螺紋旋合長度對鋼軌接頭螺栓強度的影響分析

李 響，薛 強，苗德華

(天津科技大學機械工程學院，天津 300222)

螺紋旋合長度對鋼軌接頭螺栓強度的影響分析

李 響，薛 強，苗德華

(天津科技大學機械工程學院，天津 300222)

應用有限元接觸分析方法，研究鋼軌接頭螺栓螺紋旋合長度對螺栓強度的影響．通過改變鋼軌接頭螺栓和螺母的螺紋旋合長度，并進行相應的接觸有限元分析，定量研究鋼軌接頭螺栓內部的應力分布，為實現鋼軌螺栓螺母的輕量化，降低螺栓和螺母的制造成本提供理論依據．

鋼軌螺栓；螺紋旋合長度；有限元分析；疲勞強度

Abstract：By using finite element contact analysis method，the influence of the length of thread engagement on the strength of rail bolt was analyzed. Through changing the length of thread engagement of rail bolt and carrying on the finite element contact simulations，the quantitative research of stress distribution w ithin the rail bolt was completed. And through which，a theoretical foundation for the realization of lightweight of rail bolts and nuts，and the reduction of manufacture costs was provided.

Keywords：rail bolt；length of thread engagement；finite element analysis；fatigue strength

鐵路運輸不斷向高速、重載發展，列車的軸重、行車密度和速度不斷增加，鋼軌的負荷量也不斷增加．鋼軌接頭螺栓是鐵路鋼軌聯接的重要零件，其強度決定著鐵路鋼軌聯接的安全性和可靠性．我國鐵路發展很快，里程不斷增加，高速鐵路里程已居世界第一位，高強度接頭螺栓和螺母用量巨大．研究螺紋旋合長度對鋼軌接頭螺栓強度的影響，在保證聯接強度的前提下適當減少螺紋旋合長度，實現鋼軌螺栓螺母的輕量化非常重要．國內對鋼軌螺栓聯接強度的研究，主要集中在改變螺栓螺紋根部的圓角半徑[1]、螺栓螺母的結構[1–2]等，有關螺栓螺紋旋合長度對螺栓強度的影響，目前還未見有非常詳細的定量分析和研究．

本文應用有限元接觸分析方法，研究鋼軌接頭螺栓螺紋旋合長度對螺栓強度的影響．通過改變鋼軌接頭螺栓和螺母的螺紋旋合長度，并進行相應的接觸有限元分析，定量研究鋼軌接頭螺栓內部的應力分布，為實現鋼軌螺栓螺母的輕量化，降低螺栓和螺母的制造成本提供理論依據．

1 鋼軌螺栓聯接結構及螺栓主要參數

鋼軌螺栓聯接由鋼軌、螺栓、螺母、緩沖墊等組成，如圖1所示．

圖1 鋼軌螺栓聯接示意圖Fig.1 Joint schematic diagram of the rail bolt

采用適用于無縫線路、鋼軌間距55,cm、60,kg/m鋼軌接頭聯接用的螺栓和螺母作為計算模型．螺栓為10.9級高強度絕緣接頭螺栓，材料采用20,MnTiB，其抗拉強度為1 040,MPa，屈服強度為940,MPa；材料的泊松比為0.28，彈性模量為210,GPa；采用普通三角螺紋，基本牙形參見文獻[3]．鋼軌螺栓的基本結構如圖2所示，螺栓長度為150,mm，螺紋長度為60,mm，公稱直徑為24,mm，螺距為3,mm，螺紋中徑為22.051,mm．螺栓聯接的其他結構參數參見文獻[4]．

圖2 鋼軌螺栓主要參數Fig.2 M ain parameters of rail bolt

2 螺栓聯接有限元模型建立

2.1 幾何模型

選取旋合長度為3～10個螺距的8種螺栓聯接形式，建立其幾何模型．圖3所示為其中的部分幾何模型(局部)．

圖3 不同旋合長度的聯接幾何模型Fig.3 Geometric m odels of different length of thread Fig.3草 engagement

2.2 單元網格劃分

采用兩自由度四邊形軸對稱平面單元進行網格劃分，網格劃分原則參考文獻[1]．為了控制單元劃分質量，四邊形角度限制為70°～110°，單元邊長的最大長度為0.02,mm，不同旋合長度螺栓聯接的單元數和節點數見表1．圖4為其中一種螺栓聯接形式的有限元網格模型(局部)．

2.3 接觸模型建立

由于螺栓和螺母相互接觸，不能把它們看作同一個物體進行有限元分析計算，應該按接觸分析處理．由于接觸問題是一種高度非線性行為，需要很大的計算資源，為了實現高效率、高精度和穩定性的計算，必須建立合理的有限元接觸模型．本文采用兩維面–面接觸單元建立接觸對，接觸求解算法采用增廣拉格朗日(Augmented Lagrangian)方法，材料的摩擦因數為0.15．

表1 不同旋合長度的網格劃分數據Tab.1 M esh data of different length of thread engagement

圖4 網格劃分實例Fig.4 M eshing model exam p le

2.4 載荷及邊界條件

螺栓聯接的加載方式及邊界約束條件[1–2]參見圖5．根據螺栓聯接的特點，按照軸對稱方法進行加載和約束，即在OX處加軸向約束，使其Y方向位移為0；在OY上施加徑向約束，使其X方向位移為0；在螺母與被聯結物體接觸面上施加5 MPa的軸向載荷．

