司機(jī)室連掛緊固件的選擇及可靠性研究

周婷 陳玉芳

摘要：城軌車輛鋁合金車體的司機(jī)室作為一個獨(dú)立的部件，通過緊固件連接方式與車頂、底架等部件連接，緊固件的選擇及可靠性是車體設(shè)計需要考慮的重要項點(diǎn)?，F(xiàn)主要介紹司機(jī)室連掛過程中緊固件的選擇原則以及存在的問題，并提出較為統(tǒng)一的選擇方案。

關(guān)鍵詞：城軌車輛;司機(jī)室連掛;緊固件選擇

0 引言

城軌車輛的車體結(jié)構(gòu)一般由司機(jī)室、底架、側(cè)墻、車頂、端墻五大部件組成，司機(jī)室結(jié)構(gòu)通過螺栓等緊固件連接到底架、車頂?shù)炔考?，該結(jié)構(gòu)可將司機(jī)室作為吸能變形區(qū)域，若發(fā)生碰撞變形等事故可拆除獨(dú)立的司機(jī)室，單獨(dú)進(jìn)行更換，節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本。緊固件連接區(qū)域一般包括車頂、底架邊梁、前端梁三部分，如圖1所示。

1 緊固件選擇遵循的原則

為保證緊固件的安全性、有效性、可靠性，須遵循以下三方面的選擇原則。

1.1? ? 螺栓型號的選擇

根據(jù)《機(jī)車車輛用螺栓連接通用技術(shù)規(guī)范 第2部分：設(shè)計——機(jī)械制造應(yīng)用》（Q/CSR 52.2—2008）[1]，螺栓型號的選擇應(yīng)遵循以下原則：

根據(jù)零部件的連接厚度確定緊固長度、螺栓長度以及螺栓型號，連接厚度包括車體連接部分厚度、螺母厚度以及墊片厚度。為充分發(fā)揮螺栓桿的彈性延伸特性，螺栓應(yīng)滿足以下公式：

當(dāng)零部件厚度不滿足要求時，需另外使用軸套或縮小螺栓直徑。后一種情況可導(dǎo)致螺栓數(shù)量的增加，也可使用較高強(qiáng)度的螺栓，從而保證連接強(qiáng)度。

1.2? ? 螺栓、螺母、墊片等級的選擇

根據(jù)《機(jī)車車輛用螺栓連接通用技術(shù)規(guī)范 第2部分：設(shè)計——機(jī)械制造應(yīng)用》（Q/CSR 52.2—2008）[1]，螺栓、螺母的性能等級和墊圈的硬度等級應(yīng)相匹配，如表1所示。

由表1可知，性能等級為8.8級的六角頭螺栓應(yīng)選用性能等級為8級的螺母以及硬度為HV200或HV300的墊圈。

性能等級為10.9級的六角頭螺栓應(yīng)選用性能等級為10級的螺母以及硬度為HV300的墊圈。

性能等級為A2-70的六角頭螺栓應(yīng)選用性能等級為A2-70的螺母以及硬度為HV200的墊圈。

1.3? ? 防松措施

螺栓連接發(fā)生松脫的主要原因有兩個方面：一是壓陷（在接合面中，螺紋中及螺栓頭下面的表面貼合時表面粗糙度的塑性整平）或蠕變（由于表面壓力太大，超過被擰緊零部件材料的屈服極限，經(jīng)過一段時間發(fā)生蠕變）導(dǎo)致的松動;二是自動松脫，由于作用于螺栓連接的引起橫向移動的力的影響，螺栓連接有自動松脫的危險[2]。松脫的危險程度取決于現(xiàn)有預(yù)緊力以及橫向移動量，這種松脫由與螺栓中心線垂直的交變橫向作用力引起，此時，螺紋中、螺栓頭及螺母支承面上的摩擦及自鎖條件被抵消，結(jié)果是自動松脫，這可以導(dǎo)致連接完全脫開。因此，需采取措施預(yù)防松脫。

一般從3個方面防止松脫：摩擦防松、機(jī)械防松和永久防松。常見的摩擦防松方法有利用彈性墊片、自鎖螺母等，常見的機(jī)械防松方法有利用止動墊片、串聯(lián)鋼絲、開口銷等，常見的永久防松方法有粘合防松、點(diǎn)焊防松等。

2 司機(jī)室連掛存在的問題

參考前述緊固件選擇的原則，可進(jìn)一步分析司機(jī)室連掛緊固件使用存在的問題。某司機(jī)室連掛方案如圖2所示。

經(jīng)過計算，車頂處理論連接厚度為42.3 mm，按照螺栓型號選用原則，42.3/12≈3.5>3，底架邊梁連接處理論連接厚度為38.8 mm，38.8/12≈3.2>3，可選M12的螺栓。

