動車組車下鉚接結(jié)構(gòu)分析及狀態(tài)評估

李孝勇　萬國強　李來彬

摘 要：文章針對動車組車下鉚接結(jié)構(gòu)進行結(jié)構(gòu)分析，對已運用10年的動車組用結(jié)構(gòu)件進行分解研究，評估其運用狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：鉚接結(jié)構(gòu)；動車組；失效分析；疲勞試驗

1 概述

鉚接結(jié)構(gòu)作為一種有效的機械連接形式，在機械結(jié)構(gòu)中被廣泛應用[1]。由于鉚接結(jié)構(gòu)具有良好的安裝性能、防松性能、特有的抗剪力和高夾緊力[2]、低檢修、免維護性等特點，在高速動車組領(lǐng)域得到了廣泛應用。高速動車組是一個復雜的系統(tǒng)工程，輪軌耦合及高速運行產(chǎn)生的氣動載荷對車下鉚接結(jié)構(gòu)影響較大，在動車組高速運行時，若鉚接結(jié)構(gòu)存在失效，會造成飛濺，容易擊傷人或擊打到其他設(shè)備，甚至會造成設(shè)備脫落，釀成嚴重后果。為保障列車的安全、可靠運營，消除安全隱患，需對高速動車組車下鉚接結(jié)構(gòu)進行結(jié)構(gòu)分析及狀態(tài)監(jiān)控。

2 車下鉚接結(jié)構(gòu)的應用

（1）設(shè)備安裝用鉚接結(jié)構(gòu)如圖1所示、管線支架鉚接結(jié)構(gòu)。

（2）設(shè)備艙底板用鉚接結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3 鉚接結(jié)構(gòu)分析

（1）安裝設(shè)備用鉚接結(jié)構(gòu)，鉚釘承受橫向剪切、結(jié)構(gòu)共振等復合載荷，可能會使基體安裝孔變形，從而導致鉚釘傾斜，引起設(shè)備異常振動；鉚釘承受垂向拉伸載荷也可能改變鎖緊環(huán)與鉚釘圓弧凹槽密貼程度，導致預緊力的下降。

（2）設(shè)備艙底板組裝大量采用鉚接結(jié)構(gòu)，由于此結(jié)構(gòu)直接暴露在車輛底部，受結(jié)構(gòu)共振、氣動載荷的影響，可能會使鉚釘產(chǎn)生疲勞斷裂，導致鉚釘脫落。

4 研究的內(nèi)容及方法

4.1 對車下鉚接結(jié)構(gòu)分解研究

對已經(jīng)運用10年的鉚接結(jié)構(gòu)進行分解檢查，以換氣裝置逆變器用鉚接結(jié)構(gòu)作為試驗樣件如圖3所示。

4.1.1 研究方法

自鉚釘套環(huán)與墊塊的交界處將鉚釘切斷，鉚釘自動從孔內(nèi)脫出，對鉚接母材、鉚接件、墊片、鉚釘、鉚釘套環(huán)周邊進行形貌觀察，對橫梁安裝孔和過渡梁安裝孔進行圓度檢測，對各部件進行探傷。以研究各安裝部件是否存在裂紋，各安裝面是否存在相互運動產(chǎn)生的摩擦痕跡，各安裝孔圓度是否存變橢圓的跡象，以判斷鉚接結(jié)構(gòu)是否失效或存在失效趨勢。

4.1.2 研究過程

（1）通過對各部件形貌檢測，各接觸面之間未見明顯的微動磨損形貌，證明各部件之間的緊固狀態(tài)良好。

（2）由于設(shè)備過渡支架與橫梁對使用安全影響最大，故僅對兩者的孔尺寸進行計量，評估是否存在塑性變形。測量結(jié)果見表1。數(shù)據(jù)顯示兩個孔的直徑都不均勻，圓度不均勻；由于鉚釘孔呈腰鼓形（中間粗、兩端細），這種形狀也不太可能是工作時磨損所致。孔圓度不均勻應不是工作過程中發(fā)生的變形，可能與加工有關(guān)。

