基于VDI2230 標準的機車一系油壓減振器螺栓強度分析

皮優政

（中國鐵路廣州局集團有限公司 廣州機務段， 廣東 廣州 510010）

0 引言

和諧型電力機車一系懸掛系統為“軸箱+一系圓簧+一系油壓減振器+軸箱拉桿”結構[1]。 每個轉向架同一側布置兩個一系垂向油壓減振器， 分別在1 軸和3 軸或者4 軸和6 軸，每臺機車一共有8 個一系油壓減振器。 一系油壓減振器連接構架與軸箱，主要傳遞構架與軸箱之間的垂向力。 作為中部車體的減振裝置，一系油壓減振器安裝的牢固性對整個機車運行的安全性和穩定性有重要意義。

高強度螺栓由于其性能好、強度高、能自鎖等優點，是連接結構中的重要部件[2]，在機車車輛中得到廣泛的應用。 一系油壓減振器安裝螺栓的主要故障形式是疲勞破壞，從而引起斷裂。引起疲勞破壞的因素主要包括螺栓自身的材料、強度等級、車體的垂向沖擊等等。 和諧型電力機車一系油壓減振器主要受垂向力的作用， 斷裂形式主要是拉伸斷裂。 斷裂發生后，導致車體一側振動加劇，引起監控裝置報警，影響行車安全。

VDI2230-2003 螺栓強度校核標準是德國機械工程師協會頒布的近年來被國內廣泛認可的螺栓快速校核的計算方法[3]。 傳統根據機械設計手冊螺栓校核方法和有限元仿真方法均存在較大的誤差，不能保證校核的準確性。 本文以某和諧型機車一系油壓減振器安裝螺栓為對象，為了充分考慮油壓減振器的動態載荷及計算的真實性和準確性，對油壓減振器和安裝座進行整體的建模。 最后按照VDI2230-2003 標準進行安全校核。

1 螺栓受力分析

和諧型電力機車車體橫向振動的衰減主要靠橫向油壓減振器，縱向振動的衰減主要靠抗蛇形油壓減振器，所以一系垂向油壓減振器在機車運行中主要受垂向載荷的作用，其他方向基本不受力。 如圖1 所示為某和諧型電力機車一系油壓減振器安裝螺栓斷裂現象。 減振器上部與構架螺栓連接，下部與軸箱螺栓連接。減振器最大行程為60mm，其工作環境示意圖如圖2 所示。

圖1 減振器螺栓斷裂現象

圖2 減振器及螺栓工作環境

油壓減振器是一種粘滯阻尼減振器[4]，活塞運動速度越高，其油壓越高粘滯阻力越大。 螺栓所受垂向力來源于活塞的振幅， 振幅的衰減量與幅值成正比，幅值越大，衰減量越大。 減振器及安裝螺栓的工作環境如圖2 所示。 某和諧型電力機車一系油壓減振器阻尼系數為60kN·s/m，最大阻尼力為30kN，其阻尼特性如表1 所示。

現場技術人員統計結果如下： ①四種類型和諧電力機車二系油壓減震器螺栓性能等級全部為8.8 級，一系油壓減振器螺栓性能等級有8.8 級和10.9 級兩種； ②發生疲勞現象的螺栓大部分為一系油壓減振器；③發生疲勞現象的螺栓性能等級全部為8.8 級；④發生疲勞現象的處所集中在螺母與安裝座接觸面附近和螺帽的根部附近兩處。 其易斷裂位置如圖3 所示。

一系油壓減振器螺栓性能等級為8.8 級和10.9 級的兩種螺栓， 除了性能等級有差別，其尺寸、外形完全相同。 技術人員根據統計結果將一系油壓減振器螺栓性能等級為8.8 級的螺栓全部更換為10.9 級的螺栓。 更換后，一系油壓減振器安裝螺栓故障率大大減小，為機車平穩安全的運行提供了保障。

