司機室連掛緊固件的選擇及可靠性研究

周婷 陳玉芳

摘要：城軌車輛鋁合金車體的司機室作為一個獨立的部件，通過緊固件連接方式與車頂、底架等部件連接，緊固件的選擇及可靠性是車體設計需要考慮的重要項點。現主要介紹司機室連掛過程中緊固件的選擇原則以及存在的問題，并提出較為統一的選擇方案。

關鍵詞：城軌車輛;司機室連掛;緊固件選擇

0 引言

城軌車輛的車體結構一般由司機室、底架、側墻、車頂、端墻五大部件組成，司機室結構通過螺栓等緊固件連接到底架、車頂等部件，該結構可將司機室作為吸能變形區域，若發生碰撞變形等事故可拆除獨立的司機室，單獨進行更換，節約經濟成本。緊固件連接區域一般包括車頂、底架邊梁、前端梁三部分，如圖1所示。

1 緊固件選擇遵循的原則

為保證緊固件的安全性、有效性、可靠性，須遵循以下三方面的選擇原則。

1.1? ? 螺栓型號的選擇

根據《機車車輛用螺栓連接通用技術規范 第2部分：設計——機械制造應用》（Q/CSR 52.2—2008）[1]，螺栓型號的選擇應遵循以下原則：

根據零部件的連接厚度確定緊固長度、螺栓長度以及螺栓型號，連接厚度包括車體連接部分厚度、螺母厚度以及墊片厚度。為充分發揮螺栓桿的彈性延伸特性，螺栓應滿足以下公式：

當零部件厚度不滿足要求時，需另外使用軸套或縮小螺栓直徑。后一種情況可導致螺栓數量的增加，也可使用較高強度的螺栓，從而保證連接強度。

1.2? ? 螺栓、螺母、墊片等級的選擇

根據《機車車輛用螺栓連接通用技術規范 第2部分：設計——機械制造應用》（Q/CSR 52.2—2008）[1]，螺栓、螺母的性能等級和墊圈的硬度等級應相匹配，如表1所示。

由表1可知，性能等級為8.8級的六角頭螺栓應選用性能等級為8級的螺母以及硬度為HV200或HV300的墊圈。

性能等級為10.9級的六角頭螺栓應選用性能等級為10級的螺母以及硬度為HV300的墊圈。

性能等級為A2-70的六角頭螺栓應選用性能等級為A2-70的螺母以及硬度為HV200的墊圈。

1.3? ? 防松措施

螺栓連接發生松脫的主要原因有兩個方面：一是壓陷（在接合面中，螺紋中及螺栓頭下面的表面貼合時表面粗糙度的塑性整平）或蠕變（由于表面壓力太大，超過被擰緊零部件材料的屈服極限，經過一段時間發生蠕變）導致的松動;二是自動松脫，由于作用于螺栓連接的引起橫向移動的力的影響，螺栓連接有自動松脫的危險[2]。松脫的危險程度取決于現有預緊力以及橫向移動量，這種松脫由與螺栓中心線垂直的交變橫向作用力引起，此時，螺紋中、螺栓頭及螺母支承面上的摩擦及自鎖條件被抵消，結果是自動松脫，這可以導致連接完全脫開。因此，需采取措施預防松脫。

一般從3個方面防止松脫：摩擦防松、機械防松和永久防松。常見的摩擦防松方法有利用彈性墊片、自鎖螺母等，常見的機械防松方法有利用止動墊片、串聯鋼絲、開口銷等，常見的永久防松方法有粘合防松、點焊防松等。

2 司機室連掛存在的問題

參考前述緊固件選擇的原則，可進一步分析司機室連掛緊固件使用存在的問題。某司機室連掛方案如圖2所示。

經過計算，車頂處理論連接厚度為42.3 mm，按照螺栓型號選用原則，42.3/12≈3.5>3，底架邊梁連接處理論連接厚度為38.8 mm，38.8/12≈3.2>3，可選M12的螺栓。

