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引言

螺栓是動車組組件中的重要零部件,主要起到連接和緊固等作用。一旦螺栓發生斷裂事故,被連接部件將無法正常工作,甚至帶來安全隱患,因此對動車組上的螺栓進行疲勞強度校核對于保障列車的安全可靠性具有十分重要的意義。

許多學者對動車組螺栓可靠性展開了研究,如王冬研究動車組用螺栓是否存在可以重復使用的可能,對螺栓的機械性能、反復加載、鍍層耐腐蝕性、疲勞壽命等展開多項試驗。李曉峰等人研究了設備艙底板滑道與吊梁連接處螺栓,開展了靜強度和疲勞強度校核研究,分析了評估方法的特點。文強等人為了保證動車組設備安裝的可靠性,研究了設備安裝用螺栓預緊的扭力要求,探究了具體的預緊方法、螺栓強度的核算、預緊力的控制等,為螺栓強度校核提供了理論依據。

目前,對于動車組螺栓的研究還未涉及客室門螺栓,如何運用相關理論更加科學、高效地開展客室門中零部件的可靠性驗證工作成為目前迫切需要解決的問題。

動車組的客室門主要由門框、承載驅動單元、門扇、門控器和電氣部件等組成。其中,承載驅動機構通過螺栓和車體進行連接,一旦螺栓發生故障,車門會發生脫落,無法正常工作。鑒于螺栓的工作環境和狀態,其對自身的疲勞強度具有一定的要求。因此,本文基于有限元分析方法對車體與客室門螺栓連接部件進行疲勞強度校核計算,結果表明所選用的螺栓符合質量要求,為客室門螺栓的可靠性研究提供了理論依據。

1客室門螺栓參數

動車組列車客室門主要結構包括承載機構、驅動機構、鎖閉機構、支撐組件等,承載驅動機構和車體之間通過4個螺栓連接,如圖1所示。

螺栓型號為M12×35-A2-70,最小抗拉強度為700MPa,根據標準DIN 25201-2,計算得螺紋預緊力為127N·m,螺栓其他相關尺寸如表1所示。

2仿真模型與受力分析

基于有限元分析軟件對門系統運行狀態下的螺栓受力情況進行仿真分析。

2.1模型約束及載荷

對螺栓組件進行建模,如圖2所示。根據結構和工作特點添加約束,如圖3所示。

在模型中添加門系統在運動過程中所受載荷,門系統自重通過設置密度后自動生成。根據《鐵路應用鐵道車輛車體的結構要求》(EN12663-1一2010）中客車P-Ⅱ型要求,門系統受到3個方向沖擊時,加速度載荷共有6種組合方式,如表2所示。

2.2螺栓受力情況分析

運行仿真,計算吊架安裝孔處的螺栓最大承載力,如表3所示。

從表3中可以看出,螺栓受到的載荷情況為:最大軸向載荷F_Amax=1023N:最大橫向載荷F_Tmax=463.12N。

3螺栓強度校核

根據仿真所得螺栓所受載荷情況,對螺栓疲勞強度進行校核。主要校核參數包括:極限尺寸、安裝預緊力、螺栓強度、交變載荷、表面壓力和防滑可靠性等。因承載驅動機構為中心對稱安裝,且剛度較大,螺栓可看作同心緊固及同心負荷,無須對極限尺寸進行校核。

3.1最小緊固力計算

動車組客室門螺栓連接形式為對稱緊固,所受載荷為同心載荷,根據VDI 2230 5.4.1,s_sym=0,a=0,最小緊固力F_kerf計算公式如下:

式中:F_Tmax為螺栓橫向力:q_F為傳遞橫向力的界面數:μ_Tmin為鋼鋁表面靜摩擦系數,為0.15。

根據表3可知F_Tmax=463.13N,代入公式(1）計算得到F_kerf=2315N。

3.2螺栓彈性變形和載荷系數

螺栓彈性變形δ_s是各個部分變形的疊加,計算公式如下:

式中:δ_sk=0.4d/E_s×A_N,E_s=2.05×10⁵N/mm²:δ₁為螺桿部分變形:δ_Gew為無載荷螺紋部分變形:δ_GM為接合螺紋和內螺紋區域彈性變形之和。

在螺栓頭下面施加作用力時,載荷系數Φ_n計算公式如下:

式中:δ_p為被夾緊件的彈性變形:n為載荷引入系數,為0.3。

3.3安裝預緊力校核

最小安裝預緊力:

最大安裝預緊力:

式中:F_z為預緊力消耗:△F'_Vth為溫度變化帶來的預緊力變化:αA為擰緊系數,數值為1.7。

根據DIN 2520I可知,83%最小屈服極限的利用率及螺紋中最小摩擦系數μ_Gmin=0.I時的安裝預緊力為:

式中:v為屈服應力利用系數。

代入數據計算F_Mmax=12675.5N<F_Mzul=28667N,因此螺栓安裝預緊力符合要求。

3.4螺栓強度評估

螺栓承受的最大組合應力為:

式中:σ_zmax為最大拉應力:k_Τ=0.5:Τ_max為最大扭矩應力。

經計算,σ_red,B=356.3N/mm²。A2-70螺栓的屈服強度R_P0.2=450MPa。由此可得到安全系數S_F=R_P0.2/σ_red,B≈1.26,該數值大于標準值1.0,因此螺栓性能滿足疲勞強度要求。

3.5交變載荷評估

動車組列車客室門螺栓所受載荷為同心加載,螺栓連續交變載荷計算公式如下:

將F_Amax=1023N,F_Amin=0代入公式(8）,最終得到σa=0.49N/mm²。

熱處理前滾制的螺栓耐疲勞極限σ_AsV=48.88N/mm²,由于σ_a<σ_AsV,因此螺栓交變載荷滿足要求。

3.6表面接觸壓力評估

螺栓材質為1023碳鋼板,根據VDI2230可知,1023碳鋼板表面極限壓強為P_G=490MPa。在工作狀態下表面接觸壓力計算公式為:

      其中F_Vmax=F_Mzul ,F_sAmax=Φ_n ×F_Amax ,A_Pmin為螺栓頭下的最小支承面積。

安全系數sp'=P_G/P_Bmax=2.92,大于標準數值1.0,滿足標準規定的表面接觸壓力要求。

3.7防滑可靠性評估

根據VDI 2230標準規定,連接件之間的剩余壓緊力F_KRmin應該大于能夠確保連接件保持固態穩定所需的最小壓緊力F_kerf,即防滑系數需要大于1。

抵抗橫向載荷所需的最小夾緊力:

基于螺栓所受最大載荷計算防滑系數:S_G=F_KRmin/F_kerf=5.06>1,滿足標準規定的防滑性要求。

通過對動車組客室門螺栓進行強度校核,可知螺栓安裝預緊力、螺栓強度、交變載荷、表面壓力和防滑可靠性等參數均滿足標準要求。

4結論

本文基于有限元分析軟件獲得門系統運行狀態下的螺栓所受最大載荷,對螺栓強度進行校核,結論如下:在動車組列車運行工況下,客室門螺栓強度、交變載荷、表面接觸壓力、防滑可靠性等均符合質量要求。

本文基于多個標準對螺栓性能進行了全面科學的校核,為動車組客室門的安裝調試提供了理論依據,本文使用的校核流程也同樣適用于其他組件的螺栓校核,因而具有一定的借鑒意義。