基于VDI2230的排障器螺栓連接強(qiáng)度校核

曾燕軍，胡坤鏡，李祥濤，盧興旺

(1.大功率交流傳動(dòng)電力機(jī)車系統(tǒng)集成國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 株洲 412000；2.中車株洲電力機(jī)車有限公司，湖南 株洲 412000)

1 概述

螺栓連接作為一種機(jī)械連接方式，在軌道交通行業(yè)得到了廣泛的運(yùn)用。對(duì)于一些受力較大的部件，由于其運(yùn)用功能要求能夠進(jìn)行拆裝，也必須采用螺栓連接的方式進(jìn)行固定。螺栓連接是否安全可靠，是否滿足螺栓連接強(qiáng)度的要求，不僅直接關(guān)系到部件本身的性能，更關(guān)系到整個(gè)軌道交通產(chǎn)品的運(yùn)用安全。因此，必須對(duì)軌道交通產(chǎn)品中受力較大的螺栓連接進(jìn)行強(qiáng)度校核。

目前國(guó)內(nèi)螺栓連接強(qiáng)度校核主要是通過(guò)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)進(jìn)行相對(duì)簡(jiǎn)單的強(qiáng)度校核，其考慮到的關(guān)聯(lián)因素較少，存在一定的局限性，其計(jì)算結(jié)果的可靠性有待進(jìn)一步加強(qiáng)。VDI 2230《高應(yīng)力螺栓連接的系統(tǒng)計(jì)算》用來(lái)校核螺栓連接的強(qiáng)度已經(jīng)實(shí)踐了幾十年，該標(biāo)準(zhǔn)被廣泛承認(rèn)和經(jīng)常參考，在德國(guó)等國(guó)家被當(dāng)作標(biāo)準(zhǔn)用于計(jì)算螺栓連接，它積累了螺栓連接計(jì)算的很多經(jīng)驗(yàn)和研究成果，提供了校核螺栓連接強(qiáng)度的計(jì)算步驟、計(jì)算公式、參數(shù)的選擇、各種運(yùn)用場(chǎng)景等，能夠較全面的校核螺栓連接強(qiáng)度。本文將采用VDI2230標(biāo)準(zhǔn)對(duì)某型機(jī)車排障器的螺栓連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度校核。

2 排障器結(jié)構(gòu)及螺栓連接說(shuō)明

某型機(jī)車排障器結(jié)構(gòu)采用整體式焊接結(jié)構(gòu)，排障器結(jié)構(gòu)內(nèi)部筋板結(jié)構(gòu)采用 “田”字形布置形式。排障器結(jié)構(gòu)位于機(jī)車的前部，安裝在底架下部，主要作用是排除機(jī)車前方的障礙物。排障器的設(shè)計(jì)重量為489 kg，排障器通過(guò)12個(gè)M30×75-8.8的螺栓和12個(gè)M24×45-8.8的螺柱安裝在車體底架上，排障器結(jié)構(gòu)及其螺栓連接結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 排障器螺栓連接結(jié)構(gòu)示意圖

3 排障器的受力分析

根據(jù)EN 12663-1《鐵路應(yīng)用 鐵路車輛車體的結(jié)構(gòu)要求 第1部分：機(jī)車和客運(yùn)車輛(以及貨車的一種選擇方法)》的要求，排障器安裝螺栓須承受垂向±3 g的重力加速度，橫向±1 g的加速度以及縱向±3 g的加速度載荷。同時(shí)此型號(hào)機(jī)車排障器須滿足TJ/JW 102《交流傳動(dòng)機(jī)車司機(jī)室防撞性暫行技術(shù)規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)要求，即排障器中部須承受300 kN縱向壓縮力，排障器側(cè)邊承受250 kN縱向壓縮力，排障器安裝螺栓不會(huì)失效。排障器載荷工況如表1所示。

按照表1的載荷工況，對(duì)排障器進(jìn)行強(qiáng)度仿真計(jì)算，排障器有限元模型見(jiàn)圖2。根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果，排障器中部承受300 kN縱向載荷時(shí)，其安裝螺栓受力最大。因此，選取此工況有限元分析的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行螺栓強(qiáng)度校核。從排障器有限元分析計(jì)算結(jié)果中提取出螺栓所受最大垂向力和最大橫向力分別為：

圖2 排障器有限元模型

表1 排障器的載荷工況表(g取9.81 m/s2) 單位：kN

FAmax=55 045N

Fτmax=18 730N

最大受力的螺栓規(guī)格為M30×75-8.8，規(guī)格M30×75-8.8螺栓連接相關(guān)參數(shù)如表2所示。

表2 規(guī)格M30×75-8.8螺栓連接相關(guān)參數(shù)

4 排障器螺栓連接的強(qiáng)度校核

排障器螺栓連接的強(qiáng)度是通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)VDI2230進(jìn)行校核，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)給出的螺栓校核步驟，選擇合適的計(jì)算公式及參數(shù)，重點(diǎn)評(píng)判排障器螺栓連接的安裝負(fù)載、工作載荷、疲勞載荷、螺栓表面壓力是否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。具體螺栓連接強(qiáng)度校核過(guò)程及結(jié)果如下。

