軌道車輛轉(zhuǎn)向架安全吊連接螺栓緊固件強度研究

張鎮(zhèn)川++劉洪濤

摘 要：安全吊作為轉(zhuǎn)向架關(guān)鍵構(gòu)件，直接影響車輛運行時的動力學(xué)特性及行車安全。本研究以轉(zhuǎn)向架安全吊緊固螺栓為研究對象，針對新舊兩種不同結(jié)構(gòu)安全吊進行受力分析，進行安全吊螺栓緊固件強度分析計算，分析新舊安全吊的螺栓緊固件安全可靠性。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)向架；安全吊；螺栓；強度

1 前言

作為軌道車輛的最重要組成部分之一，轉(zhuǎn)向架的設(shè)計需滿足載荷大，沖擊振動強的惡劣工況。安全吊處于應(yīng)力、振動集中部位，這對安全吊的設(shè)計也提出了較高的要求[1]。在列車實際運行過程中，轉(zhuǎn)向架安全吊發(fā)生破損甚至斷裂失效的風(fēng)險，對行車安全造成極大安全隱患，對安全吊可靠性研究十分必要[2]。

本研究根據(jù)現(xiàn)有安全吊上加速度數(shù)據(jù)，以彈性力學(xué)模型進行理論驗證原有和新型安全吊連接螺栓的強度是否滿足需求。

2 安全吊連接螺栓結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)向架安全吊為拱形扁鋼結(jié)構(gòu)，在車輛運行中起到軸箱與構(gòu)架的限位作用[3]，通過螺栓連接安裝在轉(zhuǎn)向架軸箱上方。

轉(zhuǎn)向架安全吊底部兩邊由插入到螺栓孔和轉(zhuǎn)向架軸箱的螺栓固定。

安全吊固定螺栓為鉸接型螺栓，用于限制安全吊在垂向豎直方向及縱向車輛行進方向的位移；在垂向和縱向承受剪力的作用。當安全吊承受橫向平行車軸方向的力作用的時，螺栓通過螺栓頭部分限制和保證安全吊以及軸箱的接觸部分的固定；在安全吊受到橫向力作用時，以安全吊與軸箱接觸部分的下端成為支點，螺栓受到軸向拉力或壓力作用。

考慮當安全吊在縱向力或垂向力作用下時，連接螺栓僅提供剪切力以平衡受力；和在向外或者向內(nèi)的橫向力作用下時，連接螺栓提供抗拉應(yīng)力以平衡所受軸力。

利用彈性力學(xué)簡化模型，驗證螺栓是否超過抗剪和抗拉強度：力學(xué)模型簡化為由兩個螺栓固支的懸臂結(jié)構(gòu)：垂向或者縱向受力時，受到平面外剪切作用；橫向力作用時受到軸向拉力作用[4]。

舊安全吊螺栓采用M12x90規(guī)格六角頭螺栓，強度等級8.8級；新型安全吊采用M12x100規(guī)格六角頭螺栓；此M12螺栓的強度等級10.9級。舊安全吊質(zhì)心坐標為（0，102.38）；新安全吊質(zhì)心坐標為（0，107.23）。

3 安全吊加速度測試

被試轉(zhuǎn)向架1-4位安全吊中，選取4位安裝舊安全吊，選取2位安裝優(yōu)化改進后的新安全吊。在被試轉(zhuǎn)向架2、4位安全吊中間位置布置加速度傳感器，共2個測點，測量垂向豎直方向，即Z向；縱向車輛行進方向，即X向；橫向平行車軸方向，即Y向；在被試轉(zhuǎn)向架2、4位軸箱端部位置布置加速度傳感器，測量X向、Y向和Z向三軸加速度。

4 新舊安全吊螺栓強度分析

通過對安全吊和軸箱上加速度的測試表明：隨測試區(qū)間線路變化，相同測點縱向、橫向和垂向振動加速度變化趨勢一致，相比于縱向和垂向振動加速度，橫向振動加速度幅值較大，安全吊上最大橫向振動加速度在某些區(qū)間段甚至超過500g。

在橫向力作用于安全吊時，分為受到對外橫向力和對內(nèi)橫向力兩種情況。當安全吊受到對外橫向力作用時，螺栓產(chǎn)生的受力為安全吊橫向力與軸箱支點的反力的和。方向向外的橫向加速度將引起螺栓產(chǎn)生更大的抗拉力。

