高速動(dòng)車組車下懸掛部件聯(lián)接結(jié)構(gòu)及應(yīng)用分析

曲振洋

摘 要：高速動(dòng)車組車下懸掛部件的可靠性直接影響車輛運(yùn)營(yíng)的安全。本文根據(jù)車下懸掛部件的設(shè)計(jì)要求為基礎(chǔ)，從螺栓強(qiáng)度校核和有限元分析到安裝結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了全面的分析，總結(jié)出懸掛部件聯(lián)接螺栓的選型及強(qiáng)度要求、溫度性能要求、防腐防松性能指標(biāo)等因素，都是設(shè)計(jì)懸掛部件螺栓的關(guān)鍵點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：懸掛部件；螺栓；強(qiáng)度校核；有限元分析

隨著國(guó)家對(duì)高速鐵路網(wǎng)的大規(guī)模投資建設(shè)，我國(guó)的高速鐵路網(wǎng)的發(fā)展日新月異。同時(shí)，作為高速鐵路網(wǎng)的運(yùn)輸載體—高速動(dòng)車組也越來越大規(guī)模應(yīng)用，成為客運(yùn)列車的主流車型，并且按照發(fā)展要求，速度在不斷提升，運(yùn)載量不斷增大，其載客營(yíng)運(yùn)的安全性和可靠性，越來越受到大家的關(guān)注。高速動(dòng)車組作為國(guó)家重點(diǎn)的高科技產(chǎn)品，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，精度要求很高，車體懸掛部件繁多，尤其是車外底架部位，更是一列高速動(dòng)車組的大腦和核心部位。高速動(dòng)車組在運(yùn)行時(shí)，由于受到各個(gè)方向加速度載荷的作用，對(duì)車下懸掛部件的可靠性要求很高，經(jīng)過國(guó)內(nèi)外長(zhǎng)期的研究實(shí)踐，應(yīng)用最為廣泛的是使用螺栓將懸掛部件和底架連接，因此，在設(shè)計(jì)之初，對(duì)螺栓連接的可靠性分析，就顯得尤為重要。

1 螺栓聯(lián)接結(jié)構(gòu)分析

1.1 國(guó)內(nèi)外對(duì)螺栓聯(lián)接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析方法

目前，國(guó)內(nèi)外主要有兩種方法進(jìn)行強(qiáng)度分析：一種是傳統(tǒng)的理論計(jì)算；一種是有限元分析研究。理論計(jì)算一般基于《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》，按照手冊(cè)中的計(jì)算公式和數(shù)據(jù)表格，根據(jù)需要選取計(jì)算。有限元分析研究方面，有的將螺栓簡(jiǎn)化成梁?jiǎn)卧M(jìn)行分析，這種方法沒有考慮預(yù)緊力和連接件之間的接觸情況，適用于結(jié)構(gòu)模型大，螺栓數(shù)量多的強(qiáng)度計(jì)算，有的考慮了整體模型結(jié)構(gòu)但是螺栓聯(lián)接接觸計(jì)算的精確性不足，有的將螺栓采用三維實(shí)體單元模擬，進(jìn)行接觸非線性計(jì)算，考慮螺栓與連接件之間的接觸問題，考慮摩擦力作用，計(jì)算精度較高。

現(xiàn)在，大多數(shù)企業(yè)已經(jīng)將上述兩種方法有效結(jié)合，按照懸掛部件不同的吊裝位置和結(jié)構(gòu)，綜合考慮：基體本身的強(qiáng)度、安裝座強(qiáng)度、安裝座與基體的連接強(qiáng)度以及結(jié)構(gòu)減振等，憑借經(jīng)驗(yàn)并參考國(guó)內(nèi)外類似結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，而結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性、可靠性還需要通過強(qiáng)度仿真分析和試驗(yàn)等手段作為設(shè)計(jì)依據(jù)。

1.2 螺栓連接結(jié)構(gòu)分析

車下懸掛部件重量一般有幾頓重，車輛在運(yùn)行中，如果采用剛性聯(lián)接方式，會(huì)使螺栓受力強(qiáng)度很大，極易斷裂失效，導(dǎo)致懸掛部件脫落。因此，聯(lián)接多選用彈性連接方式，通過彈性橡膠件吊裝在車體底架邊梁型腔內(nèi)，并設(shè)置了橫向止檔與縱向止檔?？v向止檔安裝螺栓多采用M30的大尺寸螺栓，增加連接強(qiáng)度，并在螺栓上施加緊固力矩500Nm。螺栓的安裝位置和排布數(shù)量，根據(jù)每個(gè)懸掛部件的要求，具體確定。

