动车组客室门连接螺栓疲劳强度分析

引言

螺栓是动车组组件中的重要零部件,主要起到连接和紧固等作用。一旦螺栓发生断裂事故,被连接部件将无法正常工作,甚至带来安全隐患,因此对动车组上的螺栓进行疲劳强度校核对于保障列车的安全可靠性具有十分重要的意义。

许多学者对动车组螺栓可靠性展开了研究,如王冬研究动车组用螺栓是否存在可以重复使用的可能,对螺栓的机械性能、反复加载、镀层耐腐蚀性、疲劳寿命等展开多项试验。李晓峰等人研究了设备舱底板滑道与吊梁连接处螺栓,开展了静强度和疲劳强度校核研究,分析了评估方法的特点。文强等人为了保证动车组设备安装的可靠性,研究了设备安装用螺栓预紧的扭力要求,探究了具体的预紧方法、螺栓强度的核算、预紧力的控制等,为螺栓强度校核提供了理论依据。

目前,对于动车组螺栓的研究还未涉及客室门螺栓,如何运用相关理论更加科学、高效地开展客室门中零部件的可靠性验证工作成为目前迫切需要解决的问题。

动车组的客室门主要由门框、承载驱动单元、门扇、门控器和电气部件等组成。其中,承载驱动机构通过螺栓和车体进行连接,一旦螺栓发生故障,车门会发生脱落,无法正常工作。鉴于螺栓的工作环境和状态,其对自身的疲劳强度具有一定的要求。因此,本文基于有限元分析方法对车体与客室门螺栓连接部件进行疲劳强度校核计算,结果表明所选用的螺栓符合质量要求,为客室门螺栓的可靠性研究提供了理论依据。

1客室门螺栓参数

动车组列车客室门主要结构包括承载机构、驱动机构、锁闭机构、支撑组件等,承载驱动机构和车体之间通过4个螺栓连接,如图1所示。

螺栓型号为M12×35-A2-70,最小抗拉强度为700MPa,根据标准DIN 25201-2,计算得螺纹预紧力为127N·m,螺栓其他相关尺寸如表1所示。

2仿真模型与受力分析

基于有限元分析软件对门系统运行状态下的螺栓受力情况进行仿真分析。

2.1模型约束及载荷

对螺栓组件进行建模,如图2所示。根据结构和工作特点添加约束,如图3所示。

在模型中添加门系统在运动过程中所受载荷,门系统自重通过设置密度后自动生成。根据《铁路应用铁道车辆车体的结构要求》(EN12663-1一2010）中客车P-Ⅱ型要求,门系统受到3个方向冲击时,加速度载荷共有6种组合方式,如表2所示。

2.2螺栓受力情况分析

运行仿真,计算吊架安装孔处的螺栓最大承载力,如表3所示。

从表3中可以看出,螺栓受到的载荷情况为:最大轴向载荷F_Amax=1023N:最大横向载荷F_Tmax=463.12N。

3螺栓强度校核

根据仿真所得螺栓所受载荷情况,对螺栓疲劳强度进行校核。主要校核参数包括:极限尺寸、安装预紧力、螺栓强度、交变载荷、表面压力和防滑可靠性等。因承载驱动机构为中心对称安装,且刚度较大,螺栓可看作同心紧固及同心负荷,无须对极限尺寸进行校核。

3.1最小紧固力计算

动车组客室门螺栓连接形式为对称紧固,所受载荷为同心载荷,根据VDI 2230 5.4.1,s_sym=0,a=0,最小紧固力F_kerf计算公式如下:

式中:F_Tmax为螺栓横向力:q_F为传递横向力的界面数:μ_Tmin为钢铝表面静摩擦系数,为0.15。

根据表3可知F_Tmax=463.13N,代入公式(1）计算得到F_kerf=2315N。

3.2螺栓弹性变形和载荷系数

螺栓弹性变形δ_s是各个部分变形的叠加,计算公式如下:

式中:δ_sk=0.4d/E_s×A_N,E_s=2.05×10⁵N/mm²:δ₁为螺杆部分变形:δ_Gew为无载荷螺纹部分变形:δ_GM为接合螺纹和内螺纹区域弹性变形之和。

在螺栓头下面施加作用力时,载荷系数Φ_n计算公式如下:

式中:δ_p为被夹紧件的弹性变形:n为载荷引入系数,为0.3。

3.3安装预紧力校核

最小安装预紧力:

最大安装预紧力:

式中:F_z为预紧力消耗:△F'_Vth为温度变化带来的预紧力变化:αA为拧紧系数,数值为1.7。

根据DIN 2520I可知,83%最小屈服极限的利用率及螺纹中最小摩擦系数μ_Gmin=0.I时的安装预紧力为:

式中:v为屈服应力利用系数。

代入数据计算F_Mmax=12675.5N<F_Mzul=28667N,因此螺栓安装预紧力符合要求。

3.4螺栓强度评估

螺栓承受的最大组合应力为:

式中:σ_zmax为最大拉应力:k_Τ=0.5:Τ_max为最大扭矩应力。

经计算,σ_red,B=356.3N/mm²。A2-70螺栓的屈服强度R_P0.2=450MPa。由此可得到安全系数S_F=R_P0.2/σ_red,B≈1.26,该数值大于标准值1.0,因此螺栓性能满足疲劳强度要求。

3.5交变载荷评估

动车组列车客室门螺栓所受载荷为同心加载,螺栓连续交变载荷计算公式如下:

将F_Amax=1023N,F_Amin=0代入公式(8）,最终得到σa=0.49N/mm²。

热处理前滚制的螺栓耐疲劳极限σ_AsV=48.88N/mm²,由于σ_a<σ_AsV,因此螺栓交变载荷满足要求。

3.6表面接触压力评估

螺栓材质为1023碳钢板,根据VDI2230可知,1023碳钢板表面极限压强为P_G=490MPa。在工作状态下表面接触压力计算公式为:

      其中F_Vmax=F_Mzul ,F_sAmax=Φ_n ×F_Amax ,A_Pmin为螺栓头下的最小支承面积。

安全系数sp'=P_G/P_Bmax=2.92,大于标准数值1.0,满足标准规定的表面接触压力要求。

3.7防滑可靠性评估

根据VDI 2230标准规定,连接件之间的剩余压紧力F_KRmin应该大于能够确保连接件保持固态稳定所需的最小压紧力F_kerf,即防滑系数需要大于1。

抵抗横向载荷所需的最小夹紧力:

基于螺栓所受最大载荷计算防滑系数:S_G=F_KRmin/F_kerf=5.06>1,满足标准规定的防滑性要求。

通过对动车组客室门螺栓进行强度校核,可知螺栓安装预紧力、螺栓强度、交变载荷、表面压力和防滑可靠性等参数均满足标准要求。

4结论

本文基于有限元分析软件获得门系统运行状态下的螺栓所受最大载荷,对螺栓强度进行校核,结论如下:在动车组列车运行工况下,客室门螺栓强度、交变载荷、表面接触压力、防滑可靠性等均符合质量要求。

本文基于多个标准对螺栓性能进行了全面科学的校核,为动车组客室门的安装调试提供了理论依据,本文使用的校核流程也同样适用于其他组件的螺栓校核,因而具有一定的借鉴意义。