地鐵車防爬器安裝座螺栓強度研究

劉青林　李東方　王碩

摘要 防爬器作為一種安全裝置使用螺栓安裝在車體底架前部端梁，在列車發生碰撞時吸收縱向撞擊能量的同時能夠有效防止車輛疊加。文章根據工廠計算要求，以防爬器安裝座處連接螺栓為研究對象，對某地鐵車防爬器安裝座螺栓強度進行數值模擬，建立了防爬器的有限元模型，提取各工況下螺栓的載荷，根據VDI 2230標準，對安裝座處的連接螺栓進行強度校核，為防爬器安裝座螺栓連接設計提供理論及技術支持。

關鍵詞 螺栓連接;VDI 2230標準;有限元法;強度分析

中圖分類號 U270.389 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）06-0075-03

引言

軌道車輛防爬器是一種安全裝置，在以往的設計結構中，通常使用焊接方式連接，焊接接頭存在脆性，且焊接空間小，人工操作不便，碰撞后防爬器難以修復。為使車輛在碰撞后能在較短時間內快速修復，現在大多數防爬器采用螺栓連接。為滿足列車關鍵部件強度要求，為車體關鍵連接部件的改進提供依據，現對防爬器螺栓進行強度分析[1-3]。

該文以軌道車輛防爬器安裝座為研究對象，建立整個防爬器螺栓連接有限元分析模型。通過有限元仿真分析，提取螺栓所受載荷，結合《VDI 2230標準》對螺栓強度進行評估，為相應的設計提供理論依據。

1 防爬器作用及位置

防爬器安裝在列車頭部，當列車發生碰撞時，防爬裝置通過前端凸出來的齒形板相互咬合，防止列車出現疊加，同時導向筒內的吸能材料受到碰撞擠壓產生形變，吸收能量，進而減輕撞擊力度，最大限度保障車體結構完整及司機乘客的安全[4-5]。防爬器在車體上的安裝位置如圖1所示。

2 防爬器有限元模型及工況

2.1 有限元模型

防爬器由4個M24×150 mm（10.9級）螺栓與車體安裝座連接，其有限元模型整體采用實體單元，局部采用殼單元，螺栓使用一維梁單元進行模擬。根據幾何模型建立防爬器的有限單元模型如圖2所示。

2.2 計算工況

（1）縱向壓縮載荷1 200 kN;（2）垂直向上載荷300 kN;（3）縱-垂復合工況。防爬器有限元加載情況如圖3所示，①為縱向載荷，②為垂向載荷。約束車鉤處X方向位移，中心銷處Y方向位移，空簧處Z方向的位移。

2.3 螺栓強度分析

經有限元仿真分析計算，8組螺栓在不同工況下所受力最大值見表1。

3 基于《VDI 2230標準》的螺栓強度校核

3.1 螺栓的基本參數

防爬器連接螺栓的尺寸參數如表2所示。

3.2 確定載荷引入系數

（1）螺栓的彈性變形。螺栓的總彈性變形計算公式為：

式中：——螺栓螺紋彈性變形;——螺栓無螺紋桿彈性變形;——螺栓無載荷螺紋彈性變形;——接合螺紋彈性變形;——內螺紋區域彈性變形。

螺栓各部分的彈性變形計算公式為：

式中：l——螺紋長度;E——彈性模量;A——接觸面積。安裝螺栓的總彈性變形δs為1.2e-6 mm/N。

（2）不同材料被夾緊件彈性總變形δp為：

式中：i——被夾緊件層數;lK——每層被夾緊件厚度;EP——每層被夾緊件材料的彈性模量;DA——在接觸面上被夾緊件基本立方體的替代外徑;dh——安裝座處螺栓孔直徑。計算可得螺栓被夾緊件的彈性變形δp為0.9e-6 mm/N。

（3）載荷系數Φn。同心夾緊載荷系數Φ的計算公式如下：

式中：Φ——載荷系數;n——載荷作用因數;Φn——考慮載荷作用因數后的載荷系數。考慮載荷作用因數后的載荷系數Φn為0.12。

3.3 確定預緊力損失

常溫環境中，溫度對預緊力損失影響很小，不予考慮，預緊力損失為：

式中：——螺栓連接嵌入量，由VDI可查得。預緊力損失為4 968.38 N。

3.4 確定最大裝配預緊力

最大裝配預緊力為：

式中：αA——螺栓擰緊系數，根據標準取1.6。可得最大裝配預緊力如表3。

3.5 確定裝配應力和裝配預緊力

（1）裝配應力為：

式中：v——屈服應力的利用系數，通常取0.9;RP0.2min——螺栓屈服強度，此處取值934 MPa，計算得裝配應力如表4。

（2）最大裝配預緊為：

式中：A0——螺栓最小截面積;P——螺距;d2——螺紋中徑，d2=d-0.649 5P;d0——螺紋最小直徑;μGmin——螺紋最小摩擦系數，計算得其許用最大裝配預緊力FMzul為252 490.2 N。

