轉(zhuǎn)K4轉(zhuǎn)向架摩擦板緊固螺釘斷裂原因分析

王向才 尚順毅

（1.吉林鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院鐵道機(jī)車系，吉林吉林 132200；

2.無錫地鐵集團(tuán)有限公司運(yùn)營(yíng)分公司，江蘇無錫 314171）

轉(zhuǎn)K4轉(zhuǎn)向架摩擦板緊固螺釘斷裂原因分析

王向才1尚順毅2

（1.吉林鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院鐵道機(jī)車系，吉林吉林 132200；

2.無錫地鐵集團(tuán)有限公司運(yùn)營(yíng)分公司，江蘇無錫 314171）

分析轉(zhuǎn)K4型轉(zhuǎn)向架摩擦板緊固螺釘斷裂的原因，并對(duì)車體相對(duì)旁承運(yùn)動(dòng)進(jìn)行有限元分析，分析結(jié)果與實(shí)際斷裂一致，據(jù)此提出改進(jìn)意見，及時(shí)作出相應(yīng)處理，確保鐵路運(yùn)輸秩序正常。

緊固螺釘；斷裂原因；有限元分析

轉(zhuǎn)K4型貨車轉(zhuǎn)向架是在我國(guó)鐵路提速的大戰(zhàn)略下，依靠引進(jìn)美國(guó)先進(jìn)技術(shù)、我國(guó)技術(shù)再消化的基礎(chǔ)上開發(fā)出的新產(chǎn)品，目前主要裝于C64、P65等車型上，試驗(yàn)速度達(dá)到了146km/h。轉(zhuǎn)K4轉(zhuǎn)向架采用常接觸摩擦式彈性旁承，即轉(zhuǎn)向架摩擦板與旁承體上部用2個(gè)M8螺釘連接，在提速貨車120km/h可靠性試驗(yàn)中［1］，發(fā)現(xiàn)連接摩擦板與旁承體上部的螺釘存在嚴(yán)重的彎曲變形后斷裂，并造成下旁承摩擦板竄出后丟失，旁承體上部的螺釘孔有橫向偏磨（最大偏磨寬度達(dá)4mm，偏磨深度達(dá)8mm），破壞后的螺釘及螺釘孔如圖1所示。

1 原因分析及驗(yàn)證

1.1 原因分析

因螺釘孔的直徑比螺桿大，在有較大橫向力作用下，車體相對(duì)下旁承發(fā)生橫向位移，螺釘頭部受到旁承摩擦板的剪切擠壓，螺釘承受彎矩屈服塑變，此時(shí)螺釘桿承受彎、拉組合載荷；同時(shí)螺釘擠壓螺釘孔。經(jīng)過多次循環(huán)，螺釘橫向偏磨旁承體上部的螺釘孔，螺釘孔嚴(yán)重橫向偏磨，螺釘變形，甚至斷裂破壞。

圖1 破壞后的螺釘及螺釘孔

1.2 建模及驗(yàn)證

一般螺釘在剪切載荷作用下，螺釘頭部承受巨大的

剪切載荷而剪切破壞，但該螺釘?shù)钠茐奈恢门c一般螺釘破壞不同，是在螺母處斷裂破壞。為了精確地模擬螺釘?shù)氖芰^程，筆者采用有限元分析法對(duì)該螺釘?shù)钠茐倪M(jìn)行分析。分析中假設(shè)螺釘孔的直徑比螺釘?shù)闹苯哟?mm，采用8節(jié)點(diǎn)6面體單元對(duì)模型進(jìn)行離散，共使用節(jié)點(diǎn)24 982個(gè)，單元21 172個(gè)。而貨車在運(yùn)行過程中，車體相對(duì)旁承將發(fā)生橫向和垂向位移［2］。

1.2.1 橫向位移載荷確定。由于存在尺寸公差，上、下心盤間以及旁承體組成與旁承盒之間有橫向間隙，車體相對(duì)旁承發(fā)生橫向位移。對(duì)于上、下心盤間的橫向間隙，下心盤內(nèi)徑355+0.6mm，心盤磨耗盤壁厚6mm，上心盤外徑338±1mm，不考慮公差，就可能有5mm的橫向位移量［3］。包括公差，此處橫向最大可能位移量6.6mm（不計(jì)心盤磨耗盤壁厚公差）。對(duì)于旁承體組成與旁承盒之間的橫向間隙，搖枕旁承盒寬度100+3mm，旁承體寬度100-2mm，因此旁承處橫向可產(chǎn)生最大位移5mm。

由此可見，在橫向加速度足夠大時(shí)，車體相對(duì)旁承會(huì)發(fā)生橫向位移。另外，車體側(cè)滾時(shí)也會(huì)引起增載側(cè)上旁承相對(duì)于下旁承向外的橫向微量位移。由此，在分析中取4mm的橫向位移，其小于最大的可能橫向位移。

