司机室连挂紧固件的选择及可靠性研究

引言

城轨车辆的车体结构一 般由司机室 、底架 、侧墙 、车 顶、端墙五大部件组成 ,司机室结构通过螺栓等紧固件连接到底架、车顶等部件,该结构可将司机室作为吸能变形区域,若发生碰撞变形等事故可拆除独立的司机室,单独进行更换,节约经济成本。紧固件连接区域一般包括车顶、底架边梁、前端梁三部分,如图1所示。

1紧固件选择遵循的原则

为保证紧固件的安全性、有效性、可靠性,须遵循以下三方面的选择原则。

1. 1 螺栓型号的选择

根据《机车车辆用螺栓连接通用技术规范第2部分:设计—机械制造应用》(o/CsR52.2—2008）[1],螺栓型号的选择应遵循以下原则:

根据零部件的连接厚度确定紧固长度、螺栓长度以及螺栓型号,连接厚度包括车体连接部分厚度、螺母厚度以及垫片厚度。为充分发挥螺栓杆的弹性延伸特性,螺栓应满足以下公式:

图1螺栓连接区域示意图

式中:L_K为紧固长度(mm）:d为螺栓直径(mm）。

当零部件厚度不满足要求时,需另外使用轴套或缩小螺栓直径。后一种情况可导致螺栓数量的增加,也可使用较高强度的螺栓,从而保证连接强度。

1.2 螺栓、螺母、垫片等级的选择

根据《机车车辆用螺栓连接通用技术规范第2部分:设计一机械制造应用》(Q/CSR52.2一2008）,螺栓、螺母的性能等级和垫圈的硬度等级应相匹配,如表1所示。

表1螺栓、螺母性能等级和垫圈硬度等级匹配表

由表1可知,性能等级为8.8级的六角头螺栓应选用性能等级为8级的螺母以及硬度为HV200或HV300的垫圈。

性能等级为10.9级的六角头螺栓应选用性能等级为10级的螺母以及硬度为HV300的垫圈。

性能等级为A2-70的六角头螺栓应选用性能等级为A2-70的螺母以及硬度为HV200的垫圈。

1.3 防松措施

螺栓连接发生松脱的主要原因有两个方面:一是压陷(在接合面中,螺纹中及螺栓头下面的表面贴合时表面粗糙度的塑性整平）或蠕变(由于表面压力太大,超过被拧紧零部件材料的屈服极限,经过一段时间发生蠕变）导致的松动:二是自动松脱,由于作用于螺栓连接的引起横向移动的力的影响,螺栓连接有自动松脱的危险 。松脱的危险程度取决于现有预紧力以及横向移动量,这种松脱由与螺栓中心线垂直的交变横向作用力引起,此时,螺纹中、螺栓头及螺母支承面上的摩擦及自锁条件被抵消,结果是自动松脱,这可以导致连接完全脱开。因此,需采取措施预防松脱。

一般从3个方面防止松脱:摩擦防松、机械防松和永久防松。常见的摩擦防松方法有利用弹性垫片、自锁螺母等,常见的机械防松方法有利用止动垫片、串联钢丝、开口销等 ,常见的永久防松方法有粘合防松、点焊防松等。

2司机室连挂存在的问题

参考前述紧固件选择的原则,可进一步分析司机室连挂紧固件使用存在的问题。某司机室连挂方案如图2所示。

经过计算 ,车顶处理论连接厚度为42.3mm,按照螺栓型号选用原则,42.3/12≈3.5>3,底架边梁连接处理论连接厚度为38.8mm,38.8/12≈3.2>3 ,可选M12的螺栓。

其中,螺栓使用10.9级,螺母选择10级,垫片需选用HV300,但件号3和件号4选择的垫片硬度为HV200 ,可以进一步优化。

防松措施:采用了防松垫片和自锁螺母进行防松,一般采用一种防松装置即可,较多使用垫片,将增加螺栓连接的分界面,影响预紧力。

图2紧固件选择示意图

关于紧固件表面处理:螺栓和螺母均为达克罗涂层,件号3和件号4的垫片均为镀锌钝化涂层,应采用相同涂层紧固件。

不同的螺栓等级及表面处理方式,需要根据相关标准施加相应的扭矩值,从而充分发挥螺栓的强度性能。在该司机室连挂方案中,紧固件使用了润滑剂Mos2,10.9级M12螺栓扭矩值为92N·m(未使用润滑剂的10.9级M12螺栓扭矩值为123N·m）。若92 N·m的扭矩可以满足预紧力与工作载荷的要求 ,则可选择较低等级的螺栓。若需要使用10.9级的螺栓,可提高扭矩要求以充分发挥该等级的螺栓性能。

3优化建议

综上,在紧固件的选用上主要围绕以下几个方面展开:

(1）螺栓型号是否合适 ,螺纹有效旋合长度是否满足标准规定,能否满足预紧力的要求:

(2）螺栓、螺母性能等级以及垫圈硬度等级匹配是否符合国家和行业标准:

(3）紧固件是否有相应的防松措施:

(4）紧固件表面处理是否保持一致。图3为优化后的紧固件选择方案。

图3优化后紧固件选择方案

该优化方案中,连挂处的结构一致,连接厚度一致,螺栓型号可保持不变,为M12。螺栓性能等级为10.9级,螺母性能等级为10级,垫片采用大垫片,硬度为HV300,性能相匹配。此外,表面处理均为涂抹达克罗,涂层保持一致。取消原有项目常用的Cs防松垫圈,直接采用自锁螺母,具有防松功能,且要求紧固时涂抹螺纹紧固胶,进一步提升防 松效果 。10.9级的M12螺栓扭矩要求为123 N·m ,符合《机 车车辆用螺栓连接通用技术规范第2部分:设计一机械 制造应用》(OTCsR 52.2一2008）,以保证足够的预紧力。

通过合理布置紧固件的位置,在紧固点处施加相应的螺栓支反力,验证司机室在不同工况下所受应力是否满足许用应力要求。司机室在不同工况下的计算结果分别如图 4、图5、图6、图7所示。

图4垂直过载工况的司机室应力云图

图5车钩拉伸工况的司机室应力云图

由图4、图5、图6、图7可知,车钩压缩工况时,司机室门 立柱与顶部横梁连接处出现最大应力集中点,为181.770M:P,小于aNEA6005E-w6材料的屈服强度215M:P,安全系数为1. 18 ,满足要求 ,所选紧固件型号、施加扭矩以及司机室结构合理。

4结语

随着轨道交通产业的发展,在提高产品质量、降低生产成本的大环境下,模块化和标准化设计必然会得到更多的应用和发展。对司机室不同连挂处的结构进行统型,在符合规范、满足要求的前提下,对紧固件的选用进行优化和统型十分必要。本文总结了司机室连挂模块存在的部分典型问题,梳理了规范化的要求,提出了相应的问题和建议,有利于保证司机室连挂的安全性、可靠性,对于提高产品质量以及可靠性具有积极作用。

图5车钩压缩工况的司机室应力云图

图6司机室腰部压缩工况的应力云图