其中，螺栓使用10.9級，螺母選擇10級，墊片需選用HV300，但件號3和件號4選擇的墊片硬度為HV200，可以進一步優化。

防松措施：采用了防松墊片和自鎖螺母進行防松，一般采用一種防松裝置即可，較多使用墊片，將增加螺栓連接的分界面，影響預緊力。

關于緊固件表面處理：螺栓和螺母均為達克羅涂層，件號3和件號4的墊片均為鍍鋅鈍化涂層，應采用相同涂層緊固件。

不同的螺栓等級及表面處理方式，需要根據相關標準施加相應的扭矩值，從而充分發揮螺栓的強度性能[3]。在該司機室連掛方案中，緊固件使用了潤滑劑MoS2，10.9級M12螺栓扭矩值為92 N·m（未使用潤滑劑的10.9級M12螺栓扭矩值為123 N·m）。若92 N·m的扭矩可以滿足預緊力與工作載荷的要求，則可選擇較低等級的螺栓。若需要使用10.9級的螺栓，可提高扭矩要求以充分發揮該等級的螺栓性能。

3 優化建議

綜上，在緊固件的選用上主要圍繞以下幾個方面展開：

（1）螺栓型號是否合適，螺紋有效旋合長度是否滿足標準規定，能否滿足預緊力的要求;

（2）螺栓、螺母性能等級以及墊圈硬度等級匹配是否符合國家和行業標準;

（3）緊固件是否有相應的防松措施;

（4）緊固件表面處理是否保持一致。

圖3為優化后的緊固件選擇方案。

該優化方案中，連掛處的結構一致，連接厚度一致，螺栓型號可保持不變，為M12。螺栓性能等級為10.9級，螺母性能等級為10級，墊片采用大墊片，硬度為HV300，性能相匹配。此外，表面處理均為涂抹達克羅，涂層保持一致。取消原有項目常用的CS防松墊圈，直接采用自鎖螺母，具有防松功能，且要求緊固時涂抹螺紋緊固膠，進一步提升防松效果。10.9級的M12螺栓扭矩要求為123 N·m，符合《機車車輛用螺栓連接通用技術規范 第2部分：設計——機械制造應用》（Q/CSR 52.2—2008）[1]，以保證足夠的預緊力。

通過合理布置緊固件的位置，在緊固點處施加相應的螺栓支反力，驗證司機室在不同工況下所受應力是否滿足許用應力要求。司機室在不同工況下的計算結果分別如圖4、圖5、圖6、圖7所示。

由圖4、圖5、圖6、圖7可知，車鉤壓縮工況時，司機室門立柱與頂部橫梁連接處出現最大應力集中點，為181.770 MPa，小于EN AW 6005A-T6材料的屈服強度215 MPa，安全系數為1.18，滿足要求，所選緊固件型號、施加扭矩以及司機室結構合理。

4 結語

隨著軌道交通產業的發展，在提高產品質量、降低生產成本的大環境下，模塊化和標準化設計必然會得到更多的應用和發展。對司機室不同連掛處的結構進行統型，在符合規范、滿足要求的前提下，對緊固件的選用進行優化和統型十分必要。本文總結了司機室連掛模塊存在的部分典型問題，梳理了規范化的要求，提出了相應的問題和建議，有利于保證司機室連掛的安全性、可靠性，對于提高產品質量以及可靠性具有積極作用。

[參考文獻]

[1] 中國南車股份有限公司.機車車輛用螺栓連接通用技術規范 第2部分：設計——機械制造應用：Q/CSR 52.2—2008[S].

[2] 謝雁成.淺析裝配螺栓松動原因及防松措施[J].裝備制造技術，2015（4）：173-175.

[3] 劉利，馮玉偉.螺栓擰緊力矩的確定及檢驗方法[J].煤礦機械，2007，28（5）：155-156.

收稿日期：2021-06-08

作者簡介：周婷（1990—），女，湖北襄陽人，工程師，主要從事軌道交通車輛車體結構設計工作。