1.2.2 垂向位移載荷確定。為了得到足夠大的摩擦力，就必須給予足夠大的正壓力，為此取0.5mm的垂向位移載荷進(jìn)行分析。其余在對(duì)稱面上施加對(duì)稱約束載荷，在旁承體上部與對(duì)稱面的對(duì)面施加固定約束，分析過程中不考慮螺釘?shù)念A(yù)緊力。

圖2 螺釘?shù)氖疽鈭D及8個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)

1.3 結(jié)果與分析

螺釘?shù)氖疽鈭D及8個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)如圖2所示。從部分點(diǎn)的位移隨時(shí)間的變化圖可以看出，在周期載荷作用下，1、2、3監(jiān)測(cè)點(diǎn)周圍的區(qū)域是螺釘斷裂區(qū)域，在整個(gè)過程中最高應(yīng)力達(dá)到650Mpa；4、5、6監(jiān)測(cè)點(diǎn)區(qū)域螺桿沒有螺紋，從而沒有由于螺紋而引起的應(yīng)力集中，因此該區(qū)域的實(shí)際應(yīng)力比1、2、3區(qū)域的應(yīng)力小。從以上6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力變化可以看出，在螺釘右表面螺桿達(dá)到屈服而產(chǎn)生永久塑性變形，這是螺釘破壞的主要原因；7、8監(jiān)測(cè)點(diǎn)周圍的區(qū)域?yàn)槁葆斉c螺孔接觸區(qū)域，在整個(gè)過程中有最大450MPa的應(yīng)力，此應(yīng)力主要是壓應(yīng)力。圖3為8個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)中一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)1點(diǎn)的Von Mises應(yīng)力隨時(shí)間的變化圖。

圖3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)1點(diǎn)的Von Mises應(yīng)力變化圖

2 結(jié)論

通過有限元分析，結(jié)果和實(shí)際的破壞比較吻合，故螺釘被破壞的主要原因是螺釘孔直徑比螺桿直徑大，當(dāng)車體相對(duì)旁承體上部有較大位移時(shí)，螺桿主要承受拉彎組合載荷而屈服變形，在周期載荷作用下，螺桿就在螺母處產(chǎn)生微裂紋，繼而裂紋擴(kuò)展斷裂破壞。

基于以上分析，提出以下改進(jìn)建議：①增加螺釘強(qiáng)度，建議使用大螺釘進(jìn)行固定；②盡可能減小螺釘與螺釘孔的間隙，建議在螺釘孔上攻螺紋；③建議在下旁承體上部之下旁承摩擦板兩側(cè)部位增加擋邊，以降低摩擦板與旁承體上部的相對(duì)位移。

3 結(jié)語

根據(jù)故障發(fā)生的情況，進(jìn)行分析并推斷，通過ANSYS軟件進(jìn)行了模擬，最終結(jié)果符合最初的分析及推斷，在運(yùn)用中及時(shí)作出相應(yīng)處理，確保鐵路運(yùn)輸秩序正常。

［1］陳昌煦.關(guān)于轉(zhuǎn)K4型轉(zhuǎn)向架首次段修的幾點(diǎn)思考與建議［J］.鐵道車輛，2004（1）：36-39.

［2］鮑維千.機(jī)車總體及轉(zhuǎn)向架［M］.北京：中國(guó)鐵道出版社，2010.

［3］孫守波.關(guān)于轉(zhuǎn)K4型轉(zhuǎn)向架搖枕斜楔摩擦面磨耗板開焊及裂紋的探討［J］.鐵道技術(shù)監(jiān)督，2006（8）：15-16.

Fracture Reason Analysis of Fastening Screw of Zhuan K4 Bogie Friction Plate

Wang Xiangcai1Shang Shunyi2
（1.Railway Locomotive Department of Jilin Railway Technology College，Jilin Jilin 132200；2.Operation Branch of Wuxi Metro Group Co.Ltd.，Wuxi Jiangsu 314171）

This paper analyzed the fracture reason of fastening screw of zhuan k4 bogie friction plate,and made a fi?nite element analysis on the relative side bearing motion of the vehicle body,the analysis results was consistent with the actual fracture.Based on this,the improvement suggestions were put forward,and the corresponding treatment was made in time,to ensure the normal order of the railway transportation.

fastening screw；fracture reason；finite element analysis

U270.331

A

1003-5168（2016）10-0131-02

2016-09-11

王向才（1985-），男，碩士在讀，講師，研究方向：鐵道機(jī)車車輛制動(dòng)，鐵道機(jī)車控制。