高速列車輪裝制動盤螺栓連接結(jié)構設計與分析

喬 峰 ,李鵬濤 ,李國棟 ,楊 川 ,辛志強 ,石雪嬌 ,王志龍

(1.中南大學 粉末冶金國家重點實驗室,湖南 長沙 410083;2.中車長春軌道客車股份有限公司 國家軌道客車工程研究中心,吉林 長春 130062)

盤形制動作為高速列車的關鍵技術之一,尤其在其他安全措施無法得到保障時,其必須能夠通過有效的機械摩擦實現(xiàn)高速列車在規(guī)定的制動距離內(nèi)停車,是高速列車安全可靠制動的最后一道屏障[1-4],其重要性不言而喻。高速列車的每次制動,制動盤都會經(jīng)受一次加熱和冷卻循環(huán)并產(chǎn)生一個循環(huán)熱應力,反復制動會導致制動盤盤面產(chǎn)生熱斑和熱疲勞損傷,嚴重情況下可導致盤面開裂影響制動盤的使用壽命,尤其是緊急制動時制動盤將承受巨大的結(jié)構和熱耦合載荷[5],同時也將嚴格考驗制動盤整個連接結(jié)構設計的可靠性。

輪裝制動盤是由2片安裝在動車車輪輻板兩側(cè)的制動盤組成,可見在散熱結(jié)構設計滿足要求的前提下,2片制動盤的連接結(jié)構設計是關鍵之中的關鍵,其關系到輪裝制動盤能否正常工作,進而關系到高速列車正常運行的可靠性,因此對制動盤的連接結(jié)構設計尤為關鍵。

1 螺栓連接結(jié)構設計

高速列車輪裝制動盤安裝在車輪兩側(cè),由2片制動盤與車輪連接成整體?？紤]到安裝、維護的簡便性,制動盤與車輪通過螺栓、螺母連接在一起[6],如圖1所示。

圖1 輪裝制動盤

高速列車行駛過程中,制動盤與車輪一起高速旋轉(zhuǎn),制動盤承受來自垂向、縱向、橫向振動載荷以及動不平衡帶來的附加動載荷。制動過程中制動盤承受制動壓力形式的機械載荷、熱載荷、機械與熱耦合載荷,工作工況惡劣,影響行車安全,可見對其可靠性要求較高。輪裝制動盤的可靠性決定于連接結(jié)構的可靠性,連接結(jié)構的可靠性決定于螺栓、螺母及結(jié)構設計的可靠性。因此應根據(jù)螺栓、螺母工作環(huán)境,工作工況等條件,分別從螺栓受力、強度條件、材質(zhì)選擇三方面進行設計與分析并給出解決方案,保證行駛及制動過程中制動盤與車輪不能出現(xiàn)松動現(xiàn)象,不能使連接失效。

1.1 螺栓受力分析

在裝配過程中如果一個螺栓被擰緊到初始夾緊載荷FM,那么螺栓會伸長fSM,同時被連接零件縮短fPM,完成裝配后由于被連接件粗糙的表面變平滑,出現(xiàn)嵌入現(xiàn)象,彈性伸長量fSM+fPM減少了嵌入量fZ,結(jié)果初始夾緊載荷FM減少FZ(圖2)。

圖2 螺栓受力及變形圖

在擰緊過程中承受的初始夾緊載荷FM取決于擰緊方法和條件,其值分散在FMmin和FMmax之間,這種分散情況由擰緊系數(shù)αA表示,公式如下:

如果用最小裝配預緊載荷FMmin夾緊某一連接體,并且由于出現(xiàn)嵌入情況而發(fā)生初始夾緊載荷減少FZ,在最壞的情況下,剩余預緊力FV。

在工作中,工作載荷FA是制動時螺栓溫度急劇上升導致螺栓受熱膨脹與高速列車運行時螺栓受軸向振動載荷之和,承受預緊力FV的螺栓連接承受的工作載荷FA在螺栓中引起附加載荷FSA,從而使預緊力FV減少了FPA剩下剩余預緊力FKR。附加載荷FSA與工作載荷FA成正比,稱該比例因素Φ為載荷系數(shù),具體如式(2)、式(3)所示:

