動車組客室門連接螺栓疲勞強(qiáng)度分析

摘要：門系統(tǒng)是動車組列車的主要組成部件之一，對列車運(yùn)行穩(wěn)定性有著重要影響。車門與動車車體之間通過螺栓連接，螺栓一旦發(fā)生故障，將直接導(dǎo)致車門故障甚至脫落，對社會財(cái)產(chǎn)和人身安全造成難以預(yù)估的影響。現(xiàn)以車體和車門連接螺栓為研究對象，建立螺栓有限元模型，仿真獲得車門運(yùn)行過程中螺栓所受最大載荷，通過計(jì)算螺栓強(qiáng)度、交變載荷、表面接觸壓力、防滑可靠性等參數(shù)對螺栓強(qiáng)度進(jìn)行校核。計(jì)算結(jié)果表明，動車組客室門安裝螺栓強(qiáng)度符合標(biāo)準(zhǔn)要求，可為動車組車門安裝螺栓選擇及螺栓強(qiáng)度校核提供參考。

關(guān)鍵詞：動車組;客室門;螺栓;有限元;強(qiáng)度校核

0 引言

螺栓是動車組組件中的重要零部件，主要起到連接和緊固等作用[1]。一旦螺栓發(fā)生斷裂事故，被連接部件將無法正常工作，甚至帶來安全隱患，因此對動車組上的螺栓進(jìn)行疲勞強(qiáng)度校核對于保障列車的安全可靠性具有十分重要的意義[2]。

許多學(xué)者對動車組螺栓可靠性展開了研究，如王冬[3]研究動車組用螺栓是否存在可以重復(fù)使用的可能，對螺栓的機(jī)械性能、反復(fù)加載、鍍層耐腐蝕性、疲勞壽命等展開多項(xiàng)試驗(yàn)。李曉峰等人[4]研究了設(shè)備艙底板滑道與吊梁連接處螺栓，開展了靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度校核研究，分析了評估方法的特點(diǎn)。文強(qiáng)等人[5]為了保證動車組設(shè)備安裝的可靠性，研究了設(shè)備安裝用螺栓預(yù)緊的扭力要求，探究了具體的預(yù)緊方法、螺栓強(qiáng)度的核算、預(yù)緊力的控制等，為螺栓強(qiáng)度校核提供了理論依據(jù)。

目前，對于動車組螺栓的研究還未涉及客室門螺栓，如何運(yùn)用相關(guān)理論更加科學(xué)、高效地開展客室門中零部件的可靠性驗(yàn)證工作成為目前迫切需要解決的問題。

動車組的客室門主要由門框、承載驅(qū)動單元、門扇、門控器和電氣部件等組成[6]。其中，承載驅(qū)動機(jī)構(gòu)通過螺栓和車體進(jìn)行連接，一旦螺栓發(fā)生故障，車門會發(fā)生脫落，無法正常工作[7]。鑒于螺栓的工作環(huán)境和狀態(tài)，其對自身的疲勞強(qiáng)度具有一定的要求[8]。因此，本文基于有限元分析方法對車體與客室門螺栓連接部件進(jìn)行疲勞強(qiáng)度校核計(jì)算，結(jié)果表明所選用的螺栓符合質(zhì)量要求，為客室門螺栓的可靠性研究提供了理論依據(jù)。

1 客室門螺栓參數(shù)

動車組列車客室門主要結(jié)構(gòu)包括承載機(jī)構(gòu)、驅(qū)動機(jī)構(gòu)、鎖閉機(jī)構(gòu)、支撐組件等，承載驅(qū)動機(jī)構(gòu)和車體之間通過4個(gè)螺栓連接，如圖1所示。

螺栓型號為M12×35-A2-70，最小抗拉強(qiáng)度為700 MPa，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)DIN 25201-2，計(jì)算得螺紋預(yù)緊力為127 N·m，螺栓其他相關(guān)尺寸如表1所示。

2 仿真模型與受力分析

基于有限元分析軟件對門系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)下的螺栓受力情況進(jìn)行仿真分析。

2.1? ? 模型約束及載荷

對螺栓組件進(jìn)行建模，如圖2所示。根據(jù)結(jié)構(gòu)和工作特點(diǎn)添加約束，如圖3所示。

在模型中添加門系統(tǒng)在運(yùn)動過程中所受載荷，門系統(tǒng)自重通過設(shè)置密度后自動生成。根據(jù)《鐵路應(yīng)用 鐵道車輛車體的結(jié)構(gòu)要求》（EN 12663-1—2010）中客車P-Ⅱ型要求，門系統(tǒng)受到3個(gè)方向沖擊時(shí)，加速度載荷共有6種組合方式，如表2所示。

