高速列車輪裝制動(dòng)盤螺栓連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

喬 峰 ,李鵬濤 ,李國棟 ,楊 川 ,辛志強(qiáng) ,石雪嬌 ,王志龍

(1.中南大學(xué) 粉末冶金國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南 長沙 410083;2.中車長春軌道客車股份有限公司 國家軌道客車工程研究中心,吉林 長春 130062)

盤形制動(dòng)作為高速列車的關(guān)鍵技術(shù)之一,尤其在其他安全措施無法得到保障時(shí),其必須能夠通過有效的機(jī)械摩擦實(shí)現(xiàn)高速列車在規(guī)定的制動(dòng)距離內(nèi)停車,是高速列車安全可靠制動(dòng)的最后一道屏障[1-4],其重要性不言而喻。高速列車的每次制動(dòng),制動(dòng)盤都會(huì)經(jīng)受一次加熱和冷卻循環(huán)并產(chǎn)生一個(gè)循環(huán)熱應(yīng)力,反復(fù)制動(dòng)會(huì)導(dǎo)致制動(dòng)盤盤面產(chǎn)生熱斑和熱疲勞損傷,嚴(yán)重情況下可導(dǎo)致盤面開裂影響制動(dòng)盤的使用壽命,尤其是緊急制動(dòng)時(shí)制動(dòng)盤將承受巨大的結(jié)構(gòu)和熱耦合載荷[5],同時(shí)也將嚴(yán)格考驗(yàn)制動(dòng)盤整個(gè)連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠性。

輪裝制動(dòng)盤是由2片安裝在動(dòng)車車輪輻板兩側(cè)的制動(dòng)盤組成,可見在散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足要求的前提下,2片制動(dòng)盤的連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是關(guān)鍵之中的關(guān)鍵,其關(guān)系到輪裝制動(dòng)盤能否正常工作,進(jìn)而關(guān)系到高速列車正常運(yùn)行的可靠性,因此對(duì)制動(dòng)盤的連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尤為關(guān)鍵。

1 螺栓連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

高速列車輪裝制動(dòng)盤安裝在車輪兩側(cè),由2片制動(dòng)盤與車輪連接成整體。考慮到安裝、維護(hù)的簡便性,制動(dòng)盤與車輪通過螺栓、螺母連接在一起[6],如圖1所示。

圖1 輪裝制動(dòng)盤

高速列車行駛過程中,制動(dòng)盤與車輪一起高速旋轉(zhuǎn),制動(dòng)盤承受來自垂向、縱向、橫向振動(dòng)載荷以及動(dòng)不平衡帶來的附加動(dòng)載荷。制動(dòng)過程中制動(dòng)盤承受制動(dòng)壓力形式的機(jī)械載荷、熱載荷、機(jī)械與熱耦合載荷,工作工況惡劣,影響行車安全,可見對(duì)其可靠性要求較高。輪裝制動(dòng)盤的可靠性決定于連接結(jié)構(gòu)的可靠性,連接結(jié)構(gòu)的可靠性決定于螺栓、螺母及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠性。因此應(yīng)根據(jù)螺栓、螺母工作環(huán)境,工作工況等條件,分別從螺栓受力、強(qiáng)度條件、材質(zhì)選擇三方面進(jìn)行設(shè)計(jì)與分析并給出解決方案,保證行駛及制動(dòng)過程中制動(dòng)盤與車輪不能出現(xiàn)松動(dòng)現(xiàn)象,不能使連接失效。

1.1 螺栓受力分析

在裝配過程中如果一個(gè)螺栓被擰緊到初始夾緊載荷FM,那么螺栓會(huì)伸長fSM,同時(shí)被連接零件縮短fPM,完成裝配后由于被連接件粗糙的表面變平滑,出現(xiàn)嵌入現(xiàn)象,彈性伸長量fSM+fPM減少了嵌入量fZ,結(jié)果初始夾緊載荷FM減少FZ(圖2)。

圖2 螺栓受力及變形圖

在擰緊過程中承受的初始夾緊載荷FM取決于擰緊方法和條件,其值分散在FMmin和FMmax之間,這種分散情況由擰緊系數(shù)αA表示,公式如下:

如果用最小裝配預(yù)緊載荷FMmin夾緊某一連接體,并且由于出現(xiàn)嵌入情況而發(fā)生初始夾緊載荷減少FZ,在最壞的情況下,剩余預(yù)緊力FV。

在工作中,工作載荷FA是制動(dòng)時(shí)螺栓溫度急劇上升導(dǎo)致螺栓受熱膨脹與高速列車運(yùn)行時(shí)螺栓受軸向振動(dòng)載荷之和,承受預(yù)緊力FV的螺栓連接承受的工作載荷FA在螺栓中引起附加載荷FSA,從而使預(yù)緊力FV減少了FPA剩下剩余預(yù)緊力FKR。附加載荷FSA與工作載荷FA成正比,稱該比例因素Φ為載荷系數(shù),具體如式(2)、式(3)所示:

