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动车组螺栓连接的设计研究
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摘要:轨道交通车辆对提高人们的生活质量、出行体验和公共交通水平具有重要作用。我国轨道交通产业的发展也是社会发展的必然要求。根据动车组整个系统结构的特点,动车组主变压器、变流器等大型电气设备通常采用螺栓连接方式悬挂在列车底部,因此螺栓连接的可靠性是该过程中需要保证的关键点。螺栓连接设计中只有两点:一是选用合理的紧固件;二是在装配过程中控制预紧力。与欧美、日本相比,我国铁路运输业起步较晚,螺栓连接设计仍存在一定差距。为了保证螺栓连接在设计中的可靠性,工程人员通常采用过大的安全系数。虽然这种方法不会导致螺栓连接过载失效,但不可避免地会导致螺栓无法发挥其材料效率,造成螺栓使用浪费,增加生产成本。因此,针对目前的情况,有必要对动车组设备的螺栓连接进行研究。
关键词:动车组;螺栓连接;设计
1螺栓设计的原理
螺栓连接的设计实际上包括两个主要方面:一是根据实际应用情况选择合适的螺栓(如螺栓材质、尺寸、强度等级等);二是拧紧选定的螺栓和接头(螺栓预紧力的选择和拧紧)。扭矩、拧紧方法的选择等)。
工作中作用在单个螺栓上的力分为横向力和轴向力(包括预紧力)。拧紧时作用在螺栓上的力不同于工作载荷下的力,因为螺栓连接在拧紧时承受张力和扭转的组合力。在装配过程中,通常需要拧紧螺栓连接,使螺栓预先受力,然后承受部件的工作张力载荷。预先施加的力称为预加载荷。预紧力的作用是防止工作力拉动后接头间隙和相对滑动,提高接头的松紧度,使工作中的螺栓更加可靠。
螺栓和被连接件的材料都具有一定的弹性变形能力,螺栓连接的变形使螺栓承受的总拉力受螺栓刚度Cb和被连接件刚度Cm等的影响。
图1螺栓受力变形图
图1(a)表示螺母被旋至部件表面接触而没有拧紧的情形。显然此时螺栓及连接的部件没有受力和变形。图1(b)表示螺栓连接已经施加了预紧力而没有施加工作载荷的情形。预紧F0力对螺栓施加拉力,导致螺栓伸长λb。与之对应,被连接件受压收缩变形λm。图1(c)表示螺栓承受工作拉力后的形态。由于变形量很小,螺栓变形在弹性区域内,符合拉压胡克定律。假设施加的工作载荷为F,螺栓受的拉力由F0增至F2,拉力的增大使螺栓继续伸长,总变形量达到λb+Δλ。基于螺栓和被连接件的一体结构,伸长后的螺栓使被连接件相应的释放压缩量Δλ,所以被连接件的总压缩量为λ′m=λm-Δλ。被连接部件的放松使压力由F0减至F1,F1称为残余预紧力。预紧力的变化使螺栓的总拉力F2并不等于F0与F之和。
图2是采用线型图显示螺栓变形关系。螺栓变形量由原点Ob向右表示而被连接部件的压缩变形量由Om向左量起表示。施加预紧力F0后,螺栓变形如图2所示,螺栓和被连接件受力均为F0,此时没有工作拉力。
图2螺栓变形线型图
由图2可见,螺栓受到工作拉力F后,螺栓承受的总拉力F2为残余预紧力F1与工作拉力F之和,即
F2=F1+F
由图2中的几何关系可得:
(1)
式中,Cb、Cm分别表示螺栓和被连接件的刚度。由图可得:
F0=F1+(F-ΔF)
(2)
或
ΔF=CbCb+CmFΔF=CbCb+CmF
因此螺栓的预紧力为:
(3)
螺栓的总拉力为:
通常为了工程应用中的计算方便,常将预紧力F0和残余预紧力F1与工作载荷F建立以下关系式:
F0=C1F,F1=C2F
因此螺栓所受总拉力可简化为:
F2=(1+C2)F
F1=(χ+C1)F
设计螺栓连接时可根据螺栓的工作条件得出工作载荷F,总拉力计算时取以上两式中的较大值。获得F2的值后即可根据螺栓材料的许用应力进行强度计算。螺栓工作和拧紧时的受力形态不同,螺栓在拧紧时同时承受拉力和扭转力矩。考虑到扭转力矩的作用,因此计算螺栓最终的拉力时,通常在螺栓总拉力基础上提高30%。由此可得螺栓设计时的边界条件为。
式中σca为计算应力,d1为螺栓危险截面直径。安全系数法就是计算时选用一个安全系数值来计算许用拉应力[σ]。受预紧力的螺栓连接设计时,安全系数一般取1.2~1.5。
2螺栓连接实例分析
这里以公司某动车组项目底架悬挂设备连接螺栓为例进行可靠性分析:制动控制单元阀S阀:重量为55kg,由4个M10×60不锈钢螺栓悬挂于车底C型槽内,螺栓材料为A4-80并采用了A4材料的锁紧垫圈。螺栓承受预紧力和工作拉力,而工作拉力主要由设备的重量产生。国标GB/T3098.6-2000中规定M10螺栓的危险截面直径d=8.375mm,机械性能抗拉强度σb=800MPa,非比例伸长应力σ0.2=600MPa。依据上文给出的计算思路和方法可以得到可得螺栓连接计算应力σca=64MPa。这时以螺栓的屈服极限为基准的安全系数
,以螺栓的抗拉强度极限为基准的安全系数。因此在本实例中,
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