2.2? ? 螺栓受力情況分析

運(yùn)行仿真，計(jì)算吊架安裝孔處的螺栓最大承載力，如表3所示。

從表3中可以看出，螺栓受到的載荷情況為：最大軸向載荷FAmax=1 023 N;最大橫向載荷Fτmax=463.12 N。

3 螺栓強(qiáng)度校核

根據(jù)仿真所得螺栓所受載荷情況，對螺栓疲勞強(qiáng)度進(jìn)行校核。主要校核參數(shù)包括：極限尺寸、安裝預(yù)緊力、螺栓強(qiáng)度、交變載荷、表面壓力和防滑可靠性等。因承載驅(qū)動機(jī)構(gòu)為中心對稱安裝，且剛度較大，螺栓可看作同心緊固及同心負(fù)荷，無須對極限尺寸進(jìn)行校核。

3.1? ? 最小緊固力計(jì)算

動車組客室門螺栓連接形式為對稱緊固，所受載荷為同心載荷，根據(jù)VDI 2230 5.4.1，Ssym=0，a=0，最小緊固力Fkerf計(jì)算公式如下：

根據(jù)表3可知Fτmax=463.13 N，代入公式（1）計(jì)算得到Fkerf=2 315 N。

3.2? ? 螺栓彈性變形和載荷系數(shù)

螺栓彈性變形δs是各個(gè)部分變形的疊加，計(jì)算公式如下：

3.3? ? 安裝預(yù)緊力校核

3.4? ? 螺栓強(qiáng)度評估

螺栓承受的最大組合應(yīng)力為：

經(jīng)計(jì)算，σred，B=356.3 N/mm2。A2-70螺栓的屈服強(qiáng)度RP0.2=450 MPa。由此可得到安全系數(shù)SF=RP0.2/σred，B≈1.26，該數(shù)值大于標(biāo)準(zhǔn)值1.0，因此螺栓性能滿足疲勞強(qiáng)度要求。

3.5? ? 交變載荷評估

動車組列車客室門螺栓所受載荷為同心加載，螺栓連續(xù)交變載荷計(jì)算公式如下：

3.7? ? 防滑可靠性評估

根據(jù)VDI 2230標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，連接件之間的剩余壓緊力FKRmin應(yīng)該大于能夠確保連接件保持固態(tài)穩(wěn)定所需的最小壓緊力Fkerf，即防滑系數(shù)需要大于1。

通過對動車組客室門螺栓進(jìn)行強(qiáng)度校核，可知螺栓安裝預(yù)緊力、螺栓強(qiáng)度、交變載荷、表面壓力和防滑可靠性等參數(shù)均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 結(jié)論

本文基于有限元分析軟件獲得門系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)下的螺栓所受最大載荷，對螺栓強(qiáng)度進(jìn)行校核，結(jié)論如下：在動車組列車運(yùn)行工況下，客室門螺栓強(qiáng)度、交變載荷、表面接觸壓力、防滑可靠性等均符合質(zhì)量要求。

本文基于多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對螺栓性能進(jìn)行了全面科學(xué)的校核，為動車組客室門的安裝調(diào)試提供了理論依據(jù)，本文使用的校核流程也同樣適用于其他組件的螺栓校核，因而具有一定的借鑒意義。

[參考文獻(xiàn)]

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[4] 李曉峰，孫瑞，顏楷晨.標(biāo)準(zhǔn)化動車組設(shè)備艙螺栓強(qiáng)度分析方法[J].大連交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2020，41（1）：29-34.

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[6] 高爽，路飛.CRH380B型動車組塞拉門常見故障及處理方法[J].鐵道機(jī)車與動車，2021（2）：43-45.

[7] 呂志成，王劍.高速動車組車下螺栓連接結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度分析[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2019，57（5）：33-36.

[8] 李婭娜，李躍，謝素明.基于VDI 2230標(biāo)準(zhǔn)的動車組枕梁聯(lián)接螺栓強(qiáng)度分析[J].大連交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2019，40（2）：51-56.

收稿日期：2021-06-03

作者簡介：單玉兵（1974—），男，江蘇高郵人，高級工程師，研究方向：機(jī)械工程（軌道交通）。