基于鋼絲螺套的HXD3電力機(jī)車牽引裝置修復(fù)技術(shù)研究

王 亮，于美慧，崔建國，劉家倫，曹笑迎

(1.大連科技學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116052；2大連科技學(xué)院 交通運(yùn)輸學(xué)院，遼寧 大連 116052.；3. 廊坊市北方天宇機(jī)電技術(shù)有限公司 生產(chǎn)制造中心，河北 廊坊 065000；4.大連科技學(xué)院 實(shí)訓(xùn)中心，遼寧 大連 116052)

牽引裝置是在電力機(jī)車車體與轉(zhuǎn)向架之間起連接作用的重要組件，主要用于傳遞機(jī)車牽引力或制動(dòng)力。在機(jī)車運(yùn)行時(shí)，牽引裝置對機(jī)車車體與轉(zhuǎn)向架之間各種相對運(yùn)動(dòng)提供良好的適應(yīng)性，如轉(zhuǎn)向架相對于車體的橫動(dòng)、在水平面內(nèi)的回轉(zhuǎn)，以及車體相對轉(zhuǎn)向架的浮沉振動(dòng)、點(diǎn)頭振動(dòng)、側(cè)滾振動(dòng)等[1]。對牽引點(diǎn)高度和懸掛系統(tǒng)進(jìn)行控制，能夠讓啟動(dòng)和牽引時(shí)機(jī)車軸重轉(zhuǎn)移最小。應(yīng)用軸控技術(shù)補(bǔ)償軸重，能夠提高機(jī)車黏著重量的利用率。HXD3電力機(jī)車牽引裝置采用推挽式中央平拉桿結(jié)構(gòu)，主要部件有牽引銷、橡膠關(guān)節(jié)、安全索座、牽引桿體等，其中牽引桿體是傳遞機(jī)車牽引力或制動(dòng)力的關(guān)鍵部件，設(shè)計(jì)時(shí)必須保證其具有足夠的強(qiáng)力和剛性[2]。

牽引桿體和牽引銷主要擔(dān)負(fù)著機(jī)車車體與轉(zhuǎn)向架的連接作用。該連接是通過6個(gè)M24螺栓實(shí)現(xiàn)的。在機(jī)車運(yùn)行過程中，牽引銷承受著牽引桿體的轉(zhuǎn)動(dòng)沖擊和摩擦作用[3]。在機(jī)車檢修過程中，多種因素會(huì)導(dǎo)致牽引銷的M24螺紋孔出現(xiàn)脫扣或亂牙現(xiàn)象。它出現(xiàn)在與構(gòu)架焊接成一體的牽引銷上時(shí)，將會(huì)大為增加檢修的難度。對機(jī)車牽引裝置來說，不論是制造成本還是制造精度都比較高，修復(fù)方案必須可靠、實(shí)用、有效。目前比較可行的機(jī)車牽引裝置修復(fù)方案是使用鋼絲螺套進(jìn)行修復(fù)[4]。鋼絲螺套具有維修方便、快速、經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)，能夠在零部件本體上的螺紋發(fā)生脫扣或亂牙現(xiàn)象時(shí)采用局部修復(fù)手段，避免造成螺紋基體的整體報(bào)廢。但是，使用鋼絲螺套時(shí)，需要對整個(gè)使用過程進(jìn)行相關(guān)力學(xué)分析，對螺栓組螺紋連接強(qiáng)度和鋼絲螺套的可靠性進(jìn)行分析，并對鋼絲螺套的使用方法進(jìn)行有效監(jiān)控，以保證修復(fù)過程可控，確保電力機(jī)車的檢修質(zhì)量[5]。本文在分析電力機(jī)車牽引裝置連接用螺栓組受力、螺紋把緊力矩和連接強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，制定鋼絲螺套修復(fù)方案，并介紹M24螺紋孔的修復(fù)過程，為解決螺紋孔的脫扣、亂牙問題提供參考。

1 連接用螺栓組的受力分析

HXD3 電力機(jī)車的牽引裝置由牽引桿體及托板、墊圈、螺堵等部件組成(圖1)。牽引桿體用M24螺栓連接在牽引銷上。一臺HXD3 電力機(jī)車有2個(gè)牽引桿體、4 個(gè)牽引銷、12個(gè)M24 螺栓。其裝配組件通常分為2 組(每組均包括1 個(gè)牽引桿體、2個(gè)牽引銷、6個(gè)M24螺栓)，在受力分析時(shí)只取其中1組即可[6]。

