动车组设备螺栓连接可靠性分析.docx

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动车组设备螺栓连接可靠性分析

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摘要：随着我国的经济在快速的发展，社会在不断的进步，我国的交通行业得到了快速的发展，提出以概率论和数理统计为基础的可靠性设计方法，明确可靠性分析的必要性、其相对于传统安全系数法的优势、可靠性分析的应力-强度干涉模型等。采用该方法设计验证某动车组项目底架设备上的螺栓连接可靠性，通过可靠性分析指出当前设计的不合理之处，为之后的设计工作提供思路；利用可靠性原理发现目前螺栓生产应用中对可靠度影响比较大的关键参数，结果表明摩擦系数的分散度对可靠性的影响最大，其次是材料强度分散度，而螺栓直径和长度尺寸分散度对可靠性的影响较小，基本可以忽略。

关键词：动车组；螺栓连接；干涉模型；关键参数；可靠性分析

引言

高速动车组牵引、动力系统中的高强度螺栓产品是动车组中经济价值最高的标准件，对品质和可靠性的要求极高，我国生产还不能完全达到国产化，如齿轮箱与电机、齿轮箱与齿轮箱连接、轮毂与转向架之间螺栓风险等级最高，都是关系人民生命、财产安全的重要连接件。随着高速动车组动力的大容量化、大型化和功率转速的不断提高，牵引、传动的工况条件更加复杂且苛刻，纵观各类行车事故案例，动车组螺栓的断裂失效是影响高速动车组安全运行的巨大隐患，在螺栓的断裂失效模式中，涵盖了螺栓的疲劳断裂失效、塑性断裂失效和脆性断裂失效等三大类型。分析造成螺栓断裂失效的因素主要有以下几种:①螺栓材质不良，钢材内非金属夹杂物严重，成为疲劳裂纹源;②螺栓制造工艺欠合理，造成螺栓力学性能不符合标准要求或螺栓制品具有原始裂纹，使用时扩展断裂;③设计选择的螺栓满足标准要求，但疲劳强度难以满足实际工况需求;螺栓连接设计不科学，无法达到紧固扭矩。为此，对高速动车组高强度螺栓的性能提出了更高的要求。

1螺栓设计的原理

螺栓连接的设计其实包括两个大方面:一是根据实际应用情况进行设计选型，选出合适的螺栓(比如螺栓材料，尺寸，强度等级等);二是将选择的螺栓和被连接件进行拧紧(螺栓预紧力及拧紧扭矩的选择，拧紧方法的选择等)。工作中的单个螺栓受力分为横向力和轴向力(含预紧力)，而螺栓在拧紧时的受力状态与承受工作载荷时有着不同的受力方式，因为螺栓连接在拧紧时承受了拉扭复合作用力。螺栓连接在装配时通常需要拧紧，使螺栓提前受到一个力的作用，之后再承受部件的工作拉力载荷，这个提前施加的作用力称为预紧力。施加预紧力是为了防止被连接件受到工作拉力后产生缝隙和相对滑移，提高了连接的紧密性，使工作中的螺栓更可靠。

2可靠性分析的实例

材料强度指标主要指材料的抗拉强度σb和屈服强度σS，两者均能较好地符合或接近于正态分布。但应注意，目前国内钢材标准中的抗拉强度和屈服强度数据，大都是置信下限为90%的保证值，因此考虑它们的变异系数，抗拉强度和屈服强度的均值应为：σb=10.7σb、σS=1.1σS。σb、σS均为可以在有关手册上查到的保证值。本部分以公司常用的不锈钢材料螺栓为例进行分析，借以阐明可靠性分析的计算思路、步骤、设计方法等内容。可靠性设计的一般步骤如下。（1）计算螺栓的工作荷载F。根据设计条件估算螺栓连接副的工作荷载均值F和标准差σF。一般在工程应用中，通常取公差为3倍的标准差，即3σ原则。所以，标准差可按载荷的容许偏差估算，之后即可求得变异系数CF。式中，Fmax为螺栓最大工作荷载；Fmin为螺栓最小工作荷载。（2）计算螺栓总拉力F2。螺栓总拉力既要满足预紧力的要求，又要满足最小残余预紧力的要求，总拉力通常取以下2式中的最大值。式中，F为工作荷载；x为螺栓的相对刚度；系数C1、C2的取值范围见表1。F2的标准差σF2可近似取σF2≈F2×CF。（3）根据螺栓连接副中螺栓个数（随机变量Z），计算螺栓拉应力σt和切应力τ及其标准差和变异系数。螺栓拉应力标准差为：式中，d1为螺栓危险截面直径。切应力标准差为：式中，d为螺栓公称直径均值；F0为预紧力的均值；fT为当量摩擦系数均值，其中fT=0.02+0.5f，f为螺纹间的摩擦系数。当量摩擦系数的变异系数为：式中，σ?f为摩擦系数的标准差。螺栓拉应力为：式中，CF0为预紧力的变异系数；CfT为当量摩擦系数的变异系数；Cd为公称直径的变异系数；Cd1为螺栓危险截面直径的变异系数。

2.2加工工艺

动车组上的10．9级高强度螺栓表面涂覆达克罗，摩擦系数为0．12～0．16。该螺栓要求疲劳极限静载荷达到屈服强度的约22%，应力比σ－1，循环周次＞450万次。对于螺栓疲劳极限测试，采用疲劳极限台阶图，若疲劳极限静载荷力值等于ＲP0．2的23%，就简称该类高强度螺栓的静载荷疲劳极限为23%。试验加载频率25Hz/min，对10．9级M14×105高强度螺栓测得的