表1 一系油壓減震器阻尼特性

圖3 螺栓易斷裂位置

2 基于《VDI 標準》的螺栓校核參數

2.1 螺栓尺寸

性能等級為10.9 級的螺栓為M16×90 的六角頭螺栓[5]，其結構參數如表2 所示。

2.2 擰緊系數

在螺栓實際擰緊過程中，有手動擰緊和電動擰緊等多種方式， 不同方式下所施加的預緊力也隨之不同。 為了考慮不同方式對預緊力大小的影響，用擰緊系數α 來表示。

表2 螺栓結構參數

式 中，FMmin—最 小 預 緊 力；FMmax—最 大 預 緊 力。 查VDI2230-2003 標準表A8 可知， 人工扭力扳手的擰緊系數為1.7。

2.3 最小加持載荷

根據VDI2230 圖5.1/5，減振器上下安裝螺栓是中心對稱的（Ssym=0），而且只受軸向力（a=0），因此最小加緊力FKerf=1000N。

2.4 載荷系數

性能等級為10.9 級的螺栓材料為42CrMo，其彈性模量為2.12×105N/mm2，則螺栓的總軸向柔度為：

式中，δSK—螺栓頭的軸向柔度；δ1—螺紋桿的軸向柔度；δGew—未擰入螺紋的軸向柔度；δGM—擰入螺紋的軸向柔度。

式中，l—螺栓各部分長度；E—螺栓彈性模量；A—螺栓各部分的橫截面積。

被連接件是轉向架構架，構架材料為16MnDr 合金鋼[6]，其彈性模量為2.06×105N/mm2， 被連接件的總柔度為δp。考慮被加緊的有減振器和車體， 按兩個對稱的圓錐回轉體計算，采用VDI2230 公式5.1/24 計算。

式中：n—作用力傳遞系數，根據VDI2230 表5.2/1 及圖5.2/12，同心同載取n 為0.15。聯合公式（2）～（5）解得載荷系數Φ=0.045。

2.5 預緊力的損失量

在螺栓實際擰緊過程中， 材料的變形和螺紋表面的相互嵌入會導致預緊力損失一部分， 這一部分損失量為Fz。 查VDI2230 表5.4/1，零部件表面粗糙度為Rz=16μm，頭部和螺紋接觸面壓縮量均為3μm， 內部接觸面壓縮量為2μm，因此總壓縮量為fz=8μm。

計算解得預緊力損失量Fz=5.6kN。

2.6 最小和最大安裝預緊力

在求得FKerf、Φ 和Fz后，可以求得最小預緊力FMmin，最大預緊力FMmax。 根據VDI2230 公式R5/1 計算最小和最大預緊力。

計算解得最小預緊力FMmin=35.25kN，代入式（1）解得最大預緊力FMmax=59.925kN。

3 基于《VDI 標準》的螺栓強度校核

3.1 安裝應力校核

查VDI2230 表A1，最小屈服極限利用率v=0.9，最小摩擦系數μGmin=0.1 時的安裝預緊力為FMzul=121.7kN。

因此螺栓滿足安裝應力要求。

3.2 工作應力校核

在實際工作中，螺栓除了受最大軸向力之外，還受到螺紋之間相互摩擦的扭矩。根據VDI2230 公式R8/1 計算最大合成工作應力σred。

3.3 疲勞強度校核

同心加持且同心加載的螺栓[7]，根據VDI2230 公式R9/1計算螺栓交變載荷：

3.4 表面壓力校核

由于高強度螺栓的預緊力較大， 需要對螺栓頭的表面接觸應力進行校核，安裝時螺栓頭的支撐面積：

因此螺栓滿足最大表面壓力要求。

3.5 滑移安全系數

減振器螺栓在橫向基本不受外力作用，其橫向承受能力較弱，很容易發生橫向滑移。螺栓實際剩余預緊力公式：

4 結束語

機車油壓減振器主要通過油壓的粘滯力將力傳遞出去。一系油壓減振器由于其特殊的工作環境，只受垂向力的作用。針對減振器螺栓出現故障現象，技術人員根據經驗采取更換性能等級更高的螺栓的措施。 本文基于VDI2230 標準對更換后的螺栓進行強度校核， 計算結果表明更換后的螺栓符合機車運行工況的要求。 為現場螺栓的選擇提供了校核方法。