滕萬秀,孫健,姜春龍,蓋杰,王岳宸

(中車長春軌道客車股份有限公司,吉林 長春 130021)

設(shè)備艙是動車組的重要組成部分,很多重要的設(shè)備均安置在設(shè)備艙內(nèi),目前已運(yùn)營的各類動車組設(shè)備艙均包含成百上千的螺栓,螺栓緊固件連接是否可靠,直接關(guān)系到列車的運(yùn)營安全。李曉峰等[1]應(yīng)用機(jī)械設(shè)計(jì)手冊、有限元仿真分析和VDI 2230:2014標(biāo)準(zhǔn)3種分析方法對標(biāo)準(zhǔn)化動車組設(shè)備艙吊梁與底板滑道進(jìn)行評估。楊川等[2]針對動車組制動盤螺栓斷裂問題,采用疲勞試驗(yàn)的方法進(jìn)行研究。張化謙等[3]通過試驗(yàn)對人工扭矩法、機(jī)器扭矩轉(zhuǎn)角法兩種安裝工藝效果進(jìn)行了研究。

針對國內(nèi)某高速動車組設(shè)備艙裙板支架螺栓發(fā)生的兩起滑移問題,本文根據(jù)鄭徐線實(shí)測的時(shí)速350 km車輪磨耗中期加速度功率譜進(jìn)行長壽命隨機(jī)振動試驗(yàn);根據(jù)IEC 61373:2010[4]標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行沖擊試驗(yàn),同時(shí),通過光纖智能螺栓及測試系統(tǒng)對螺栓預(yù)緊力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測,并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果結(jié)合有限元仿真分析和VDI 2230:2014標(biāo)準(zhǔn)[5]對該位置螺栓抗滑移性能進(jìn)行計(jì)算,為螺栓發(fā)生滑移原因分析提供參考。

1 試驗(yàn)介紹

1.1 試驗(yàn)對象

試驗(yàn)對象為從實(shí)車截取的單個(gè)設(shè)備艙模塊,螺栓滑移位置見圖1,裙板支架連接角鐵沿車縱向的兩個(gè)螺栓,型號為M10X70,A4-70級,預(yù)緊力矩為26 Nm。

(a) 螺栓滑移位置

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

振動試驗(yàn)臺主要用于開展各類機(jī)械結(jié)構(gòu)在車輛不同運(yùn)行工況下的振動和沖擊試驗(yàn),可依據(jù)IEC 61373:2010等標(biāo)準(zhǔn)開展隨機(jī)振動試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)。

智能螺栓內(nèi)部安裝光纖傳感器,與測試系統(tǒng)連接后,可以實(shí)時(shí)對振動、沖擊試驗(yàn)過程中螺栓的預(yù)緊力進(jìn)行監(jiān)測。單個(gè)設(shè)備艙模塊兩端共4處連接角鐵,本次試驗(yàn)共采用4個(gè)智能螺栓,對其中一端兩個(gè)連接角鐵進(jìn)行監(jiān)測,編號分別為1,2,3,4。智能螺栓安裝見圖2。

(a) 1、2號智能螺栓

2 長壽命隨機(jī)振動與沖擊試驗(yàn)

2.1 長壽命隨機(jī)振動試驗(yàn)

隨機(jī)振動試驗(yàn)前,在螺栓及連接角鐵上方作防松標(biāo)識。根據(jù)鄭徐線時(shí)速350 km車輪磨耗中期實(shí)測加速度功率譜,對其進(jìn)行臺架試驗(yàn)加速模擬長壽命隨機(jī)振動試驗(yàn)。長壽命隨機(jī)振動試驗(yàn)3個(gè)方向的加速度功率譜曲線見圖3,長壽命隨機(jī)振動試驗(yàn)參數(shù)見表1。

(a) 縱向

表1 長壽命隨機(jī)振動試驗(yàn)參數(shù)表

試驗(yàn)順序:試驗(yàn)前樣品外觀檢查及螺栓防松檢查、智能螺栓測試系統(tǒng)調(diào)試→長壽命隨機(jī)振動試驗(yàn)→試驗(yàn)后樣品外觀檢查及設(shè)備艙裙板支架固定螺栓檢查。

試驗(yàn)方向:垂向→橫向→縱向。

2.2 沖擊試驗(yàn)