根據(jù)上述分析,得出設計原則:

(1) 保證螺栓殘余預緊力Q'p能抵抗制動盤工作時所受到的扭矩載荷及振動載荷,使連接結(jié)合面不產(chǎn)生相對滑動;

(2) 螺栓抗拉強度(不致拉斷)、屈服強度(不致產(chǎn)生塑性變形)、疲勞強度(不致產(chǎn)生疲勞斷裂)能夠滿足使用壽命內(nèi)工作載荷要求。

1.2 螺栓預緊載荷計算

現(xiàn)以某型輪裝制動盤為例,其主要輸入?yún)?shù)見表1。根據(jù)IEC 61373:2010《鐵路應用 鐵道車輛設備 沖擊和振動試驗》,振動加速度為14.4g,沖擊加速度為100g,將振動、沖擊疊加得到總加速度為114.4g。根據(jù)接口尺寸及結(jié)構連接要求,初選10.9級M10螺栓,防松方式為施必牢螺紋和有效力矩型鎖緊螺母。

表1 某型輪裝制動盤主要輸入?yún)?shù)

制動盤因連接件大多為金屬件,在同樣溫升條件下,因2種材料熱膨脹系數(shù)的巨大差異,導致螺栓受熱膨脹后放松量將更大[8],從而使殘余預緊載荷更小。為此在滿足制動盤磨損限度要求及零部件強度的前提下,應盡量增加螺栓長度,在螺栓頭與螺母之間增加金屬墊塊,并盡可能增加金屬墊塊厚度,以削弱溫度對螺栓殘余預緊載荷減少的影響。

此處選用的螺栓為高強度螺栓,可根據(jù)VDI 2230-1:2015《高強度螺栓連接的系統(tǒng)計算 單個圓柱螺栓連接》進行計算及校核,忽略計算中的次要因素,預緊載荷在計算所需最小夾緊載荷FKQ的基礎上,還應加上工作載荷使預緊載荷減少量FPA、熱載荷使預緊載荷減少量ΔF'Vth、因配合表面發(fā)生穿透導致預緊載荷減少量FZ,即得到最小裝配預緊載荷FMmin,見式(6):

考慮擰緊方式和調(diào)整技術及摩擦因數(shù)的分散性,最大裝配預緊載荷FMmax與最小裝配預緊載荷FMmin的關系如式(7)所示,式中αA為1.6。

最小夾緊載荷FKQ的計算可根據(jù)制動盤緊急工況條件下所受的橫向載荷及扭矩載荷,以夾緊件與被夾緊件不發(fā)生相對運動或滑移為條件,建立方程求得。工作載荷使預緊載荷減少量FPA的計算(放松載荷),可根據(jù)夾緊件與被夾緊件的相對剛度計算得出。因配合表面發(fā)生穿透導致預緊載荷減少量FZ的計算,主要依賴于工作載荷類型、結(jié)合面數(shù)量和配對表面粗糙度,根據(jù)表2[9]選取穿透量建議值。

表2 鋼制螺栓、螺母和夾緊件的穿透量建議值 μm

載 荷FKQ、FPA、ΔF'Vth計 算 可 參 考VDI 2230-1:2015中5.4.1、5.4.2節(jié)內(nèi)容。熱載荷使預緊載荷減少量ΔF'Vth的計算可以先通過有限元仿真得出夾緊件、被夾緊件的溫升再進行理論計算,或可以通過試驗測得的夾緊件、被夾緊件溫升數(shù)據(jù)直接計算,然后通過有限元仿真結(jié)果分析比較。在本型輪裝制動盤中,制動盤溫升、螺栓溫升通過有限元仿真分析得出,制動盤溫升約為623℃(距摩擦面6 mm 處,第2次連續(xù)制動結(jié)束后),螺栓溫升約為268℃,如圖3和圖4所示。

