鋼軌打磨車隔離變壓器安裝螺栓強(qiáng)度分析

陽清泉，吳 勇，黃細(xì)友，劉元平，陶 澤

（中車株洲電機(jī)有限公司，湖南 株洲412001）

機(jī)車車輛運(yùn)行過程中，工況復(fù)雜，變壓器安裝時(shí)應(yīng)選取合適的螺栓，以保證變壓器在機(jī)車運(yùn)行時(shí)保持平穩(wěn)及緊固。文章對鋼軌打磨車隔離變壓器的安裝螺栓靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算和校核，確認(rèn)產(chǎn)品在極端的工作條件下能夠正常工作。

1 螺栓技術(shù)參數(shù)

隔離變壓器安裝于車體下方，靠螺栓將其與車體連接在一起，防止出現(xiàn)滑動(dòng)或相互脫開。選擇螺栓時(shí)需考慮車輛的運(yùn)行條件，螺栓的強(qiáng)度必須滿足不同載荷情況下的應(yīng)力要求；對于動(dòng)態(tài)或靜態(tài)負(fù)載的螺栓連接的功能而言，應(yīng)存在一定的預(yù)緊力，螺栓的擰緊力矩必須保證變壓器在機(jī)車運(yùn)行過程中不發(fā)生滑動(dòng)。

隔離變壓器安裝螺栓組的分布及加速度方向如圖1 所示，其縱向，橫向與垂向加速度分別如圖1中ax，ay與az，圖中1-8 標(biāo)識為螺栓安裝位置。

圖1 變壓器螺栓分布及加速度方向圖

隔離變壓器的質(zhì)量為3550kg，螺栓組所在平面與變壓器重心在垂直方向上的距離為345mm，螺栓中心與結(jié)合面對稱軸縱向距離均為841mm，螺栓中心與結(jié)合面對稱軸橫向最遠(yuǎn)距離為256+120=376mm。變壓器安裝螺栓技術(shù)參數(shù)如表1 所示：

2 載荷條件

根據(jù)IEC61373-2010《軌道交通—機(jī)車車輛設(shè)備沖擊和振動(dòng)試驗(yàn)》的規(guī)定，牽引變壓器共受到以下3 種沖擊超常載荷工況，這3 種載荷工況是：

（1）垂向3g 加速度；

（2）橫向3g 加速度；

（3）縱向5g 加速度；

根據(jù)EN12663-1：2010《鐵路應(yīng)用—鐵路車輛車體結(jié)構(gòu)要求》的規(guī)定，牽引變壓器運(yùn)用加速度載荷為：

（4）縱向加速度 ax=0．2g

（5）橫向加速度 ay=0．15g

（6）垂向加速度 az=1±0．15g

3 判斷依據(jù)

根據(jù)有關(guān)載荷是否為靜態(tài)負(fù)載或疲勞負(fù)載（運(yùn)用載荷）確定相應(yīng)的許用安全系數(shù)：在沖擊載荷工況下，允許應(yīng)力與計(jì)算應(yīng)力的比值應(yīng)大于或等于S1（S1=1．15）。

在運(yùn)用載荷工況下，允許應(yīng)力與計(jì)算應(yīng)力的比值應(yīng)大于或等于S2（S2=1．5）。

其中：σS為材料屈服強(qiáng)度，N/mm2。σ 為計(jì)算應(yīng)力，N/mm2。

4 計(jì)算公式

螺栓的總拉力：

式中：P0為預(yù)緊力；P 為工作載荷；KC—螺栓的相對剛度系數(shù)，取值0．25。

螺栓預(yù)緊力：

式中：T 為擰緊力矩；K 為擰緊力矩系數(shù)，取值0．28。

傾覆力矩對螺栓產(chǎn)生的載荷：

式中：M 為傾覆力矩；Li為各個(gè)螺栓的力臂。

螺栓殘余預(yù)緊力為：

螺栓的摩擦力：

式中：Kn為可靠性系數(shù)，取1．2；f 為連接摩擦副摩擦系數(shù)，取0．3；n 為螺栓個(gè)數(shù)；i 為摩擦面數(shù)量。

螺栓的拉應(yīng)力：

5 隔離變壓器安裝螺栓強(qiáng)度校核

螺栓強(qiáng)度計(jì)算包括：靜止時(shí)的強(qiáng)度校核、考核沖擊載荷時(shí)的強(qiáng)度校核以及運(yùn)用中的疲勞強(qiáng)度校核。