圖1 牽引裝置總圖

通過裝配結(jié)構(gòu)分析可知，牽引桿體與牽引銷是通過1∶5的錐度配合安裝的，其竄動(dòng)間隙很小，機(jī)車運(yùn)行過程中由機(jī)車牽引力或制動(dòng)力作用產(chǎn)生的橫向力主要作用在牽引銷上，連接用的M24 螺栓基本上不承受橫向力的作用；但從結(jié)構(gòu)上看，M24螺栓需要承受整個(gè)牽引桿體的重力，即軸向力作用，因此需要對 6個(gè)M24螺栓組成的螺栓組進(jìn)行受力分析[7]。

對螺栓組進(jìn)行受力分析時(shí)，應(yīng)假定：螺栓為彈性體，每個(gè)螺栓的預(yù)緊力相同，接合面的壓力分布均勻，連接件為剛體，受載后接合面仍為平面接觸。對于1個(gè)牽引桿體和2個(gè)牽引銷來說，6個(gè) M24螺栓組承受的載荷作用垂直于二者的接合面。因此，各螺栓所受拉力相等，為：

(1)

式中：Q為螺栓組所受軸向力，Q=mg，m為牽引桿體總質(zhì)量；Z為螺栓組螺栓個(gè)數(shù)。

根據(jù)設(shè)計(jì)文件，m=554.22 kg，所以F=554.22×9.8/6≈905.23(N)。

2 螺紋把緊力矩和連接強(qiáng)度的分析

螺紋把緊力矩T包括下列兩部分：其中一部分是用于克服螺紋副的螺紋阻力矩T1；另一部分是螺母與被連接件支承面間的端面摩擦力矩T2。推導(dǎo)可得：

T=T1+T2=KF′d

(2)

式中：K為把緊力矩系數(shù)；F′為預(yù)緊力，N；d為螺紋公稱直徑，mm。

對于普通粗牙M12—M64螺紋，把緊力矩系數(shù)K在0.1～0.3內(nèi)變動(dòng)，一般加工表面無潤滑狀態(tài)時(shí)K為0.18～0.21。

根據(jù)相關(guān)技術(shù)文件，連接牽引桿體和牽引銷的 M24 螺栓的把緊力矩為865 N·m±15%。為方便計(jì)算，取K=0.20，可計(jì)算預(yù)緊力，即F′=T/(K·d)=865÷(0.20×0.024)≈180 208.33(N)。

該M24螺栓按865 N·m ± 15%的把緊力矩使?fàn)恳龡U體和牽引銷相連接。該M24 螺栓處于既受預(yù)緊力F′作用又承受軸向載荷(這里為拉力F)作用的狀態(tài)。M24螺紋連接如圖2所示。

圖2 M24螺紋連接示意圖

設(shè)螺栓的最大拉伸力為F0，則

F0=F′+α·F

(3)

式中，α為相對剛度系數(shù)，查表可知，α=0.2～0.3。本文中，α取值0.25，所以F0=180 208.33+ 0.25×905.23≈180 434.64(N)。

連接牽引桿體和牽引銷的M24螺栓所承受軸向載荷為靜載荷。該M24螺栓的拉伸強(qiáng)度為：

(4)

式中：d1為螺紋小徑,mm；σs為材料的屈服強(qiáng)力， MPa。

查表可得，d1=20.752 mm。把F0及d1的值代入式(4)得,σl=1.3×180 434.64/(3.14×20.7522/4)≈693.86(MPa)。

M24螺栓為10.9級，相應(yīng)螺栓材料的公稱抗拉強(qiáng)度為1 000 MPa，屈強(qiáng)比值為0.9。因此，該M24螺栓材料的公稱屈服強(qiáng)度為1 000×0.9=900 MPa。一般來說，擰緊后螺紋連接件的預(yù)緊應(yīng)力不得大于其材料屈服強(qiáng)力σs的 80%。因此，該M24螺栓的預(yù)緊應(yīng)力不得大于720 MPa。