圖3 制動盤熱電偶處溫升

鑒于計算過程較為復雜,在此不列出計算過程,計算結(jié)果見表3。擰緊力矩最小取18 N·m,保守可取最大值28 N·m,取最大值時更應校核被夾緊件表面壓應力,應符合強度要求。

1.3 螺栓及被夾緊件強度校核

在確認最終預緊載荷后,應按此預緊載荷對螺栓屈服強度、抗拉強度、疲勞強度及被夾緊件(制動盤)表面壓應力強度進行校核,以確保螺栓在極端惡劣工況下不發(fā)生塑性變形、拉伸及疲勞斷裂,確保夾緊件在螺栓預緊載荷下不致被壓潰并滿足規(guī)定的安全系數(shù)。根據(jù)強度校核結(jié)果選擇合適的螺栓材質(zhì)及表面處理要求,校核結(jié)果見表4。

表4 螺栓及被夾緊件強度校核結(jié)果

1.4 螺栓、螺母材質(zhì)選擇

根據(jù)1.3節(jié)強度校核結(jié)果,螺栓、螺母材質(zhì)選取一般中碳合金鋼加調(diào)質(zhì)處理即可滿足要求,但還應考慮螺栓、螺母的實際工況條件、環(huán)境條件。從工況條件來看,螺栓、螺母材質(zhì)必須耐高溫,從有限元分析結(jié)果看,需至少能耐270℃高溫且使螺栓在270℃高溫下不因屈服強度不夠而發(fā)生塑性變形,從而使殘余預緊載荷減小,不因抗拉強度不夠而發(fā)生斷裂。從環(huán)境條件來看,螺栓、螺母長期暴露在雨、雪、酸、堿、鹽等復雜的空氣環(huán)境中,螺栓、螺母應具備防腐蝕能力。綜合制動盤溫升達到623℃,選取螺栓、螺母材質(zhì)為GH2132,GH2132在650℃以下具有較高的屈服強度和持久、蠕變強度,并且具有較好的加工塑性和滿意的焊接性能,適合制造在650℃以下長期工作的高溫承力部件。

考慮到零部件的防腐能力,需對螺栓、螺母進行表面處理,表面處理的原則為防腐、能得到穩(wěn)定且較低的扭矩系數(shù)、成本可控。

螺栓在涂抹潤滑脂后可得到較低且更為穩(wěn)定的扭矩系數(shù)。采用達克羅表面處理方式較發(fā)黑、磷化處理得到的扭矩系數(shù)總體較低,但達克羅處理耐腐蝕性能較發(fā)黑、磷化處理更強,因此螺栓、螺母表面采取達克羅處理,螺栓緊固時在螺紋段涂抹潤滑脂[10-11]。

2 試驗驗證

取12組螺栓模擬產(chǎn)品實際工作情況,施加18 N·m預緊扭矩,實測制動盤端面跳動值0.2 mm,在1∶1制動動力試驗臺上按照《1∶1制動動力試驗大綱》進行臺架試驗。螺栓擰緊力矩及試驗后擰松力矩見表5。

表5 螺栓擰緊力矩及試驗后擰松力矩 N·m

試驗后螺栓未發(fā)生松動,試驗合格。力矩施加及擰松均采用數(shù)顯式智能扳手,精確到0.1 N·m,防松標記未發(fā)生錯位。

3 結(jié)論

本文首先根據(jù)輪裝制動盤工作原理及結(jié)構特點詳細分析了高強度螺栓連接結(jié)構設計中受力分析、強度校核、材質(zhì)選擇三方面中的關鍵點。然后根據(jù)VDI 2230-1:2015標準,詳細給出了某型輪裝制動盤高強度螺栓連接結(jié)構設計的計算過程及思路,得出了高強度螺栓最終的預緊載荷、強度校核、材質(zhì)選擇結(jié)果。最后通過1∶1臺架試驗驗證了高強度螺栓連接結(jié)構設計計算的準確性。結(jié)果表明,本文提出的輪裝制動盤高強度螺栓連接結(jié)構設計計算思路可為制動盤或其他機械裝置的高強度螺栓連接結(jié)構設計計算提供有效的指導和依據(jù)。