根據(jù)上述分析,得出設(shè)計(jì)原則:

(1) 保證螺栓殘余預(yù)緊力Q'p能抵抗制動(dòng)盤工作時(shí)所受到的扭矩載荷及振動(dòng)載荷,使連接結(jié)合面不產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng);

(2) 螺栓抗拉強(qiáng)度(不致拉斷)、屈服強(qiáng)度(不致產(chǎn)生塑性變形)、疲勞強(qiáng)度(不致產(chǎn)生疲勞斷裂)能夠滿足使用壽命內(nèi)工作載荷要求。

1.2 螺栓預(yù)緊載荷計(jì)算

現(xiàn)以某型輪裝制動(dòng)盤為例,其主要輸入?yún)?shù)見表1。根據(jù)IEC 61373:2010《鐵路應(yīng)用 鐵道車輛設(shè)備 沖擊和振動(dòng)試驗(yàn)》,振動(dòng)加速度為14.4g,沖擊加速度為100g,將振動(dòng)、沖擊疊加得到總加速度為114.4g。根據(jù)接口尺寸及結(jié)構(gòu)連接要求,初選10.9級(jí)M10螺栓,防松方式為施必牢螺紋和有效力矩型鎖緊螺母。

表1 某型輪裝制動(dòng)盤主要輸入?yún)?shù)

制動(dòng)盤因連接件大多為金屬件,在同樣溫升條件下,因2種材料熱膨脹系數(shù)的巨大差異,導(dǎo)致螺栓受熱膨脹后放松量將更大[8],從而使殘余預(yù)緊載荷更小。為此在滿足制動(dòng)盤磨損限度要求及零部件強(qiáng)度的前提下,應(yīng)盡量增加螺栓長度,在螺栓頭與螺母之間增加金屬墊塊,并盡可能增加金屬墊塊厚度,以削弱溫度對(duì)螺栓殘余預(yù)緊載荷減少的影響。

此處選用的螺栓為高強(qiáng)度螺栓,可根據(jù)VDI 2230-1:2015《高強(qiáng)度螺栓連接的系統(tǒng)計(jì)算 單個(gè)圓柱螺栓連接》進(jìn)行計(jì)算及校核,忽略計(jì)算中的次要因素,預(yù)緊載荷在計(jì)算所需最小夾緊載荷FKQ的基礎(chǔ)上,還應(yīng)加上工作載荷使預(yù)緊載荷減少量FPA、熱載荷使預(yù)緊載荷減少量ΔF'Vth、因配合表面發(fā)生穿透導(dǎo)致預(yù)緊載荷減少量FZ,即得到最小裝配預(yù)緊載荷FMmin,見式(6):

考慮擰緊方式和調(diào)整技術(shù)及摩擦因數(shù)的分散性,最大裝配預(yù)緊載荷FMmax與最小裝配預(yù)緊載荷FMmin的關(guān)系如式(7)所示,式中αA為1.6。

最小夾緊載荷FKQ的計(jì)算可根據(jù)制動(dòng)盤緊急工況條件下所受的橫向載荷及扭矩載荷,以夾緊件與被夾緊件不發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)或滑移為條件,建立方程求得。工作載荷使預(yù)緊載荷減少量FPA的計(jì)算(放松載荷),可根據(jù)夾緊件與被夾緊件的相對(duì)剛度計(jì)算得出。因配合表面發(fā)生穿透導(dǎo)致預(yù)緊載荷減少量FZ的計(jì)算,主要依賴于工作載荷類型、結(jié)合面數(shù)量和配對(duì)表面粗糙度,根據(jù)表2[9]選取穿透量建議值。

表2 鋼制螺栓、螺母和夾緊件的穿透量建議值 μm

載 荷FKQ、FPA、ΔF'Vth計(jì) 算 可 參 考VDI 2230-1:2015中5.4.1、5.4.2節(jié)內(nèi)容。熱載荷使預(yù)緊載荷減少量ΔF'Vth的計(jì)算可以先通過有限元仿真得出夾緊件、被夾緊件的溫升再進(jìn)行理論計(jì)算,或可以通過試驗(yàn)測(cè)得的夾緊件、被夾緊件溫升數(shù)據(jù)直接計(jì)算,然后通過有限元仿真結(jié)果分析比較。在本型輪裝制動(dòng)盤中,制動(dòng)盤溫升、螺栓溫升通過有限元仿真分析得出,制動(dòng)盤溫升約為623℃(距摩擦面6 mm 處,第2次連續(xù)制動(dòng)結(jié)束后),螺栓溫升約為268℃,如圖3和圖4所示。