其中，螺栓使用10.9級，螺母選擇10級，墊片需選用HV300，但件號3和件號4選擇的墊片硬度為HV200，可以進(jìn)一步優(yōu)化。

防松措施：采用了防松墊片和自鎖螺母進(jìn)行防松，一般采用一種防松裝置即可，較多使用墊片，將增加螺栓連接的分界面，影響預(yù)緊力。

關(guān)于緊固件表面處理：螺栓和螺母均為達(dá)克羅涂層，件號3和件號4的墊片均為鍍鋅鈍化涂層，應(yīng)采用相同涂層緊固件。

不同的螺栓等級及表面處理方式，需要根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)施加相應(yīng)的扭矩值，從而充分發(fā)揮螺栓的強(qiáng)度性能[3]。在該司機(jī)室連掛方案中，緊固件使用了潤滑劑MoS2，10.9級M12螺栓扭矩值為92 N·m（未使用潤滑劑的10.9級M12螺栓扭矩值為123 N·m）。若92 N·m的扭矩可以滿足預(yù)緊力與工作載荷的要求，則可選擇較低等級的螺栓。若需要使用10.9級的螺栓，可提高扭矩要求以充分發(fā)揮該等級的螺栓性能。

3 優(yōu)化建議

綜上，在緊固件的選用上主要圍繞以下幾個方面展開：

（1）螺栓型號是否合適，螺紋有效旋合長度是否滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，能否滿足預(yù)緊力的要求;

（2）螺栓、螺母性能等級以及墊圈硬度等級匹配是否符合國家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn);

（3）緊固件是否有相應(yīng)的防松措施;

（4）緊固件表面處理是否保持一致。

圖3為優(yōu)化后的緊固件選擇方案。

該優(yōu)化方案中，連掛處的結(jié)構(gòu)一致，連接厚度一致，螺栓型號可保持不變，為M12。螺栓性能等級為10.9級，螺母性能等級為10級，墊片采用大墊片，硬度為HV300，性能相匹配。此外，表面處理均為涂抹達(dá)克羅，涂層保持一致。取消原有項目常用的CS防松墊圈，直接采用自鎖螺母，具有防松功能，且要求緊固時涂抹螺紋緊固膠，進(jìn)一步提升防松效果。10.9級的M12螺栓扭矩要求為123 N·m，符合《機(jī)車車輛用螺栓連接通用技術(shù)規(guī)范 第2部分：設(shè)計——機(jī)械制造應(yīng)用》（Q/CSR 52.2—2008）[1]，以保證足夠的預(yù)緊力。

通過合理布置緊固件的位置，在緊固點(diǎn)處施加相應(yīng)的螺栓支反力，驗證司機(jī)室在不同工況下所受應(yīng)力是否滿足許用應(yīng)力要求。司機(jī)室在不同工況下的計算結(jié)果分別如圖4、圖5、圖6、圖7所示。

由圖4、圖5、圖6、圖7可知，車鉤壓縮工況時，司機(jī)室門立柱與頂部橫梁連接處出現(xiàn)最大應(yīng)力集中點(diǎn)，為181.770 MPa，小于EN AW 6005A-T6材料的屈服強(qiáng)度215 MPa，安全系數(shù)為1.18，滿足要求，所選緊固件型號、施加扭矩以及司機(jī)室結(jié)構(gòu)合理。

4 結(jié)語

隨著軌道交通產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，在提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本的大環(huán)境下，模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計必然會得到更多的應(yīng)用和發(fā)展。對司機(jī)室不同連掛處的結(jié)構(gòu)進(jìn)行統(tǒng)型，在符合規(guī)范、滿足要求的前提下，對緊固件的選用進(jìn)行優(yōu)化和統(tǒng)型十分必要。本文總結(jié)了司機(jī)室連掛模塊存在的部分典型問題，梳理了規(guī)范化的要求，提出了相應(yīng)的問題和建議，有利于保證司機(jī)室連掛的安全性、可靠性，對于提高產(chǎn)品質(zhì)量以及可靠性具有積極作用。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 中國南車股份有限公司.機(jī)車車輛用螺栓連接通用技術(shù)規(guī)范 第2部分：設(shè)計——機(jī)械制造應(yīng)用：Q/CSR 52.2—2008[S].

[2] 謝雁成.淺析裝配螺栓松動原因及防松措施[J].裝備制造技術(shù)，2015（4）：173-175.

[3] 劉利，馮玉偉.螺栓擰緊力矩的確定及檢驗方法[J].煤礦機(jī)械，2007，28（5）：155-156.

收稿日期：2021-06-08

作者簡介：周婷（1990—），女，湖北襄陽人，工程師，主要從事軌道交通車輛車體結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。