上述計(jì)算結(jié)果，σl≈693.86 MPa<720 MPa，結(jié)果正確。

3 鋼絲螺套的可靠性分析

連接用螺栓組中M24螺栓所受最大拉力與鑲嵌好的鋼絲螺套承受的力相同。使用鋼絲螺套應(yīng)注意兩點(diǎn)：一是鋼絲螺套中菱形鋼絲的抗拉強(qiáng)度應(yīng)大于螺栓的強(qiáng)度，以免被拉斷；二是在螺栓被拉斷的情況下，應(yīng)保證鋼絲螺套不會(huì)從機(jī)體(即牽引銷)中拉出。

對于第一點(diǎn)，鋼絲螺套的菱形鋼絲在螺距≥2 mm時(shí)，抗拉強(qiáng)度為1 100～1 500 MPa，大于M24螺栓的拉伸強(qiáng)度693.86 MPa和螺栓材料的公稱抗拉強(qiáng)度1 000 MPa，因此菱形鋼絲不會(huì)被拉斷。對于第二點(diǎn)，應(yīng)運(yùn)用鋼絲螺套的公稱長度來衡量。假定鋼絲螺套與旋入的螺栓螺紋完全嚙合，則鋼絲螺套的公稱長度為：

(5)

根據(jù)設(shè)計(jì)文件，牽引銷材質(zhì)為ZG230-450，其抗拉強(qiáng)度為450 MPa，抗剪強(qiáng)度為270～360 MPa。本文按最小抗剪強(qiáng)度270 MPa取值。

將各參數(shù)值代入式(5)可算出，H≈31.27 mm。

根據(jù)GB/T 24425.6—2009《鋼絲螺套技術(shù)條件》規(guī)定，在使用10.9級螺栓時(shí)，鋼絲螺套公稱長度應(yīng)在螺栓公稱直徑的1.5倍之內(nèi)。本文中，H大約為d的1.3倍，符合要求。在鋼絲螺套的公稱長度為31.27 mm時(shí)，即使螺栓被拉斷，鋼絲螺套也不會(huì)從基體(即牽引銷)中拉出[8]。現(xiàn)場實(shí)際使用的鋼絲螺套長度為32 mm，比理論計(jì)算的公稱長度最小限值稍大，既不浪費(fèi)材料又能滿足使用要求。以上計(jì)算分析說明，使用 M24 鋼絲螺套進(jìn)行修復(fù)是相對可靠的，可以滿足相關(guān)技術(shù)指標(biāo)的要求[9]。

4 鋼絲螺套修復(fù)方案及螺紋孔修復(fù)程序的確定

鋼絲螺套修復(fù)方案如下：①用專用絲錐加工鋼絲螺套安裝孔的內(nèi)螺紋；②用安裝扳手將鋼絲螺套裝入內(nèi)螺紋孔中；③用沖斷器將鋼絲螺套的安裝柄折斷；④用卸套器取出已裝入螺紋孔的鋼絲螺套；⑤用螺紋塞規(guī)檢驗(yàn)已安裝鋼絲螺套的內(nèi)螺紋孔。

M24螺紋孔的修復(fù)程序?yàn)椋孩賹ζ茡p螺紋孔進(jìn)行清理，在鉆床上擴(kuò)孔并用專用絲錐進(jìn)行攻絲，攻出能滿足鑲嵌鋼絲螺套需要的內(nèi)螺紋[10]；②使用專用的鋼絲螺套安裝工具，按照技術(shù)要求將鋼絲螺套旋入加工好的螺紋孔中；③用折斷工具去除鋼絲螺套上的折斷槽；④使用通止規(guī)對嵌入的鋼絲螺套進(jìn)行檢測，符合通止規(guī)檢測標(biāo)準(zhǔn)后即可[11]。

安裝M24螺栓并修復(fù)電力機(jī)車牽引裝置的實(shí)踐證明，所制定鋼絲螺套修復(fù)方案的運(yùn)用效果較好，可以滿足相關(guān)技術(shù)特性要求[12]。

5 結(jié)束語

采用鋼絲螺套技術(shù)修復(fù)牽引裝置時(shí)，各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)如螺紋的抗拉強(qiáng)度、螺紋承受的最大拉力、鋼絲螺套的可靠性等均能夠滿足設(shè)計(jì)要求。經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證：鋼絲螺套修復(fù)方案安全可行，操作簡便；采用該方案不但能節(jié)省大量工作時(shí)間，還可節(jié)約制造成本，具有一定的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。