地鐵車輛車下設(shè)備安裝的強(qiáng)度計(jì)算及應(yīng)用

葛明娟， 林永樂

（南車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島 266111）

0 引言

緊固件的防松方式有很多種，究其防松原理，主要是利用摩擦、直接鎖住、破壞螺紋副這幾種，其中雙螺母防松的緊固方式在各種工程中普遍應(yīng)用。北京地鐵昌平線車下設(shè)備較多，考慮到強(qiáng)度和安全方面，昌平線地鐵車下設(shè)備全部采用雙螺母緊固。由于其特殊性，需要對其進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。

1 安裝要求

對于車下設(shè)備安裝，一般的校核步驟是車體橫梁強(qiáng)度計(jì)算、車體設(shè)備安裝座強(qiáng)度計(jì)算、設(shè)備安裝座強(qiáng)度計(jì)算和螺栓強(qiáng)度計(jì)算。對于設(shè)備本身，一般通過進(jìn)行地面沖擊和振動(dòng)試驗(yàn)來驗(yàn)證其強(qiáng)度和安全性能，或者通過有限元仿真計(jì)算，模擬現(xiàn)車或設(shè)計(jì)工況，分析結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和安全性能。但在車下設(shè)備吊掛安裝過程中，除了對安裝位置、安裝空間、檢修和維護(hù)進(jìn)行安全考慮的要求，還要重點(diǎn)考慮關(guān)于聯(lián)接螺栓和螺母的強(qiáng)度計(jì)算在工藝安裝過程中的應(yīng)用。本文重點(diǎn)對聯(lián)接螺栓的強(qiáng)度計(jì)算和安裝座的強(qiáng)度分析進(jìn)行介紹。

2 強(qiáng)度計(jì)算

設(shè)備安裝螺栓聯(lián)接固定原理是依靠對螺栓設(shè)定轉(zhuǎn)矩，使螺栓達(dá)到一定的預(yù)緊力，可以產(chǎn)生足夠的摩擦力，保證螺栓螺母與車體安裝座間不會(huì)產(chǎn)生相對滑移；同時(shí)螺栓保留足夠的剩余力，滿足設(shè)備包括自重在內(nèi)，在設(shè)計(jì)工況要求的沖擊振動(dòng)載荷作用下，仍具有足夠的聯(lián)接強(qiáng)度。以北京地鐵昌平線車下蓄電池箱為例，其安裝結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 蓄電池箱安裝結(jié)構(gòu)平面圖

在進(jìn)行螺栓強(qiáng)度校核時(shí)，一般按照擰緊螺栓，通過擰緊力矩產(chǎn)生的內(nèi)部應(yīng)力達(dá)到材料屈服點(diǎn)的約60%~70%來確定螺母轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)值，然后根據(jù)外界載荷施加情況，計(jì)算外界總載荷是否在螺栓允許的標(biāo)準(zhǔn)載荷范圍以內(nèi)。一般來說。在擰緊載荷基礎(chǔ)上施加外部載荷時(shí)。螺栓上加載的載荷比這些總和還小。這是因?yàn)槿绻菟ㄒ蛲獠枯d荷導(dǎo)致螺栓變形拉伸，被壓縮的安裝座的壓縮產(chǎn)生回彈的緣故。我們把通過擰緊載荷產(chǎn)生的應(yīng)力稱作“平均應(yīng)力”，把外部載荷發(fā)生的應(yīng)力稱作“變動(dòng)應(yīng)力”。所以通常把應(yīng)力界限圖內(nèi)的最大載荷當(dāng)做臨界載荷。

由于車下設(shè)備的吊裝螺栓的性能非常重要，所以一般取安全系數(shù)為2，也就是說即使螺栓減掉一半，設(shè)備也不會(huì)脫離作為安裝條件。在進(jìn)行計(jì)算以前，首先根據(jù)設(shè)備情況初步確定安裝座和連接螺栓的數(shù)量。計(jì)算時(shí)選擇的螺栓強(qiáng)度等級為4.8級，實(shí)際采用的螺栓強(qiáng)度等級為8.8級。采用盈余量較大的螺栓，可以減少螺栓的更換次數(shù)，減少維護(hù)量，同時(shí)更好地保證設(shè)備安裝安全。

2.1 計(jì)算輸入

螺栓等級為4.8級，其破壞強(qiáng)度值為400 MPa，屈服極限強(qiáng)度為400×0.8=320 MPa。

2.2 預(yù)緊力的確定

預(yù)緊力數(shù)值的確定可按照國家標(biāo)準(zhǔn)推薦取值，取為螺栓屈服強(qiáng)度極限的50%~70%。

2.3 轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式

螺母轉(zhuǎn)矩的計(jì)算一般按照如下公式進(jìn)行計(jì)算：

式中：K為轉(zhuǎn)矩系數(shù)，美、德、日各國建議的轉(zhuǎn)矩系數(shù)K為0.15~0.2；F為螺母預(yù)緊力；d為螺紋直徑。螺母支撐面摩擦因數(shù)的取值為0.15。

2.4 螺栓載荷的計(jì)算

以昌平線地鐵車下設(shè)備蓄電池箱選用M16螺栓為例。螺栓所承受的載荷包括兩部分：軸向載荷和橫向載荷，而軸向載荷分為靜載荷和動(dòng)載荷。

校核軸向靜載荷下螺栓拉伸強(qiáng)度：

蓄電池箱吊掛螺栓所承受的總拉力為

式中：K0為預(yù)緊系數(shù)，查表1；Kc為螺栓相對剛度系數(shù)，查表2；P為蓄電池箱重量。

式中：As為螺紋部分危險(xiǎn)截面的計(jì)算面積，mm2；σs為材料在拉壓對稱循環(huán)下的疲勞極限，MPa，查表3；n控制預(yù)緊力時(shí)為 1.5～2.5。

