轉向架軸端端蓋螺栓的防松脫解決措施

陳經緯，王東星，曹 舜，宋學毅，韓 碩

（中車唐山機車車輛有限公司，1、高級工程師，2、工程師，河北 唐山 063035）

轉向架在運用中發生軸端端蓋緊固螺栓松脫問題需要引起高度重視。這是由于螺栓位于車輛走行部，脫落的螺栓掉落軌道或者擊打設備等都會嚴重影響車輛運營安全。目前該型轉向架執行的修程（M1修）為：每10萬km，對空心車軸進行探傷。探傷時，需要將軸端端蓋卸下，對車軸探傷完畢后，更換新螺栓重新安裝軸端端蓋。因此解決軸端端蓋緊固螺栓松脫的目的，就是著眼于防止螺栓松脫，研究簡單可靠，滿足轉向架M1修間隔（10萬km），螺栓不發生松脫的解決措施。

1 故障調查分析

1.1 故障描述截至2016年4月中旬，在線運營的轉向架軸端端蓋緊固螺栓發生松動、丟失故障合計28起，涉及53個螺栓，螺栓發生松脫的現象如圖1所示。

圖1 軸端端蓋發生螺栓松脫的示意圖

發生軸端端蓋螺栓松脫的轉向架的數量，占在線運營轉向架總數約5%，發生的總的概率并不大，然而由于該處螺栓的脫落涉及到走行安全，必須對軸端端蓋螺栓產生松脫的問題進行解決，確保車輛運營安全。

1.2 故障統計分析由于機械部件的失效大致符合正態分布，按照正態分布的統計學方法分析軸端端蓋螺栓發生故障的車輛、以及螺栓和運營公里數的關系。相關關系如圖2所示。

圖2螺栓松脫和運營里程的關系

發生螺栓松脫故障的車輛，M1修間隔平均走行里程為59908km，發生螺栓斷裂時走行最短的公里數為19123km，最長為99688km（進行M1修程更換時發現），詳見圖2（a）。螺栓松脫的平均公里數為62842km，詳見圖2（b）。

根據以上分析，發生松脫故障的螺栓，在動車組走行6萬km時，脫落的概率最大，故障的螺栓的緊固能力，達不到M1修程間隔（10萬km）的要求。

1.3 故障原因初步分析軸端端蓋采用的是M8標準緊固螺栓，不需要單獨進行強度分析。主要從螺栓防松脫角度分析解決問題［1］。軸端端蓋螺栓主要是將端蓋與軸箱連接，所受靜載荷較小、工作溫度范圍（-25℃-40℃），與動車組運用環境一致。松脫的原因主要是車輪的多邊形效應，在動車組高速運行時，產生高頻振動以及車輪和軌道的沖擊，振動和沖擊傳遞到軸端端蓋。端蓋連接螺紋副間的摩擦力在振動工況下，可能發生減少或瞬間消失［2］。這種現象多次重復后，就會使連接松脫。

為了防止軸端端蓋螺栓松脫，保證連接安全可靠，必須采用有效的防松措施。防松的根本問題在于防止螺紋副在受載時發生相對運動。防松的方法一般可以分為摩擦防松、機械防松和破壞螺紋副運動關系防松。軸端端蓋原有的連接結構中，主要是通過預緊力緊固和螺紋鎖固膠等實現摩擦防松，這種方式簡單，便于操作，但是暴露的問題，顯示現有的防松措施未完全滿足使用要求。