圖3 制動(dòng)盤熱電偶處溫升

鑒于計(jì)算過程較為復(fù)雜,在此不列出計(jì)算過程,計(jì)算結(jié)果見表3。擰緊力矩最小取18 N·m,保守可取最大值28 N·m,取最大值時(shí)更應(yīng)校核被夾緊件表面壓應(yīng)力,應(yīng)符合強(qiáng)度要求。

1.3 螺栓及被夾緊件強(qiáng)度校核

在確認(rèn)最終預(yù)緊載荷后,應(yīng)按此預(yù)緊載荷對(duì)螺栓屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度及被夾緊件(制動(dòng)盤)表面壓應(yīng)力強(qiáng)度進(jìn)行校核,以確保螺栓在極端惡劣工況下不發(fā)生塑性變形、拉伸及疲勞斷裂,確保夾緊件在螺栓預(yù)緊載荷下不致被壓潰并滿足規(guī)定的安全系數(shù)。根據(jù)強(qiáng)度校核結(jié)果選擇合適的螺栓材質(zhì)及表面處理要求,校核結(jié)果見表4。

表4 螺栓及被夾緊件強(qiáng)度校核結(jié)果

1.4 螺栓、螺母材質(zhì)選擇

根據(jù)1.3節(jié)強(qiáng)度校核結(jié)果,螺栓、螺母材質(zhì)選取一般中碳合金鋼加調(diào)質(zhì)處理即可滿足要求,但還應(yīng)考慮螺栓、螺母的實(shí)際工況條件、環(huán)境條件。從工況條件來看,螺栓、螺母材質(zhì)必須耐高溫,從有限元分析結(jié)果看,需至少能耐270℃高溫且使螺栓在270℃高溫下不因屈服強(qiáng)度不夠而發(fā)生塑性變形,從而使殘余預(yù)緊載荷減小,不因抗拉強(qiáng)度不夠而發(fā)生斷裂。從環(huán)境條件來看,螺栓、螺母長期暴露在雨、雪、酸、堿、鹽等復(fù)雜的空氣環(huán)境中,螺栓、螺母應(yīng)具備防腐蝕能力。綜合制動(dòng)盤溫升達(dá)到623℃,選取螺栓、螺母材質(zhì)為GH2132,GH2132在650℃以下具有較高的屈服強(qiáng)度和持久、蠕變強(qiáng)度,并且具有較好的加工塑性和滿意的焊接性能,適合制造在650℃以下長期工作的高溫承力部件。

考慮到零部件的防腐能力,需對(duì)螺栓、螺母進(jìn)行表面處理,表面處理的原則為防腐、能得到穩(wěn)定且較低的扭矩系數(shù)、成本可控。

螺栓在涂抹潤滑脂后可得到較低且更為穩(wěn)定的扭矩系數(shù)。采用達(dá)克羅表面處理方式較發(fā)黑、磷化處理得到的扭矩系數(shù)總體較低,但達(dá)克羅處理耐腐蝕性能較發(fā)黑、磷化處理更強(qiáng),因此螺栓、螺母表面采取達(dá)克羅處理,螺栓緊固時(shí)在螺紋段涂抹潤滑脂[10-11]。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

取12組螺栓模擬產(chǎn)品實(shí)際工作情況,施加18 N·m預(yù)緊扭矩,實(shí)測(cè)制動(dòng)盤端面跳動(dòng)值0.2 mm,在1∶1制動(dòng)動(dòng)力試驗(yàn)臺(tái)上按照《1∶1制動(dòng)動(dòng)力試驗(yàn)大綱》進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)。螺栓擰緊力矩及試驗(yàn)后擰松力矩見表5。

表5 螺栓擰緊力矩及試驗(yàn)后擰松力矩 N·m

試驗(yàn)后螺栓未發(fā)生松動(dòng),試驗(yàn)合格。力矩施加及擰松均采用數(shù)顯式智能扳手,精確到0.1 N·m,防松標(biāo)記未發(fā)生錯(cuò)位。

3 結(jié)論

本文首先根據(jù)輪裝制動(dòng)盤工作原理及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)詳細(xì)分析了高強(qiáng)度螺栓連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中受力分析、強(qiáng)度校核、材質(zhì)選擇三方面中的關(guān)鍵點(diǎn)。然后根據(jù)VDI 2230-1:2015標(biāo)準(zhǔn),詳細(xì)給出了某型輪裝制動(dòng)盤高強(qiáng)度螺栓連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的計(jì)算過程及思路,得出了高強(qiáng)度螺栓最終的預(yù)緊載荷、強(qiáng)度校核、材質(zhì)選擇結(jié)果。最后通過1∶1臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證了高強(qiáng)度螺栓連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算的準(zhǔn)確性。結(jié)果表明,本文提出的輪裝制動(dòng)盤高強(qiáng)度螺栓連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算思路可為制動(dòng)盤或其他機(jī)械裝置的高強(qiáng)度螺栓連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算提供有效的指導(dǎo)和依據(jù)。