動車組設備艙裙板支架螺栓滑移問題研究

滕萬秀,孫健,姜春龍,蓋杰,王岳宸

(中車長春軌道客車股份有限公司,吉林 長春 130021)

設備艙是動車組的重要組成部分,很多重要的設備均安置在設備艙內,目前已運營的各類動車組設備艙均包含成百上千的螺栓,螺栓緊固件連接是否可靠,直接關系到列車的運營安全。李曉峰等[1]應用機械設計手冊、有限元仿真分析和VDI 2230:2014標準3種分析方法對標準化動車組設備艙吊梁與底板滑道進行評估。楊川等[2]針對動車組制動盤螺栓斷裂問題,采用疲勞試驗的方法進行研究。張化謙等[3]通過試驗對人工扭矩法、機器扭矩轉角法兩種安裝工藝效果進行了研究。

針對國內某高速動車組設備艙裙板支架螺栓發生的兩起滑移問題,本文根據鄭徐線實測的時速350 km車輪磨耗中期加速度功率譜進行長壽命隨機振動試驗;根據IEC 61373:2010[4]標準進行沖擊試驗,同時,通過光纖智能螺栓及測試系統對螺栓預緊力進行實時監測,并根據試驗結果結合有限元仿真分析和VDI 2230:2014標準[5]對該位置螺栓抗滑移性能進行計算,為螺栓發生滑移原因分析提供參考。

1 試驗介紹

1.1 試驗對象

試驗對象為從實車截取的單個設備艙模塊,螺栓滑移位置見圖1,裙板支架連接角鐵沿車縱向的兩個螺栓,型號為M10X70,A4-70級,預緊力矩為26 Nm。

(a) 螺栓滑移位置

1.2 試驗設備

振動試驗臺主要用于開展各類機械結構在車輛不同運行工況下的振動和沖擊試驗,可依據IEC 61373:2010等標準開展隨機振動試驗、沖擊試驗。

智能螺栓內部安裝光纖傳感器,與測試系統連接后,可以實時對振動、沖擊試驗過程中螺栓的預緊力進行監測。單個設備艙模塊兩端共4處連接角鐵,本次試驗共采用4個智能螺栓,對其中一端兩個連接角鐵進行監測,編號分別為1,2,3,4。智能螺栓安裝見圖2。

(a) 1、2號智能螺栓

2 長壽命隨機振動與沖擊試驗

2.1 長壽命隨機振動試驗

隨機振動試驗前,在螺栓及連接角鐵上方作防松標識。根據鄭徐線時速350 km車輪磨耗中期實測加速度功率譜,對其進行臺架試驗加速模擬長壽命隨機振動試驗。長壽命隨機振動試驗3個方向的加速度功率譜曲線見圖3,長壽命隨機振動試驗參數見表1。

(a) 縱向

表1 長壽命隨機振動試驗參數表

試驗順序:試驗前樣品外觀檢查及螺栓防松檢查、智能螺栓測試系統調試→長壽命隨機振動試驗→試驗后樣品外觀檢查及設備艙裙板支架固定螺栓檢查。

試驗方向:垂向→橫向→縱向。

2.2 沖擊試驗

沖擊試驗在長壽命隨機振動試驗完成后開展,螺栓保持隨機振動試驗后狀態,無二次緊固。

根據IEC 61373:2010標準中車體上1類A級的半正弦沖擊波形進行試驗,參數見表2。

表2 沖擊試驗參數表

試驗順序:試驗前樣品外觀檢查及防松螺栓檢查、智能螺栓測試系統調試→沖擊試驗→試驗后樣品外觀檢查及設備艙裙板支架螺栓防松線檢查。

試驗方向:垂向→橫向→縱向。

2.3 試驗結果

根據試驗結果,長壽命隨機振動試驗及沖擊試驗有效值控制在合理誤差范圍內。其中,加速度頻譜密度值ASD控制在標準規定值的±3 dB之內,隨機振動有效值RMS控制在標準規定的10%以內,半正弦脈沖幅值控制在標準規定值20%以內。

長壽命隨機振動試驗和沖擊試驗完成后,螺栓防松線未錯位,所夾緊的連接角鐵未發生滑移,表明螺栓滿足抗滑移要求。

智能螺栓預緊力監測情況見表3,可以看出,靠近中心位置2、3號螺栓預緊力衰減大于遠離中心位置1、4號螺栓,2、3號螺栓預緊力損失在1 kN左右,1、4號螺栓衰減較小。

表3 智能螺栓預緊力監測值

3 螺栓抗滑移性能計算

設備艙結構有限元模型采用HyperMesh軟件劃分、ANSYS軟件計算。有限元模型見圖4,螺栓采用梁單元模擬,通過提取梁單元受力的6個分量來獲得各工況下螺栓所受的工作載荷。仿真分析工況見表4,考慮了加速度工況及氣動載荷工況。

圖4 有限元模型

表4 仿真分析工況

根據VDI 2230:2014標準,最小夾緊載荷FKQ erf的計算公式為 :

式中:FQ max為被夾緊界面傳遞的最大橫向力;qF為傳遞橫向力的界面數;μT min為被夾緊界面最小摩擦系數;MY max為被夾緊界面傳遞的最大扭矩(繞螺栓軸線);qM為傳遞扭矩的界面數;ra為有效扭轉半徑。

根據各仿真分析工況計算的螺栓工作載荷,結合計算夾緊力的相關參數,最危險工況為工況7,此時所需的最小夾緊力為4.462 kN,見表5。根據實際擰緊工藝及VDI 2230:2014標準中表A8 “擰緊系數指導值”,取擰緊系數αA=1.4,則所需的最小夾緊力最大值為4.462 kN×1.4=6.247 kN。

表5 最小夾緊載荷FKQ erf的計算參數

根據表3,長壽命隨機振動試驗和沖擊試驗完成后,螺栓剩余預緊力最小值為6.776 kN,大于6.247 kN,滿足抗滑移要求。

4 結論

(1)長壽命隨機振動試驗和沖擊試驗完成后,螺栓防松標記未發生錯位,未發生滑移,滿足抗滑移要求。

(2)根據有限元仿真分析及VDI 2230:2014標準對螺栓滑移性能進行校核,在考慮擰緊系數為1.4的前提下,該位置螺栓抗滑移所需的最小夾緊力為6.247 kN。試驗完成后該位置螺栓剩余預緊力最小值為6.776 kN,大于所需的最小夾緊力,滿足抗滑移要求。

(3)根據以上結果,結合售后反饋的累計只發生兩起滑移的情形,判斷該位置螺栓發生滑移原因為個例,非設計結構原因導致。