2 螺栓防松方案

根據成熟的防松措施，設計了三種防松方案。完成軸端蓋M8螺栓三種改進技術方案的制定及實施。

方案A：既有軸端蓋增加止動墊片，螺栓緊固扭矩保持不變。

方案B：既有軸端蓋M8螺栓8.8級改為10.9級，將緊固扭矩提高至30N.m，不采用其他防松措施。

方案C：既有端蓋8.8級，M8螺栓安裝扭矩由16N.m提高至23N.m，螺栓之間設置防松鐵絲。

以下對三種方案進行詳細分析。

2.1 螺栓防松方案A普通端蓋和接地端蓋采用止動墊片機械防松結構：在既有軸端蓋8.8級、M8螺栓安裝基礎上，每兩個螺栓設置一個止動墊片，具體詳見圖3。

圖3 螺栓防松方案A的示意圖

2.2 螺栓防松方案B既有軸端蓋M8螺栓由8.8級改為10.9級，并將緊固扭矩提高至30Nm，不采用其他防松措施。

2.3 螺栓防松方案C將既有的接地端蓋8.8級，M8螺栓安裝扭矩由16Nm提高至23Nm，螺栓之間設置防松鐵絲起到機械防松作用，具體詳見圖4。

圖4 螺栓防松方案C的示意圖

3 改造方案對比驗證及優選和推廣

3.1 試驗驗證2016年3月，在某16輛編組車輛上，實施了軸端防松脫更改方案：

1）1～16車上行左側普通端蓋按照防松方案A實施，1～16車上行右側普通端蓋按照防松方案B實施；

2）1～8車上行左側接地端蓋按照防松方案A實施，1～8車上行右側接地端蓋按照防松方案B實施；

（3）9～16車上行左側接地端蓋按照防松方案B實施，9～16車上行右側接地端蓋按照防松方案C實施。

2016年5月10日，改造后運行了95424km進行M1修，未發生過螺栓松脫、斷裂故障；M1修后仍按照改造方案執行，至2016年7月8日，運行99 522km，再次進行M1修，期間未發生過螺栓松脫、斷裂故障。經過連續兩個M1修驗證，三種防松方案均能滿足：車輛M1修間隔（10萬km）內，轉向架軸端蓋螺栓不發生松脫的改造要求。

3.2 防松方案對比分析方案A和方案C均采用了機械防松，分別需要增加止動墊片和纏繞鐵絲。由于車輛間隔10萬km，需要進行進行一次M1修。根據目前車輛年運行公里數量估算，一年拆裝軸端端蓋，達8～10次，增加止動墊片和拆繞鋼絲的防松效果可靠，但是增加較多工時，而且方案A和方案B均增加機械零件，增加了物料成本。方案A，止動墊片的拆除需要敲擊軸端蓋，易造成損傷［3］；方案C需要在螺栓頭上開孔穿鐵絲，還需要對螺母進行改造，也會帶來成本增加。綜合以上分析，從操作簡單和節省工時角度，優選方案B，但需要注意施加扭矩的控制［4］。

下面對方案B進行經濟性分析（見表1）。

表1 軸端端蓋螺栓防松方案B的物料數目和價格

根據表1數據進行計算，軸端端蓋螺栓原方案采用的螺栓全列成本為1817.52元，方案B的全列成本為1362.24元，較原方案降低成本25%。

3.3 推廣驗證分析進一步驗證，將軸端端蓋螺栓防松方案B進一步推廣到更多的車型上。

2016年5月11日，在一組8輛編組轉向架上實施了軸端端蓋螺栓防松脫更改B方案。至2016年6月25日，改造后的第一個M1修程，安全走行97 166km，未發生螺栓松脫、斷裂故障；至2016年8月13日，走行共計98831km，達到M1修，未發生螺栓松脫、斷裂故障。

2016年5月13日，在第二組8輛編組轉向架上實施了軸端端蓋螺栓防松脫更改B方案。至2016年7月16日，改造后的第一個M1修程，安全走行112293km，未發生螺栓松脫、斷裂故障；至2016年9月13日，走行共計99005km，達到M1修，未發生螺栓松脫、斷裂故障。

2016年6月16日，在第三組8輛編組轉向架上實施了軸端端蓋螺栓防松脫更改B方案。至2016年7月13日，安全走行94194km，未發生螺栓松脫、斷裂故障。至2016年8月31日，累計安全走行99438km，未發生螺栓松脫、斷裂故障。

選擇的三組車輛，在方案B的考核期間，運行效果良好，將軸端端蓋螺栓防松脫更改B方案擴大裝車范圍。

4 結束語

通過對轉向架軸端端蓋螺栓松脫進行統計學分析，明確以解決軸端蓋螺栓松脫為目標。通過實施3種軸端蓋防松脫改造方案，三種方案均能夠滿足防松脫要求。對比分析優選了方案B。通過推廣驗證后，擴大裝車范圍，基本解決了現有動車組軸端端蓋螺栓松脫的問題。