沖擊試驗(yàn)在長壽命隨機(jī)振動試驗(yàn)完成后開展,螺栓保持隨機(jī)振動試驗(yàn)后狀態(tài),無二次緊固。

根據(jù)IEC 61373:2010標(biāo)準(zhǔn)中車體上1類A級的半正弦沖擊波形進(jìn)行試驗(yàn),參數(shù)見表2。

表2 沖擊試驗(yàn)參數(shù)表

試驗(yàn)順序:試驗(yàn)前樣品外觀檢查及防松螺栓檢查、智能螺栓測試系統(tǒng)調(diào)試→沖擊試驗(yàn)→試驗(yàn)后樣品外觀檢查及設(shè)備艙裙板支架螺栓防松線檢查。

試驗(yàn)方向:垂向→橫向→縱向。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,長壽命隨機(jī)振動試驗(yàn)及沖擊試驗(yàn)有效值控制在合理誤差范圍內(nèi)。其中,加速度頻譜密度值A(chǔ)SD控制在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值的±3 dB之內(nèi),隨機(jī)振動有效值RMS控制在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的10%以內(nèi),半正弦脈沖幅值控制在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值20%以內(nèi)。

長壽命隨機(jī)振動試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn)完成后,螺栓防松線未錯(cuò)位,所夾緊的連接角鐵未發(fā)生滑移,表明螺栓滿足抗滑移要求。

智能螺栓預(yù)緊力監(jiān)測情況見表3,可以看出,靠近中心位置2、3號螺栓預(yù)緊力衰減大于遠(yuǎn)離中心位置1、4號螺栓,2、3號螺栓預(yù)緊力損失在1 kN左右,1、4號螺栓衰減較小。

表3 智能螺栓預(yù)緊力監(jiān)測值

3 螺栓抗滑移性能計(jì)算

設(shè)備艙結(jié)構(gòu)有限元模型采用HyperMesh軟件劃分、ANSYS軟件計(jì)算。有限元模型見圖4,螺栓采用梁單元模擬,通過提取梁單元受力的6個(gè)分量來獲得各工況下螺栓所受的工作載荷。仿真分析工況見表4,考慮了加速度工況及氣動載荷工況。

圖4 有限元模型

表4 仿真分析工況

根據(jù)VDI 2230:2014標(biāo)準(zhǔn),最小夾緊載荷FKQ erf的計(jì)算公式為 :

式中:FQ max為被夾緊界面?zhèn)鬟f的最大橫向力;qF為傳遞橫向力的界面數(shù);μT min為被夾緊界面最小摩擦系數(shù);MY max為被夾緊界面?zhèn)鬟f的最大扭矩(繞螺栓軸線);qM為傳遞扭矩的界面數(shù);ra為有效扭轉(zhuǎn)半徑。

根據(jù)各仿真分析工況計(jì)算的螺栓工作載荷,結(jié)合計(jì)算夾緊力的相關(guān)參數(shù),最危險(xiǎn)工況為工況7,此時(shí)所需的最小夾緊力為4.462 kN,見表5。根據(jù)實(shí)際擰緊工藝及VDI 2230:2014標(biāo)準(zhǔn)中表A8 “擰緊系數(shù)指導(dǎo)值”,取擰緊系數(shù)αA=1.4,則所需的最小夾緊力最大值為4.462 kN×1.4=6.247 kN。

表5 最小夾緊載荷FKQ erf的計(jì)算參數(shù)

根據(jù)表3,長壽命隨機(jī)振動試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn)完成后,螺栓剩余預(yù)緊力最小值為6.776 kN,大于6.247 kN,滿足抗滑移要求。

4 結(jié)論

(1)長壽命隨機(jī)振動試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn)完成后,螺栓防松標(biāo)記未發(fā)生錯(cuò)位,未發(fā)生滑移,滿足抗滑移要求。

(2)根據(jù)有限元仿真分析及VDI 2230:2014標(biāo)準(zhǔn)對螺栓滑移性能進(jìn)行校核,在考慮擰緊系數(shù)為1.4的前提下,該位置螺栓抗滑移所需的最小夾緊力為6.247 kN。試驗(yàn)完成后該位置螺栓剩余預(yù)緊力最小值為6.776 kN,大于所需的最小夾緊力,滿足抗滑移要求。

(3)根據(jù)以上結(jié)果,結(jié)合售后反饋的累計(jì)只發(fā)生兩起滑移的情形,判斷該位置螺栓發(fā)生滑移原因?yàn)閭€(gè)例,非設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)原因?qū)е隆?/p>