機車車輛Huck鉚釘鉚接件疲勞試驗分析

王永巖， 張向峰， 閆蕾蕾， 秦 楠， 林君山

(1.青島科技大學(xué) 機電工程學(xué)院,山東 青島 266061；2.北京潤安澤順技術(shù)有限公司,北京 102200)

機車車輛Huck鉚釘鉚接件疲勞試驗分析

王永巖1， 張向峰1， 閆蕾蕾1， 秦 楠1， 林君山2

(1.青島科技大學(xué) 機電工程學(xué)院,山東 青島 266061；2.北京潤安澤順技術(shù)有限公司,北京 102200)

介紹了Huck鉚釘拉鉚技術(shù)的優(yōu)越性能，針對機車車輛Huck鉚釘拉鉚鉚接件因振動疲勞導(dǎo)致鉚接件松動及鉚釘斷裂的情況，利用高頻疲勞試驗機對機車車輛用的Huck鉚釘鉚接試件進行疲勞試驗，測得其疲勞強度為241.2 MPa。采用冪函數(shù)公式對疲勞試驗數(shù)據(jù)進行擬合，得到了Huck鉚釘試件的S-N壽命曲線。最后利用ABAQUS和Fe-Safe軟件對Huck鉚釘鉚接件進行了仿真分析，通過試驗與仿真的對比分析為機車車輛Huck鉚釘拉鉚緊固件的疲勞強度評定提供了基礎(chǔ)實驗數(shù)據(jù)。

Huck鉚釘；疲勞強度;S-N

0 引言

機車車輛的連接形式主要有焊接、鉚接和螺栓連接等，而鉚接因其連接強度高、重量輕等特點應(yīng)用相對更加廣泛。列車運行速度的不斷提高，使得鉚接緊固件的疲勞破壞問題日益突出，由于目前缺乏機車車輛鉚接件的疲勞試驗基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對鉚接件疲勞強度的評定有一定的限制，由此可見，對機車車輛鉚接件進行疲勞試驗顯得尤為重要。

利用長春機械研究院生產(chǎn)的GPS100高頻疲勞試驗機對機車車輛Huck鉚釘鉚接件進行疲勞試驗研究，得到Huck鉚釘鉚接件的疲勞強度和S-N壽命曲線，利用ABAQUS有限元軟件對鉚接試件進行數(shù)值仿真分析，通過試驗和數(shù)值仿真對比研究，為機車車輛Huck鉚釘拉鉚緊固件的疲勞強度評定提供了基礎(chǔ)實驗數(shù)據(jù)。

1 試件制備與試驗機指標(biāo)

1.1Huck鉚釘特點

Huck鉚釘又稱環(huán)槽拉鉚釘，利用胡克定律原理，用拉鉚專用設(shè)備將套環(huán)擠壓并充滿到帶有環(huán)槽的栓柱上，使套環(huán)與栓柱嚴(yán)密結(jié)合，從而將連接件夾緊。拉鉚設(shè)備控制其夾緊力，所以拉鉚完成后，每個鉚接緊固件都有相同的緊固力，并且因套環(huán)與栓柱的嚴(yán)密結(jié)合性，使得Huck鉚釘具有永不松動的特性。Huck鉚釘結(jié)構(gòu)見圖1[1]。

1.2 鉚接件制備

Huck鉚釘鉚接件的疲勞試驗件采用兩塊厚度H為12.5mm，寬度B為40mm，總長度L為130mm的折彎板搭接，兩折彎板搭接處各自留有0.5mm凸臺，兩鉚接件中心孔為Φ6.7mm，采用的Huck鉚釘材料為SUS304，直徑為Φ6.6mm，利用專用氣動拉鉚槍對鉚接件固定。疲勞試驗連接件示意圖及試驗件見圖2。

圖1 Huck鉚釘圖

圖2 連接件示意圖及試驗件

圖3 試驗機及試驗件裝夾圖

1.3 試驗機及試驗件性能參數(shù)