圖5 加載方式Fig.5 Loading way

3 計算結果及分析

3.1 計算結果

在螺栓聯接有限元模型建立后，采用ANSYS對8種旋合長度的聯接進行有限元接觸分析計算．

不同旋合長度螺栓聯接形式的最大工作應力(Von M ises stress)及其位置見表2．表中最大工作應力位置為YO方向距螺栓端部的距離．不同旋合長度螺栓聯接形式的應力云圖如圖6所示．圖中螺栓聯接的方位為OY方向，即螺母的上面位置為支承面，螺栓聯接承受的載荷施加在該支承面上．

表2 最大工作應力及其位置Tab.2 M aximum Von M ises stress and their positions

圖6 不同旋合長度螺栓的應力云圖Fig.6 Stress contours of different length of thread engagement

3.2 不同旋合長度螺栓的應力分布

從表2所示的螺栓最大工作應力及其位置，以及圖6所示的螺栓聯接應力云圖可知：旋合長度為3個螺距時，最大工作應力出現在從螺栓聯接支承面開始的第3圈，且數值較大；其他旋合長度的螺栓最大工作應力均出現在第1圈．根據已有的文獻和實驗可知[5–7]，螺栓聯接的失效一般是由螺栓的疲勞斷裂造成的，而且斷裂通常發生在從螺栓聯接支承面開始的第1圈．因此，從計算結果分析，旋合長度在4個螺距及以上時，結果是比較合理的．而對于3個螺距的旋合長度，其應力的不同狀態和數值應該是因為較短的螺紋旋合長度所致．

旋合長度為4～10個螺距時，其第2圈的最大工作應力分別為26.077、23.815、22.621、22.727、22.012、22.364、22.080,MPa．可以看出，從旋合長度為6個螺距開始，其第2圈的最大工作應力基本相同，而且第2圈的最大應力值與相應的螺栓聯接最大工作應力值(第1圈處)的差也基本相同．通過分析可知，螺栓聯接其他位置的應力也有這種趨勢．說明螺栓聯接的應力分布有一定規律．因而，從螺栓聯接應力分布來看，旋合長度為6～10個螺距的變化不大，其聯接的疲勞強度基本相同．

從圖6所示的螺栓聯接應力云圖可知，螺栓所受到的拉應力主要集中在從螺栓聯接支承面開始的第1至第7圈，而從第8至第10圈，螺栓所受到的拉應力較小，其對螺栓疲勞強度的影響也較小．

4 結 論

(1)鋼軌螺栓聯接的最大工作應力出現在從螺栓聯接支承面開始的第1圈接觸面處，考慮到已有的文獻、實驗結果[5]和本文所做有限元分析，螺紋旋合長度最少應該是4個螺距．

(2)計算結果表明，螺栓所受到的拉應力主要集中在從螺栓聯接支承面開始的第1至第7圈，而從第8到第10圈，螺栓所受到的拉應力較小，其對螺栓疲勞強度的影響也較小．因此，減小螺栓和螺母的旋合長度，以節省材料降低成本，而螺栓的疲勞強度并不會明顯改變．

(3)目前鐵路上實際使用的聯接螺栓和螺母的旋合長度為27,mm(9個螺距)，標準上規定的旋合長度是24,mm．從本文有限元接觸分析的結果看，鋼軌螺栓螺紋旋合長度推薦采用6個或7個螺距，這樣可以使材料得到充分利用，螺紋旋合長度可以減少，螺栓的長度也可以降低，從而實現鋼軌螺栓聯接的輕量化．

(4)在螺栓長度減小后，可能會造成螺栓剛度的增加，從而造成螺栓應力幅度的增大，疲勞強度減小．可以通過改變螺栓的結構，如減小螺栓的直徑，或采用中空螺栓，增加螺栓的柔性來解決這個問題．這樣還可以進一步實現鋼軌螺栓聯接的輕量化．

(5)文獻[5]進行了鋼軌螺栓的疲勞實驗，其實驗結果與本文有限元分析的結果基本吻合．考慮到鋼軌螺栓在使用時受到的沖擊和振動，在后續的研究中可以進一步考慮這種情況，以提高有限元分析的精度．

［1］ 薛強，苗德華，汪文穎. 鋼軌螺栓螺紋根部圓弧半徑對螺栓強度的影響[J]. 天津科技大學學報，2004，19(1)：52–54.

［2］ 薛強，苗德華. 鋼軌接頭螺栓的有限元應力集中分析[J]．鐵道標準設計，2004(4)：70–72.

［3］ 全國螺紋標準化技術委員會. GB/T 192—2003普通螺紋·基本牙型[S]. 北京：中國標準出版社，2003.

［4］ 鐵道部標準計量研究所. TB/T 2347—1993 鋼軌用高強度接頭螺栓與螺母[S]. 北京：中華人民共和國鐵道部，1993.

［5］ 白衛衛. 鋼軌螺栓結構優化設計及其疲勞特性的研究[D]. 天津：天津科技大學機械工程學院，2005.

［6］ 濮良貴，紀名剛. 機械設計[M]. 北京：高等教育出版社，2001.

［7］ 馬履中. 機械原理與設計[M]. 北京：機械工業出版社，2009.

Influence of the Length of Thread Engagement on the Strength of Rail Bolt

LI Xiang，XUE Qiang，M IAO De-hua
(College of Mechanical Engineering，Tianjin University of Science & Technology，Tianjin 300222，China)

TH13.3

A

1672-6510(2011)02-0045-04

2010–11–12；

2010–12–23

李 響（1983—），男，天津人，碩士研究生；通信作者：薛 強，教授，qxue@tust.edu.cn．