1.3 運(yùn)行載荷工況分析

根據(jù)EN12663-1-2010標(biāo)準(zhǔn)對(duì)所設(shè)計(jì)的懸掛部件結(jié)構(gòu)施加縱向、橫向、垂向加速度，并根據(jù)不同載荷設(shè)計(jì)不同的載荷工況。采用仿真分析和理論計(jì)算相結(jié)合的方法，先對(duì)懸掛部件結(jié)構(gòu)建立有限元模型，施加載荷后，提取出螺栓承受載荷，再對(duì)螺栓強(qiáng)度進(jìn)行理論校核。8.8級(jí)螺栓的許用拉應(yīng)力為640MPa，許用剪切應(yīng)力312MPa，許用擠壓應(yīng)力512MPa，疲勞許用應(yīng)力250MPa。將懸掛部件的螺栓有限元應(yīng)力數(shù)值與8.8級(jí)螺栓許用應(yīng)力對(duì)比，只要不大于8.8級(jí)螺栓的許用應(yīng)力值，螺栓選型即為合格。

2 動(dòng)車組運(yùn)營(yíng)中外界環(huán)境對(duì)螺栓聯(lián)接的要求

2.1 溫度指數(shù)性能要求

我國(guó)國(guó)土復(fù)員遼闊，高速鐵路網(wǎng)四通八達(dá)，南北溫差巨大，對(duì)動(dòng)車組的要求非常高，尤其是吊裝聯(lián)接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)更高，動(dòng)車組要適應(yīng)-40℃～+40℃的溫度條件，車外吊裝螺栓除了應(yīng)具備較高的強(qiáng)度外，還應(yīng)具有較好的溫差適應(yīng)性。通常情況下高強(qiáng)度螺栓的碳含量較高，這有利于提高材料的強(qiáng)度，同時(shí)會(huì)減小材料的沖擊韌性。而一些合金元素如Cr、Ni等的加入，有利于提高材料的韌性。韌脆轉(zhuǎn)變溫度是衡量材料韌性的另一個(gè)重要指標(biāo)。它指的是由韌性斷裂向脆性斷裂轉(zhuǎn)變的臨界溫度。在ISO898-1-2009標(biāo)準(zhǔn)中已明確規(guī)定了-20℃時(shí)Kv2≥27J，而對(duì)-40℃時(shí)的沖擊功值并無相關(guān)要求。因此要適應(yīng)-40℃的運(yùn)營(yíng)條件，應(yīng)合理選擇螺栓材料，并對(duì)螺栓低溫沖擊功、韌脆轉(zhuǎn)變溫度等技術(shù)指標(biāo)重新明確。能夠滿足以上條件的螺栓材質(zhì)通常有30CrNiMo8、42CrMo4等。

2.2 防腐性能要求

用于常溫環(huán)境下的高強(qiáng)度螺栓材質(zhì)通常為碳鋼，使用前需要進(jìn)行表面處理。轉(zhuǎn)向架、車鉤均安裝在車外，常年暴露在空氣中，服役環(huán)境惡劣，其安裝用螺栓均使用達(dá)克羅進(jìn)行防腐處理，例如DAC500B.達(dá)克羅具有超強(qiáng)的耐蝕、無氫脆等優(yōu)良性能已廣泛應(yīng)用于動(dòng)車組緊固件表面處理。但由于達(dá)克羅中含有對(duì)環(huán)境和人體有害的鉻離子，在一些歐洲國(guó)家已逐步被“交美特”所取代。

2.3 防松性能要求

懸掛部件防松原理及措施主要有：一種是螺栓通過套筒與放置在底架邊梁上的滑塊連接，螺栓緊固前，會(huì)在螺紋表面涂MoS2潤(rùn)滑脂，有利于提高扭矩系數(shù)。這樣做是為了減小螺紋的摩擦力，使螺紋擰緊時(shí)達(dá)到規(guī)定的預(yù)緊力；另一種是適當(dāng)增加螺栓有效長(zhǎng)度，即可獲得更大的彈性變形量。在螺栓屈服之前，其發(fā)生的變形為彈性變形，而彈性變形量越大，獲得的預(yù)緊力就越大，防松效果越好。另外，考慮維修拆修方便，一般是通過不考慮打膠或涂抹凝固劑的方式保證防松。

3 結(jié)論

本文根據(jù)高速動(dòng)車組懸掛部件運(yùn)營(yíng)實(shí)際需求，研究分析螺栓聯(lián)接結(jié)構(gòu)的可靠性和實(shí)用性。1）通過對(duì)懸掛部件的螺栓強(qiáng)度校核，螺栓各項(xiàng)應(yīng)力指標(biāo)應(yīng)均小于許用極限，強(qiáng)度才能滿足要求。這表明根據(jù)懸掛部件自身特點(diǎn)，吊裝螺栓選型、螺栓位置及數(shù)量設(shè)計(jì)的合理性。這是設(shè)計(jì)懸掛部件聯(lián)接結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)條件。2）在具體設(shè)計(jì)初期階段，對(duì)懸掛部件的聯(lián)接螺栓選擇，要考慮各個(gè)方面的因素，如溫度、防腐等處理方式，尤其在溫差較大、高寒高濕度的地區(qū)，特別要關(guān)注其性能指標(biāo)。3）懸掛部件安裝時(shí)，必須考慮螺栓聯(lián)接的防松方法和措施，采用本文描述的方法，能夠大大提高其防松性能。

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