面積As、設(shè)備重量P已知，查表1～表3知，K0取3.0，Kc取 0.3，σs=235 MPa，n=1.5，將以上參數(shù)代入式（1）、式（2）、式（3）得計(jì)算結(jié)果，由計(jì)算可知σ1=18.68 MPa遠(yuǎn)小于σ1p=156.67 MPa，所以軸向靜載荷下螺栓符合強(qiáng)度要求。

校核軸向動(dòng)載荷下螺栓拉伸強(qiáng)度：

軸向動(dòng)載荷按最大應(yīng)力情況計(jì)算：面積As、設(shè)備重量P 已知，查表 2～表 4 知，K0取 4.0，Kc取 0.3，σs=235MPa，n=1.5，將以上參數(shù)代入式（1）、式（2）、式（3）得計(jì)算結(jié)果，由計(jì)算可知σ2=34.92 MPa，遠(yuǎn)小于σ1p=156.67 MPa，所以軸向動(dòng)載荷下螺栓符合強(qiáng)度要求。

校核橫向載荷下螺栓拉伸強(qiáng)度：如前所述，預(yù)緊力P0取屈服強(qiáng)度極限的60%，則σ1=1.3∑P/As≤σ1p，計(jì)算得出σ1=249.6 MPa＜320 MPa，所以橫向載荷下螺栓符合強(qiáng)度要求。

綜上，此種螺栓符合強(qiáng)度要求。

3 車下設(shè)備的應(yīng)用

北京地鐵昌平線車下設(shè)備安裝用的螺栓，采用了雙螺母相配套，雙螺母的緊固方式在各種工程中普遍應(yīng)用，但對其緊固原理目前基本存在著兩種觀點(diǎn)：一種是認(rèn)為內(nèi)螺母起主要的緊固作用，外螺母起備母的作用。另一種則認(rèn)為將雙螺母對頂擰緊，使其旋合螺紋間始終受到附加的壓力和摩擦力作用，無論被聯(lián)接件如何變化，雙螺母自身的防松效果都不會(huì)改變。鑒于北京地鐵大興線車下設(shè)備采用的是厚薄不同的螺母緊固設(shè)備，實(shí)際運(yùn)行過程中存在很多問題，所以此次昌平線采用的是厚度一樣的雙螺母緊固，這樣一方面避免了厚薄螺母安裝過程中混淆，另一方面也避免了由于扳手厚度比薄螺母厚以致擰不緊薄螺母。這樣厚度一樣的雙螺母組合會(huì)起到更強(qiáng)的摩擦防松作用。螺母與螺栓緊固時(shí)，扭力扳手所施加的轉(zhuǎn)矩需滿足設(shè)計(jì)要求。根據(jù)緊固轉(zhuǎn)矩要求，選擇相應(yīng)適合的螺母。由于雙螺母比常規(guī)單螺母的緊固防松更強(qiáng)些，因?yàn)楫?dāng)螺母松弛退轉(zhuǎn)時(shí)，如果外側(cè)螺母退轉(zhuǎn)的稍微慢些，可以阻止內(nèi)側(cè)螺母的退轉(zhuǎn)，即有可能起延時(shí)退轉(zhuǎn)的作用，極大地增強(qiáng)了防松性能。除現(xiàn)有的轉(zhuǎn)矩經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)外，可參考相關(guān)螺母轉(zhuǎn)矩要求的文件或圖樣實(shí)施，一般第一螺母轉(zhuǎn)矩值為額定值的80%，第二螺母轉(zhuǎn)矩值為額定值的100%。表4中提供了不同材質(zhì)的螺母緊固時(shí)的轉(zhuǎn)矩推薦范圍，括號內(nèi)所示為JIS強(qiáng)度分類。

表1 預(yù)緊系數(shù)K0值

表2 螺栓的相對剛度系數(shù)Kc值

表3 螺紋連接件常用材料及力學(xué)性能MPa

表4 不同材質(zhì)的螺母緊固時(shí)的轉(zhuǎn)矩推薦范圍N·m

在完成緊固螺栓強(qiáng)度載荷計(jì)算以后，施加在螺栓上的靜載荷加動(dòng)載荷的總和（取安全系數(shù)為2）不應(yīng)超過表2中的標(biāo)準(zhǔn)載荷。標(biāo)準(zhǔn)載荷是緊固螺栓總拉力減去預(yù)緊力剩余后的安全允許載荷，由于昌平線地鐵車下設(shè)備比較多，重量比較大，所以選擇較高等級的緊固螺栓，采用了雙螺母相配套，確保車下設(shè)備安裝更高安全性能。

4 結(jié)語

北京地鐵昌平線車下設(shè)備比較多，在安裝過程中應(yīng)重點(diǎn)考慮強(qiáng)度安全性，確定螺栓螺母的匹配選擇，確保車下設(shè)備安裝更高安全性。本文結(jié)合國內(nèi)的計(jì)算校核思路，參照相關(guān)的計(jì)算經(jīng)驗(yàn)，收集了一些設(shè)計(jì)參數(shù)和修正系數(shù)，希望在今后的車下設(shè)備安裝過程中，能夠起到拋磚引玉的作用，做好車下設(shè)備的安裝工作，以確保設(shè)備安裝安全可靠。

［1］ 邱宣懷.機(jī)械設(shè)計(jì)［M］.北京：高等教育出版社，2007.

［2］ 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊編委會(huì).機(jī)械設(shè)計(jì)手冊：第2卷［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.