5.1 靜止時(shí)的螺栓強(qiáng)度校核

自身重力給單個(gè)螺栓的力：P=mg/n=3550×9．8／8＝4348．8N

螺栓的預(yù)緊力：

螺栓總拉力與應(yīng)力：

根據(jù)EN12663 標(biāo)準(zhǔn)校核：

因此螺栓強(qiáng)度滿足要求。

5.2 考核沖擊載荷時(shí)的強(qiáng)度校核

縱向加速度產(chǎn)生的力：Fx=max=3550×5×9．8=173950N。

橫向加速度產(chǎn)生的力：Fy=may=3550×3×9．8=104370N。

垂向加速度產(chǎn)生的力：Fz=maz=3550×3×9．8=104370N。

根據(jù)螺栓安裝狀態(tài)可知，螺栓縱向加速度與橫向加速度產(chǎn)生傾覆力矩作用到螺栓軸向方向，垂向加速度產(chǎn)生的力與螺栓預(yù)緊力方向一致。設(shè)定縱向加速度向右，橫向加速度向外，采用公式（3）分別計(jì)算出縱向和橫向加速度對螺栓的最大載荷。

縱向加速度的影響對螺栓的最大載荷：

橫向加速度的影響對螺栓的最大載荷：

垂向加速度對螺栓的載荷：

隔離變壓器安裝螺栓在水平面以中心對稱布置。隔離變壓器不產(chǎn)生滑移的條件，軸向力產(chǎn)生的摩擦力大于水平安裝面內(nèi)的合力。利用公式（1）與公式（4）（5）的轉(zhuǎn)換計(jì)算螺栓組的摩擦力為：

橫向與縱向的合力：

可知，橫縱向力的合力小于螺栓組的摩擦力，即F＜F’，因此螺栓預(yù)緊是安全的，結(jié)合面不會產(chǎn)生相對滑移。

由于垂向加速度向下將增大螺栓的拉力，因此設(shè)定螺栓垂向加速度向下進(jìn)行分析。3 個(gè)方向的加速度對螺栓的載荷方向一致時(shí)，其螺栓拉力最大：

螺栓的最大總拉力：Pmax=P0＋KcPmax=158390.6N

螺栓軸向最大拉應(yīng)力為：

根據(jù)EN12663 標(biāo)準(zhǔn)校核：

因此螺栓強(qiáng)度滿足要求。

5.3 螺栓疲勞強(qiáng)度校核

縱向加速度產(chǎn)生的力：Fx=max=3550×0.3×9.7=6958N。

橫向加速度產(chǎn)生的力：Fy=may=3550×0.15×9.8=5218.5N。

垂向加速度產(chǎn)生的力：Fz=maz=3550×1.15×9.8=40008.5N。

縱向加速度對螺栓的最大載荷：

橫向向加速度對螺栓的最大載荷：

垂向加速度對螺栓的最大載荷：

3 個(gè)方向的加速度對螺栓的載荷方向一致時(shí)，螺栓拉力最大，其載荷進(jìn)行合成為：

螺栓的最大總拉力：

螺栓軸向最大拉應(yīng)力為：

根據(jù)EN12663 標(biāo)準(zhǔn)校核：

因此螺栓的疲勞強(qiáng)度滿足要求。

6 結(jié) 語

綜上所述，隔離變壓器在運(yùn)用載荷和沖擊載荷的作用下，均滿足最大拉應(yīng)力小于相應(yīng)許用應(yīng)力、最大疲勞應(yīng)力小于相應(yīng)許用疲勞應(yīng)力的要求，滿足EN12663 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定安全運(yùn)用要求。