庫外固定式擋車器聯(lián)接螺栓強度分析

李致遠，何嘉軍，林 鳴，張 霖

(長春師范大學(xué)工程學(xué)院，吉林長春 130032)

車輛制動時以滑動摩擦為主，軌道車輛的質(zhì)量大且慣性大，而車輪與鋼軌的滑動摩擦系數(shù)較小，造成輪軌的摩擦力較小，故在線路末端設(shè)置擋車器等防護設(shè)備是一項十分必要的被動性安全措施[1-2]。GB 50490-2009《城市軌道交通技術(shù)規(guī)范》7.2.6規(guī)定軌道末端應(yīng)設(shè)置車檔。鐵路擋車器用于編組站場的盡頭線，在車輛推進或溜放時起緩沖制動作用，防止車輛脫線或撞上土擋[3]。

固定式擋車器適用于溜逸車輛速度很低的場合，以三腳架結(jié)構(gòu)為主，工字鋼制作，具有性能可靠、制動平衡、受力均衡和擋車能力大的優(yōu)點。擋車器中的工字型橫梁、擋板及支架之間通過螺栓聯(lián)接實現(xiàn)載荷的傳遞，因而對擋車器結(jié)構(gòu)的聯(lián)接螺栓受沖擊載荷時的強度進行校驗顯得尤為重要。隨著有限元分析方法的不斷完善，在擋車器結(jié)構(gòu)設(shè)計階段通常運用有限元法對螺栓結(jié)構(gòu)進行強度校驗[4],以保證列車在不損壞軌道設(shè)施的情況下可靠停在軌道線路內(nèi)。

本文為了校驗庫外固定式擋車器結(jié)構(gòu)螺栓的強度，在構(gòu)建擋車器幾何模型的基礎(chǔ)上，通過面—面接觸單元來模擬螺栓的載荷傳遞，對橫梁、擋板及支架聯(lián)接螺栓進行了接觸非線性有限元分析。根據(jù)計算數(shù)據(jù)，確定螺栓桿的危險位置，并基于《機械設(shè)計手冊》對其拉伸和剪切強度進行理論計算，按照單向應(yīng)力狀態(tài)對理論計算結(jié)果進行螺栓強度評定。

1 螺栓強度校驗方法

螺栓強度校驗的方法可以分為理論計算和數(shù)值模擬兩種方法。理論計算方法主要依據(jù)《機械設(shè)計手冊》和《德國VDI2230高強度螺栓連接的系統(tǒng)性計算》中的公式進行螺栓強度計算[5]。承受靜載荷螺栓的失效多為螺栓被拉斷，受橫向載荷的螺栓失效形式為螺栓桿剪斷。《機械設(shè)計手冊》中分別給出了拉伸變形和剪切變形時的應(yīng)力計算公式。工作應(yīng)力的計算公式為：

(1)

其中，F(xiàn)為危險截面上的內(nèi)力，在螺栓的拉伸力計算時，危險截面的內(nèi)力為螺栓的總拉力F總拉力。

(2)

(3)

A為危險截面的橫截面面積，基于偏安全計算原則，通常取螺栓小徑計算橫截面面積。

(4)

將(2)和(4)帶入到(1)得到螺栓的拉伸應(yīng)力計算公式為：

(5)

將(3)和(4)帶入到(1)得到螺栓的切應(yīng)力計算公式為：

(6)

本文采用三維實體單元185、接觸單元Target169和Contact173構(gòu)建擋車器有限元模型，接觸非線性計算時設(shè)置了法向剛度、穿透容差和收斂準則，基于計算得到螺栓最大軸向力和切向力數(shù)據(jù)，采用了按照單向應(yīng)力狀態(tài)計算螺栓強度的理論計算方法校驗螺栓強度。

2 擋車器聯(lián)接螺栓強度分析

2.1 有限元模型

庫外固定式擋車器主要由支撐架、工字型橫梁和墊板組成，其中墊板通過2個M20(10.9級)螺栓聯(lián)接與兩根工字型橫梁，兩根橫梁通過7個M20(10.9級)螺栓聯(lián)接與支撐架。基于現(xiàn)場測繪的數(shù)據(jù)，運用SolidWorks軟件構(gòu)建的庫外固定式擋車器幾何模型如圖1所示。

圖1 庫外固定式擋車器的幾何模型

為了提高數(shù)值計算的精度，采用空間六面體單元和五面體單元構(gòu)建庫外固定式擋車器的有限元模型。所構(gòu)建的有限元模型總計385963個節(jié)點、318614個實體單元，其中空間六面體單元占98%，空間五面體楔形單元占2%。采用面—面的接觸方式模擬該擋車器結(jié)構(gòu)中的接觸非線性行為，共計34個接觸對。圖2為構(gòu)建的有限元模型，其中Z軸為平行于軌道縱向方向，X軸為擋車器橫向方向，Y軸為擋車器垂向方向。

圖2 庫外固定式擋車器的有限元模型

2.2 計算工況

2.2.1 幾何邊界條件

根據(jù)該庫外固定式擋車器支撐架的安裝方式，幾何邊界施加于支撐架底端實體單元節(jié)點上。由于實體單元各節(jié)點具有3個自由度，因而全約束設(shè)置時將各節(jié)點沿x、y、z坐標軸方向的線位移量設(shè)為零。