3.6 確定工作應力

螺栓承受的最大載荷：

計算得螺栓承受最大載荷為253 930.36 N。

最大拉伸應力：

計算得最大拉伸應力為783.01 MPa。

最大扭轉剪切應：

式中：MG——螺紋緊固力矩，;WP——螺栓橫截面阻力主慣性矩，，計算得最大扭轉剪切應力為169.89 MPa。

在實際中，通常只考慮扭轉剪切應力的一部分，故引入修正系數kτ，推薦kτ=0.5，最大組合應力為：

計算得最大組合應力為796.71 MPa。

此時須滿足RP0.2min>σred，B，即安全系數：

由上可知螺栓的工作應力安全系數SF>1，故螺栓合格。

3.7 確定交變應力

應力幅值的計算公式：

式中：FSAo——軸向工作載荷FA的最大值;FSAu——軸向工作載荷FA的最小值;AS——螺紋應力截面積。

根據VDI標準，在交變循環次數ND≥2×106下，螺栓許用疲勞應力參考值為：

式中：d——螺紋公稱直徑。

此時需滿足σAS>σa，即安全系數：

最大交變應力σa為0.57 MPa，最大許用疲勞應力σAS為43.56 MPa，最小安全系數SD為76，所有螺栓均合格。

3.8 確定滑移安全系數及最大剪切應力

螺栓最小剩余預緊力為：

傳遞橫向載荷和扭轉所需的最小夾緊載荷為：

此時需滿足FKRmin>FKerf，即滑移安全系數：

計算得滑移安全系數如表5。

一旦接觸界面產生滑移螺栓受剪，最大剪切應力為：

式中：FQmax——螺栓所受最大橫向力;Aτ——接觸面處螺栓受剪面積。

防止剪切的安全系數：

式中：τB——許用剪切應力，根據VDI標準τB=200 MP。計算得防止剪切的安全系數如表6。

螺栓的滑移安全系數SG<1，防止剪切的安全系數SA<1.1，故螺栓不合格。

3.9 確定擰緊扭矩

根據VDI標準，M24高強螺栓擰緊力矩MA=1 440 N·m，大于計算任務書給的預緊力矩MA=1 000 N·m，滿足設計要求。

計算所選取的FAmax、FQmax及FYmax值均為螺栓在各工況下提取的最大值。綜上所述，基于VDI標準分析計算結果表明，地鐵車防爬器連接螺栓的工作應力、交變應力、擰緊扭矩均合格，抗滑移和防止剪切系數不合格。

4 結論

（1）建立了地鐵車防爬器有限元分析模型，得到其在不同工況下軸力、剪力以及扭矩，基于有限元方法，參照VDI準則，對防爬器安裝座處螺栓進行分析及評估，為后期防爬器的設計提供一定的理論。

（2）對于防爬器縱向壓縮、垂向載荷以及垂-縱復合工況，螺栓的工作應力、交變應力、擰緊扭矩均合格，螺栓的抗滑、抗剪切安全系數均不合格。

（3）基于VDI標準對防爬器安裝座處螺栓進行校核顯示，地鐵車防爬器設計需要調整原螺栓設計參數，調整后M32螺栓符合設計使用要求。

參考文獻

[1]張云峰. 刨削吸能式防爬器在城軌車輛碰撞安全設計中的應用[J]. 鐵道車輛， 2014（10）：3.

[2]潘鋮凌.城軌車輛車鉤螺栓連接仿真及強度分析[J].南京工程學院學報（自然科學版），2018（2）：74-78.

[3]王為輝， 李婭娜， 王春燕. 基于VDI2230-2003標準的動車組車鉤聯接螺栓強度分析[J]. 大連交通大學學報， 2015（2）： 22-25.

[4]趙洪倫， 王文斌， 廖彥芳.城市軌道車輛防爬器開發研究[J]. 機電產品開發與創新， 2003（6）：3.

[5]鄧銳，韋海菊，胡佳喬，等. 一種地鐵列車吸能防爬裝置的開發研究[J]. 鐵道車輛， 2014（5）：25-28+6.

收稿日期：2022-01-21

作者簡介：劉青林（1992—），男，研究生，工程師，研究方向：軌道交通車輛結構與強度分析。