Huck鉚釘鉚接件的疲勞試驗采用GPS-100高頻疲勞試驗設(shè)備，其中試驗機的最大載荷為±100 kN，交變負荷的最大范圍為±50 kN，試驗機所承受的諧振頻率為70～300 Hz，該鉚接件采用氣動拉鉚槍進行鉚接，鉚接后接觸面之間的夾緊力8 030 N，所采用的Huck鉚釘軸向拉力最大值為16 680 N，橫向最大剪切力為15 790 N。鉚接試驗件采用V型夾具裝夾，高頻疲勞試驗機及試驗件的裝夾如圖3所示[2]。

2 疲勞試驗

2.1 加載方案

對鉚接試件進行恒幅軸向加載疲勞試驗，由于國內(nèi)并沒有專門針對鉚接件的疲勞試驗標(biāo)準(zhǔn)，采用《金屬軸向疲勞試驗方法》(GB/T3075—82)進行鉚接件的疲勞試驗研究，根據(jù)Huck鉚釘最大剪切力為15 790 N，將施加的疲勞載荷分成5個載荷水平，分別為5 kN、8 kN、8.5 kN、9 kN和10 kN，對應(yīng)鉚釘剪切面應(yīng)力水平分別為150.7 MPa、241.2 MPa、256.3 MPa、271.3 MPa以及301.5 MPa采用最大載荷和應(yīng)力比施加方式進行疲勞試驗，應(yīng)力比R=0.1，考慮試驗周期不能太長，本文取107作為該疲勞試驗件的條件疲勞極限壽命。

2.2 試驗數(shù)據(jù)

按照最大載荷和應(yīng)力比進行實驗，每級載荷水平取3個有效數(shù)據(jù)，試驗中每個試件起振后的初始頻率大致在153Hz左右，各級載荷水平試驗數(shù)據(jù)見表1[3]。

表1 疲勞試驗數(shù)據(jù)

2.3S-N壽命曲線

目前評定金屬材料疲勞性能的基本方法就是通過試驗測定材料的S-N曲線，金屬材料S-N曲線的常用擬合公式主要有3種。

(1)冪函數(shù)式。冪函數(shù)形式是描述材料S-N曲線的最常用形式，表達式為

SαN=C

(1)

式中,α和C均是與材料性質(zhì)、試樣形式、加載方式有關(guān)的常數(shù)，可以通過最小二乘法擬合獲得。

(2)指數(shù)式。指數(shù)式的S-N表達式為

emSN=C

(2)

式中，m和C均為常數(shù)，可以擬合求得。

(3)3參數(shù)式。3參數(shù)的S-N表達式為

(S-Sf)mN=C

(3)

式中，Sf為疲勞極限;m和C均為常數(shù)，通過數(shù)值擬合求得。

圖4 Huck鉚釘鉚接件S-N曲線

根據(jù)疲勞試驗數(shù)據(jù)，利用Origin軟件進行數(shù)據(jù)擬合，得到機車車輛Huck鉚釘鉚接件疲勞S-N壽命曲線如圖4所示，由于試驗過程中對試件夾持位置的差異性、每次裝夾同軸度的影響、連接件加工差異、鉚接工藝的影響等因素，都對疲勞壽命的分散性有較大影響，試驗數(shù)據(jù)的分散性可認(rèn)為在合理范圍之內(nèi)[4]。

通過疲勞試驗數(shù)據(jù)對機車車輛Huck鉚釘鉚接件的疲勞壽命擬合公式為：y=919.64(1+x)-0.435，由于影響疲勞性能的因素很多，諸如材料成分、表面狀態(tài)、環(huán)境溫度、應(yīng)力振幅以及循環(huán)應(yīng)力比等，本擬合公式僅適用于SUS304牌號的Huck鉚釘在常溫環(huán)境下應(yīng)力比R=0.1時的疲勞壽命估算。