2.2.2 載荷邊界條件

壓縮載荷大小為1581 KN，沿軌道中心線方向作用于該擋車器前端墊板580 cm2的面積上。該庫外固定式擋車器總計9個M20的螺栓，強度等級為10.9級。該擋車器的使用環(huán)境為室外，因而擰緊力系數(shù)0.18是根據(jù)摩擦表面為一般加工表面且無潤滑的使用條件查閱《機械設(shè)計手冊》而定。預(yù)緊力取153.3 KN，摩擦系數(shù)Mu按照偏安全計算原則取為0.15。

2.3 螺栓強度校核

經(jīng)過接觸非線性計算，得到該擋車器結(jié)構(gòu)在預(yù)定載荷工況下9個M20螺栓上的軸向力和橫向力。表1為壓縮工況下9個螺栓受力情況。

表1 壓縮工況螺栓受力情況 N

2.3.1 M20螺栓拉伸強度

2.3.2 M20螺栓剪切強度

由計算結(jié)果可知，9個M20螺栓中的7號螺栓合成橫向力最大，為19332.55 N，于是計算得到τ=82.30 MPa,τ≤[τ]=360 MPa，安全系數(shù)為4.37。由此可知，擋車器結(jié)構(gòu)中的螺栓滿足剪切強度要求且剪切應(yīng)力較小。

采用理論計算方法校核螺栓強度，根據(jù)《機械設(shè)計手冊》中螺栓拉伸和剪切強度計算公式的計算結(jié)果可知，該擋車器結(jié)構(gòu)中的螺栓均滿足強度要求。該結(jié)構(gòu)中螺栓軸向拉應(yīng)力雖然滿足強度條件，但軸向應(yīng)力接近極限應(yīng)力，這是由于庫外固定式擋車器主要承受軌道列車在制動并滑行一段距離，而仍未停止時的靜載荷，螺栓桿較大的軸向應(yīng)力反映出載荷在傳遞路徑上對螺栓桿軸向影響較大。

3 改進方案螺栓強度校核

基于原方案的計算結(jié)果，為降低螺栓桿軸向應(yīng)力和剪切應(yīng)力，采取增大1號和2號螺栓冒處墊圈的橫截面面積的措施。結(jié)構(gòu)改進如圖3所示。

(a)原墊圈 (b)新墊圈圖3 改進方案

由于預(yù)緊力對螺栓桿內(nèi)力情況的影響較大[7]，將螺栓預(yù)緊力取為100 KN。經(jīng)過接觸非線性計算，得到改進方案在相同載荷工況下9個M20螺栓上的軸向力和橫向力。表2為壓縮工況下改進方案9個螺栓受力情況。

表2 改進方案螺栓受力情況 N

3.1 M20螺栓拉伸強度

螺栓的最大軸向力FZ98939.02 N，發(fā)生于2號螺栓，于是計算得到σca=547.56 MPa，σca≤σs=900 MPa，安全系數(shù)為1.64。改進方案螺栓的最大拉伸應(yīng)力較原方案降低了34.8%，有效增加了安全裕量。

3.2 M20螺栓剪切強度

由計算結(jié)果可知，9個M20螺栓中的5號螺栓合成橫向力最大，為16132.11 N，與原始方案最大合成橫向力的7號螺栓處于對稱位置，于是計算得到τ=68.68 MPa，τ≤[τ]=360 MPa，安全系數(shù)為5.24。改進方案螺栓的最大剪切應(yīng)力較原方案減小16.5%，但較許用剪切應(yīng)力仍有較大的安全裕量。

4 結(jié)論

(1)通過建立庫外固定式擋車器結(jié)構(gòu)三維模型，在考慮接觸非線性等因素后，采用數(shù)值模擬方法對螺栓結(jié)構(gòu)進行接觸非線性計算，分別提取螺栓的軸向力和橫向力，按照《機械設(shè)計手冊》對螺栓強度進行校核，原方案螺栓最大拉伸應(yīng)力σca=839.18 Mpa，σca≤σs=900 MPa，最大剪切應(yīng)力τ=82.30 MPa，τ≤[τ]=360 MPa。可知M20(10.9級)螺栓的軸向拉伸強度和剪切強度均滿足強度要求。

(2)改進方案的螺栓最大拉伸應(yīng)力σca=547.56 MPa，σca≤σs=900 MPa，最大剪切應(yīng)力τ=68.68 MPa，τ≤[τ]=360 MPa。改進方案螺栓的最大拉伸應(yīng)力較原方案降低了34.8%，同時改進方案螺栓的最大剪切應(yīng)力較原方案減小16.5%，有效增加了安全裕量。

(3)改進方案減小了所有螺栓預(yù)緊力,同時增大了1號和2號螺栓墊片面積。該庫外固定式擋車器承受158.1 t軸向載荷時，螺栓的拉伸安全系數(shù)為1.64，剪切安全系數(shù)為5.24，較原始方案都有所增加。庫外固定式擋車器螺栓連接處應(yīng)采用較小的擰緊力矩,并采用增大螺栓墊片面積來提高整體安全性能。