1)確定擰緊系數(shù)。由于用扭力扳手來(lái)擰緊螺栓，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中表A8，確定擰緊系數(shù)為：

αA=1.7

2)確定需要的最小夾緊力。根據(jù)VDI2230 中公式R2/1及5.4.1節(jié)，需要的最小夾緊力為：

其中，標(biāo)準(zhǔn)表A6查得界面摩擦系數(shù)為：μTmin=0.2

內(nèi)部力傳遞界面系數(shù)為：qF=1

3)確定柔性系數(shù)、作用力傳遞系數(shù)和載荷系數(shù)。螺栓的柔性系數(shù)δs根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)5.1.1章中的公式確定：

δs=δSK+δ1+…δGew+δGM

其中：

因此：

δs=4.99×10-7mm/N

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)5.1.2章中的公式確定：

δP=

其中：

tanφD=0.362+0.032 ln(βL/2)+0.153 lny=0.492

因此：

δP=2.255×10-7mm/N

作用力傳遞系數(shù)n根據(jù)圖5.2/12及表5.2/1得出，n取0.15。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中公式R3/3可知，載荷系數(shù)為：

4)確定由于嵌入產(chǎn)生的預(yù)緊力損耗。對(duì)于螺栓由于應(yīng)變?cè)斐傻念A(yù)緊力的損耗，按照標(biāo)準(zhǔn)中表5.4/1的規(guī)定，預(yù)緊力損耗為：

其中：fz=0.01 mm

5)確定最小安裝預(yù)緊力。考慮到預(yù)加載荷變化和假設(shè)連接最大可能的解除，可以得到需要的最小安裝預(yù)緊力。按照標(biāo)準(zhǔn)中公式R5/1，最小安裝預(yù)緊力為：

6)確定最大安裝預(yù)緊力。考慮到標(biāo)準(zhǔn)中公式(R1/1)，按照標(biāo)準(zhǔn)中公式R6/1，排障器安裝的螺栓最大安裝預(yù)緊力為：

FMmax=αA·FMmin=271 875.6 N

7)安裝負(fù)載。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)表A1中查到摩擦系數(shù)取0.1時(shí)，其安裝預(yù)緊力為：

FMzul=FMtab=307 000 N

排障器螺栓安裝的預(yù)緊力為307 000 N>271 875.6 N，因此，排障器安裝螺栓的安裝預(yù)緊力滿足VDI2230的要求。

8)工作載荷。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中公式R8/1，螺栓受到的最大工作載荷：

FSmax=FMzul+Φn·FAmax=309 570.4 N

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中公式R8/2，最大工作載荷下，螺栓的拉伸應(yīng)力：

σzmax=FSmax/AS=551.8 N/mm2

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中公式R8/3，最大工作載荷下，螺栓的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力：

τmax=MG/WP

τmax=177 N/mm2

由標(biāo)準(zhǔn)中公式R8/4及kτ=0.5可知，計(jì)算對(duì)比應(yīng)力為：

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ISO 898 可知，排障器安裝螺栓的屈服應(yīng)力為：

RP0.2min=660 N/mm2

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中公式R8/5-2，安全系數(shù)為：

SF=RP0.2min/σred，B=1.15

由于安全系數(shù)大于1，所以螺栓能承受住最大工作載荷。

9)疲勞載荷。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中公式R9/1可知，螺栓的疲勞載荷為：

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中公式R9/5-1可知，螺栓的耐疲勞性能極限為：

σa<<σASV，因此，螺栓的耐疲勞性能極限滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

10)螺栓表面壓力。螺栓接觸面積為：

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中公式R10/1可知，螺栓的表面壓力為：

墊圈硬度為200 HV(根據(jù)EN ISO 18265可以查到對(duì)應(yīng)190 HB)，根據(jù)VDI2230表A9，墊圈接觸面壓力為PG=570 MPa。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中公式R10/4，安全系數(shù)為：

因此，排障器螺栓連接能夠承受螺栓的表面壓力，其滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

5 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了某型機(jī)車排障器及其螺栓連接的結(jié)構(gòu)形式，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)EN 12663和TJ/JW 102規(guī)定的載荷工況，采用有限元法分析了排障器及螺栓的受力情況，提取出排障器單個(gè)螺栓受到的最大垂向力和橫向力，并采用VDI2230標(biāo)準(zhǔn)對(duì)排障器的螺栓連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度校核，詳細(xì)說(shuō)明了排障器螺栓連接強(qiáng)度校核的步驟、計(jì)算公式及計(jì)算參數(shù)的選取，重點(diǎn)評(píng)判排障器螺栓連接的安裝負(fù)載、工作載荷、疲勞載荷、螺栓表面壓力。計(jì)算結(jié)果表明：排障器螺栓安裝負(fù)載、工作載荷、疲勞載荷、螺栓表面壓力都滿足滿足VDI2230標(biāo)準(zhǔn)的要求，因此，排障器螺栓連接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是合理的。本文提供的螺栓強(qiáng)度校核的方法，對(duì)后續(xù)螺栓強(qiáng)度校核具有一定的借鑒意義。