3 試驗結(jié)果分析

圖5為各級載荷水平Huck鉚釘疲勞斷裂圖，單個鉚釘疲勞斷裂圖見圖6。從圖5中可看出，鉚釘斷裂位置均是在套環(huán)與連接件相接觸的位置，即圖6中①位置，分析原因：此處鉚釘栓柱上存在環(huán)形凹槽，相比與兩連接件接觸處的位置，即圖6中②位置，因環(huán)形凹槽的原因?qū)е滤ㄖ鶑姸容^低，容易斷裂。從圖6看出，鉚釘頭部與連接件接觸位置，即圖中②位置，存在裂紋，此外兩連接件接觸處的鉚釘栓柱部分，即圖6中③位置，出現(xiàn)明顯的壓痕，主要原因是圖6中①位置以及圖中的③位置均存在應(yīng)力集中，在持續(xù)的拉-拉振動載荷與應(yīng)力集中的協(xié)同影響下，導(dǎo)致鉚釘頭部出現(xiàn)裂紋，以及在圖6中的位置的栓柱部分出現(xiàn)壓痕，由于此處栓柱不存在環(huán)形凹槽，相比強度較高，未發(fā)生疲勞斷裂[5-7]。

圖5 各載荷水平Huck鉚釘疲勞斷裂圖

4 數(shù)值仿真模擬

本文利用有限元分析軟件ABAQUS對Huck鉚釘鉚接件進行仿真分析，通過試驗與仿真結(jié)果的對比，進一步確定該鉚接件的鉚釘頭部與連接件接觸處以及套環(huán)與連接件接觸處為疲勞破壞危險點位置。

4.1 有限元模型建立

根據(jù)Huck鉚釘?shù)奶攸c，套環(huán)通過氣動專用拉鉚槍擠壓入帶有環(huán)形凹槽的鉚釘栓柱上，鉚接夾緊力為8 030 N，類似于帶有預(yù)緊力的螺栓連接。論文在ABAQUS中將套環(huán)與栓柱簡化為一體，對栓柱施加8 030 N的螺栓載荷，在兩連接件之間接觸位置、鉚釘頭部與連接件接觸處以及套環(huán)與連接件接觸處施加接觸約束，切向行為的庫倫摩擦值設(shè)為0.24，兩連接件一端固定，另一端施加位移載荷，有限元模型圖如圖7所示。

圖6 單個鉚釘疲勞斷裂圖

圖7 Huck鉚接件有限元模型

4.2 數(shù)值仿真結(jié)果分析

通過ABAQUS有限元仿真計算，得到Huck鉚釘鉚接件Mises應(yīng)力云圖(圖8)、Huck鉚釘Mises應(yīng)力云圖(圖9)和Huck鉚釘鉚接件切片Mises應(yīng)力云圖(圖10)。從圖8中可以看出，鉚接件的應(yīng)力集中位置主要在鉚釘上，在圖9和圖10中進一步得出，在鉚釘頭部與連接件接觸處以及套環(huán)與連接件接觸處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，此處為疲勞破壞危險點，容易造成疲勞斷裂，通過對比圖5以及圖6給出的實驗結(jié)果斷裂圖片，仿真分析結(jié)果與試驗結(jié)果非常吻合[8]。

