R8/4及kτ=0.5可知，計算對比應(yīng)力為：

根據(jù)標準ISO 898 可知，排障器安裝螺栓的屈服應(yīng)力為：

RP0.2min=660 N/mm2

根據(jù)標準中公式R8/5-2，安全系數(shù)為：

SF=RP0.2min/σred，B=1.15

由于安全系數(shù)大于1，所以螺栓能承受住最大工作載荷。

9)疲勞載荷。根據(jù)標準中公式R9/1可知，螺栓的疲勞載荷為：

根據(jù)標準中公式R9/5-1可知，螺栓的耐疲勞性能極限為：

σa<<σASV，因此，螺栓的耐疲勞性能極限滿足標準要求。

10)螺栓表面壓力。螺栓接觸面積為：

根據(jù)標準中公式R10/1可知，螺栓的表面壓力為：

墊圈硬度為200 HV(根據(jù)EN ISO 18265可以查到對應(yīng)190 HB)，根據(jù)VDI2230表A9，墊圈接觸面壓力為PG=570 MPa。

根據(jù)標準中公式R10/4，安全系數(shù)為：

因此，排障器螺栓連接能夠承受螺栓的表面壓力，其滿足標準要求。

5 結(jié)語

本文介紹了某型機車排障器及其螺栓連接的結(jié)構(gòu)形式，根據(jù)標準EN 12663和TJ/JW 102規(guī)定的載荷工況，采用有限元法分析了排障器及螺栓的受力情況，提取出排障器單個螺栓受到的最大垂向力和橫向力，并采用VDI2230標準對排障器的螺栓連接結(jié)構(gòu)進行強度校核，詳細說明了排障器螺栓連接強度校核的步驟、計算公式及計算參數(shù)的選取，重點評判排障器螺栓連接的安裝負載、工作載荷、疲勞載荷、螺栓表面壓力。計算結(jié)果表明：排障器螺栓安裝負載、工作載荷、疲勞載荷、螺栓表面壓力都滿足滿足VDI2230標準的要求，因此，排障器螺栓連接結(jié)構(gòu)的設(shè)計是合理的。本文提供的螺栓強度校核的方法，對后續(xù)螺栓強度校核具有一定的借鑒意義。