（3）將各部件沿軸向剖切成兩半，進行熒光檢測，未發(fā)現(xiàn)裂紋顯示。

（4）采用體視顯微鏡，對七部件的孔內(nèi)壁形貌進行觀察，各部件形貌均不符合典型的微動磨損特征。

（5）對鉚釘表面進行熒光檢測，未發(fā)現(xiàn)裂紋。用體視顯微鏡觀察，其表面未見明顯損傷。

4.1.3 小結(jié)

根據(jù)以上檢測結(jié)果，各接觸面之間未見明顯的微動磨損形貌，鉚釘孔圓度測量不均勻，無損檢測未見裂紋，孔內(nèi)壁無微動損特征，鉚釘表面形貌正常且未見損傷。證明鉚接結(jié)構(gòu)無失效特征，目前狀態(tài)良好。

4.2 設(shè)備艙底板研究

系統(tǒng)了解其鉚接結(jié)構(gòu)的性能，對設(shè)備艙底板用鉚釘進行了機械性能檢測和疲勞試驗驗證。

4.2.1 機械性能檢測

選取在設(shè)備艙底板中應用較為廣泛的鉚釘（不銹鋼鉚C6L90-U8-3），進行拉伸試驗與剪切試驗，測試結(jié)果見表2。

根據(jù)檢測結(jié)果，樣件的最小抗剪切載荷為12.65KN大于標準規(guī)定值12.25KN，最小抗拉力載荷為17.68KN是標準規(guī)定值的1.4倍，試驗結(jié)果表明此種鉚釘本身的機械性能符合要求。

4.2.2 鉚接結(jié)構(gòu)疲勞試驗

疲勞試驗子樣件選取典型鉚接結(jié)構(gòu)，共計8個子樣件。采用MTS810材料試驗機，進行拉伸疲勞試驗[3]，采用對稱循環(huán)進行加載試驗，即循環(huán)應力比為r=-1。子樣件材質(zhì)為不銹鋼（SUS304，厚度3mm），采用鉚釘C6L90-U8-3（不銹鋼），鉚釘套環(huán)3LC-2CU-8（不銹鋼），試驗現(xiàn)場圖見圖4，試驗數(shù)據(jù)見表3。

試驗中對疲勞試驗次數(shù)超過200萬次的工件按照200萬次記錄，數(shù)據(jù)見表3，結(jié)果表明，設(shè)備艙底板用鉚接的疲勞斷裂次數(shù)隨拉伸力的增加而減少，在拉伸力達到2KN時，疲勞斷裂次數(shù)出現(xiàn)銳減。但工件5的試驗結(jié)果與相近工況的試驗結(jié)過果差別很大，結(jié)合樣件斷口的形貌，分析為施工不規(guī)范導致，表明施工的差異性對鉚接性能的影響很大。

4.2.3 小結(jié)

結(jié)合鉚釘?shù)臋C械性能和疲勞試驗結(jié)果，鉚接結(jié)構(gòu)的斷裂形式表現(xiàn)為鉚接件首先發(fā)生變形斷裂，證明鉚釘?shù)膹姸葷M足設(shè)備艙運用要求。另外，觀察鉚釘斷裂部位的鉚接件母材，無1例母材裂紋，說明結(jié)構(gòu)強度滿足運用要求。

5 結(jié)束語

經(jīng)過以上車下鉚接結(jié)構(gòu)的研究，結(jié)果表明設(shè)備安裝用鉚接結(jié)構(gòu)安全可靠，運用狀態(tài)良好。設(shè)備艙用鉚接結(jié)構(gòu)的強度設(shè)計滿足要求，設(shè)計安全可靠。證明車下鉚接結(jié)構(gòu)的設(shè)計滿足動車組運用要求，且運用狀態(tài)良好。

參考文獻

[1]張洪雙.鉚接工藝參數(shù)分析[J].機械設(shè)計與制造，2011（6）：241-243.

[2]肖貴.哈克拉鉚釘技術(shù)在車輛中的應用[J].科技經(jīng)濟市場，2010（7）：20.

[3]吳志偉.拉鉚釘工藝在客車車身輕量化中的應用[J].產(chǎn)業(yè)與科技論壇，2015，14（8）：68-69.

作者簡介：李孝勇（1983-），男，中車青島四方機車車輛股份有限公司技術(shù)中心，從事動車組的研發(fā)設(shè)計工作。