圖8 Huck鉚釘鉚接件Mises應(yīng)力云圖

圖9 Huck鉚釘Mises應(yīng)力云圖

圖10 Huck鉚釘鉚接件切片 Mises應(yīng)力云圖

圖11 10下鉚釘疲勞壽命分布圖

利用Fe-Safe疲勞壽命分析軟件和ABAQUS協(xié)同仿真，對最大載荷水平為10 kN，應(yīng)力比的疲勞試驗下的Huck鉚釘進行疲勞壽命分析，其數(shù)值仿真結(jié)果如圖11所示，可以看出，Huck鉚釘在應(yīng)力比R=0.1的拉-拉疲勞下，其壽命最小處位于鉚釘?shù)念^部和尾部與鉚釘桿的交界處，此處也是應(yīng)力集中位置，這與圖6給出的鉚釘疲勞斷裂圖的斷裂位置相吻合。此外，該仿真結(jié)果得出的疲勞壽命為368 128次，對比表1給出的10 kN載荷水平下的疲勞壽命可以發(fā)現(xiàn)，其壽命計算結(jié)果與試驗結(jié)果吻合度較高。仿真計算結(jié)果壽命偏高的原因在于：數(shù)值模擬相比試驗來說，鉚釘承受理想的剪切載荷，在實際試驗過程中由于夾具的加工誤差、裝夾誤差以及鉚釘孔的變形等會導(dǎo)致鉚釘承受一定的彎矩，致使鉚釘在彎矩和剪力的共同作用下發(fā)生疲勞失效，相比只承受剪力作用，應(yīng)力較大，疲勞壽命較低[9-10]。

5 結(jié)語

對機車車輛Huck鉚釘鉚接件進行疲勞試驗，得到鉚接件的疲勞強度為241.2 MPa，利用疲勞試驗數(shù)據(jù)根據(jù)冪函數(shù)公式擬合獲得該鉚接件的S-N壽命曲線以及壽命公式為y=919.64(1+x)-0.435，通過釘?shù)臄嗔研问揭约皵嗫诜治?，總結(jié)出鉚釘均是在套環(huán)與連接件接觸處斷裂，主要原因是此處栓柱存在環(huán)形凹槽，相比其他部位，強度最弱，此外在鉚釘頭部與連接件接觸位置以及圖6中的③分別產(chǎn)生疲勞裂紋和壓痕，主要是應(yīng)力集中的影響。最后利用ABAQUS有限元仿真軟件以及Fe-Safe疲勞壽命分析軟件進行仿真計算，根據(jù)得到的Mises應(yīng)力云圖與試驗結(jié)果進行對比分析，進一步確定了鉚釘疲勞破壞危險點位置，對后期鉚接件的改進以及鉚釘?shù)难a強提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。

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Fatigue Test Analysis of Huck Rivet Joint for Locomotive and Rolling Stock

Wang Yongyan1, Zhang Xiangfeng1, Yan Leilei1, Qin Nan1, Lin Junshan2

(1.Qingdao University of Science & Technology, Qingdao 266061,China;2.Beijing Run AnZe Shun Technology Co,Ltd,Beijing 102200,China)

This paper introduces the superior performance of the Huck rivet riveting technology. In view of the riveting parts loosening and rivet fracture due to vibration fatigue in locomotive and rolling stock Huck rivet fasteners, fatigue test is conducted for Huck rivet specimen for the locomotive and vehicle using high frequency fatigue testing machine, and the measured fatigue strength is 241.2. By fitting the fatigue test data with power function formula, lifeS-Ncurve of the test pieces of Huck rivet were obtained. Finally, using ABAQUS and Fe-Safe software to simulate the Huck rivet riveting parts, and by comparing the test and simulation analysis, basic experimental data are provided for the assessment of Huck rivet fastener fatigue strength for rolling stocks.

Huck rivet;fatigue strength;S-N

博導(dǎo)基金(教育部科技發(fā)展中心資助)(20133719110005)

王永巖(1956-)，男，教授，“萬人計劃”獲得者，國家級教學(xué)名師，長期從事有限元以及力學(xué)科研工作。E-mail：1991zhangxf@sina.com

TB302.3

A

2095-0373(2017)02-0063-05

2016-04-12 責(zé)任編輯:劉憲福

10.13319/j.cnki.sjztddxxbzrb.2017.02.11

王永巖，張向峰，閆蕾蕾，等.機車車輛Huck鉚釘鉚接件疲勞試驗分析[J].石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2017,30(2):63-67.