當安全吊受最大橫向加速度作用時，將會對螺栓緊固部分產(chǎn)生沿螺栓的長度方向的拉伸作用。測定的平行于舊安全吊頂部最大瞬時橫向加速度為向外671g，同一時刻軸箱的瞬時加速度是10g，產(chǎn)生661g的相對加速度；測定的平行于安全吊最大瞬時橫向為向內(nèi)方向，記為-813g，同一時刻軸箱的瞬時加速度是-15g加速度，產(chǎn)生-828g的相對加速度。以向外受到橫向加速度的模型計算。在舊安全吊質(zhì)心m處產(chǎn)生加速度448g；新安全吊質(zhì)心m處產(chǎn)生加速度-578g。在該加速度下，舊安全吊質(zhì)心處產(chǎn)生的力F1與軸箱支點產(chǎn)生的支座反力F2，力臂Ymt設(shè)為20mm：

相應(yīng)的螺栓受到的軸向力F：

以最不利情況假設(shè)，造成螺栓受到軸力為安全吊橫向和軸箱反力之和，新安全吊質(zhì)心處產(chǎn)生的力F1′與軸箱支點產(chǎn)生的支座反力F2′，力臂Ymt′ 設(shè)為20mm：

相應(yīng)的螺栓受到的軸向力F：

對于舊安全吊任一個螺栓，其最大抗拉應(yīng)力水平：

對于新安全吊任一個螺栓的最大抗拉應(yīng)力水平：

當舊安全吊頂部承受661g的最大橫向加速度作用時，在螺栓部位計算出的截面最大抗拉應(yīng)力大于許用應(yīng)力183MPa。當螺栓的抗拉應(yīng)力超過許用應(yīng)力，其強度失效。

計算導(dǎo)致松脫的橫向加速度：按照ISO4014-1999標準，該螺栓的許用應(yīng)力183MPa，則該螺栓受到的舊安全吊的加速度a21作用需要滿足，軸向力：

計算得到臨界加速度a21：

其對應(yīng)舊安全吊頂端的加速度506g。當舊安全吊頂部的對外橫向相對加速度超過506g時，螺栓受到的抗拉應(yīng)力將超過其許用應(yīng)力。

當新安全吊頂部承受828g的最大橫向加速度作用時，在螺栓部位計算出的截面最大抗拉應(yīng)力小于鋼材的屈服強度，小于螺栓的許用應(yīng)力。螺栓強度滿足正常使用要求。

計算導(dǎo)致松脫的橫向加速度：螺栓的許用應(yīng)力257MPa，該螺栓受到的新安全吊的加速度a21′ 作用需要滿足，受到的軸向力：

計算得到臨界加速度a21′：

其對應(yīng)新安全吊頂端的加速度1553g。當新安全吊頂部的橫向相對加速度超過1553g時，螺栓受到的抗拉應(yīng)力將超過其許用應(yīng)力，本次監(jiān)測值為828g。

根據(jù)以上對新安全吊連接螺的強度驗算總結(jié)，連接螺栓能夠滿足正常使用的需要。

5 結(jié)論

1.本研究分析了新舊兩種不同結(jié)構(gòu)安全吊的螺栓緊固件強度，完成了實際線路運行中轉(zhuǎn)向架軸箱和安全吊的加速度數(shù)據(jù)測量，測得安全吊橫向加速度較大，在惡劣線路工況中，橫向加速度甚至超過了500g。

2.安全吊螺栓在橫向加速度作用下，以向外方向橫向力為最惡劣工況分析，當加速度超過506g時，舊安全吊螺栓強度不符合要求，新安全吊可完全滿足惡劣工況需求，并具有較大可承受極限加速度余量，安全系數(shù)更高。

參考文獻：

[1] Nenov N G， Dimitrov E N， Ruzhekov T G. Device and technology of wagon bogie Y25Lsd testing[C]//Electronics Technology， 2009. ISSE 2009. 32nd International Spring Seminar on. IEEE， 2009： 1-6.

[2] ho Shin K. A study of selecting components for Condition-Based Maintenance through failure data analysis of railway vehicles[J]. IJAR， 2015， 3（3）： 259-264.

[3] 曹文曄. 209P 型客車轉(zhuǎn)向架搖枕安全吊座斷裂原因及改進建議[J]. 鐵道車輛， 2007， 45（12）： 35-36.

[4] 黃炎. 工程彈性力學(xué)[M]. 清華大學(xué)出版社， 1982.endprint