转K4转向架摩擦板紧固螺钉断裂原因分析

王向才 尚顺毅

（1.吉林铁道职业技术学院铁道机车系，吉林吉林 132200；

2.无锡地铁集团有限公司运营分公司，江苏无锡 314171）

转K4转向架摩擦板紧固螺钉断裂原因分析

王向才1尚顺毅2

（1.吉林铁道职业技术学院铁道机车系，吉林吉林 132200；

2.无锡地铁集团有限公司运营分公司，江苏无锡 314171）

分析转K4型转向架摩擦板紧固螺钉断裂的原因，并对车体相对旁承运动进行有限元分析，分析结果与实际断裂一致，据此提出改进意见，及时作出相应处理，确保铁路运输秩序正常。

紧固螺钉；断裂原因；有限元分析

转K4型货车转向架是在我国铁路提速的大战略下，依靠引进美国先进技术、我国技术再消化的基础上开发出的新产品，目前主要装于C64、P65等车型上，试验速度达到了146km/h。转K4转向架采用常接触摩擦式弹性旁承，即转向架摩擦板与旁承体上部用2个M8螺钉连接，在提速货车120km/h可靠性试验中［1］，发现连接摩擦板与旁承体上部的螺钉存在严重的弯曲变形后断裂，并造成下旁承摩擦板窜出后丢失，旁承体上部的螺钉孔有横向偏磨（最大偏磨宽度达4mm，偏磨深度达8mm），破坏后的螺钉及螺钉孔如图1所示。

1 原因分析及验证

1.1 原因分析

因螺钉孔的直径比螺杆大，在有较大横向力作用下，车体相对下旁承发生横向位移，螺钉头部受到旁承摩擦板的剪切挤压，螺钉承受弯矩屈服塑变，此时螺钉杆承受弯、拉组合载荷；同时螺钉挤压螺钉孔。经过多次循环，螺钉横向偏磨旁承体上部的螺钉孔，螺钉孔严重横向偏磨，螺钉变形，甚至断裂破坏。

图1 破坏后的螺钉及螺钉孔

1.2 建模及验证

一般螺钉在剪切载荷作用下，螺钉头部承受巨大的

剪切载荷而剪切破坏，但该螺钉的破坏位置与一般螺钉破坏不同，是在螺母处断裂破坏。为了精确地模拟螺钉的受力过程，笔者采用有限元分析法对该螺钉的破坏进行分析。分析中假设螺钉孔的直径比螺钉的直接大1mm，采用8节点6面体单元对模型进行离散，共使用节点24 982个，单元21 172个。而货车在运行过程中，车体相对旁承将发生横向和垂向位移［2］。

1.2.1 横向位移载荷确定。由于存在尺寸公差，上、下心盘间以及旁承体组成与旁承盒之间有横向间隙，车体相对旁承发生横向位移。对于上、下心盘间的横向间隙，下心盘内径355+0.6mm，心盘磨耗盘壁厚6mm，上心盘外径338±1mm，不考虑公差，就可能有5mm的横向位移量［3］。包括公差，此处横向最大可能位移量6.6mm（不计心盘磨耗盘壁厚公差）。对于旁承体组成与旁承盒之间的横向间隙，摇枕旁承盒宽度100+3mm，旁承体宽度100-2mm，因此旁承处横向可产生最大位移5mm。

由此可见，在横向加速度足够大时，车体相对旁承会发生横向位移。另外，车体侧滚时也会引起增载侧上旁承相对于下旁承向外的横向微量位移。由此，在分析中取4mm的横向位移，其小于最大的可能横向位移。

1.2.2 垂向位移载荷确定。为了得到足够大的摩擦力，就必须给予足够大的正压力，为此取0.5mm的垂向位移载荷进行分析。其余在对称面上施加对称约束载荷，在旁承体上部与对称面的对面施加固定约束，分析过程中不考虑螺钉的预紧力。

图2 螺钉的示意图及8个监测点

1.3 结果与分析

螺钉的示意图及8个监测点如图2所示。从部分点的位移随时间的变化图可以看出，在周期载荷作用下，1、2、3监测点周围的区域是螺钉断裂区域，在整个过程中最高应力达到650Mpa；4、5、6监测点区域螺杆没有螺纹，从而没有由于螺纹而引起的应力集中，因此该区域的实际应力比1、2、3区域的应力小。从以上6个监测点的应力变化可以看出，在螺钉右表面螺杆达到屈服而产生永久塑性变形，这是螺钉破坏的主要原因；7、8监测点周围的区域为螺钉与螺孔接触区域，在整个过程中有最大450MPa的应力，此应力主要是压应力。图3为8个监测点中一个监测点1点的Von Mises应力随时间的变化图。

图3 监测点1点的Von Mises应力变化图

2 结论

通过有限元分析，结果和实际的破坏比较吻合，故螺钉被破坏的主要原因是螺钉孔直径比螺杆直径大，当车体相对旁承体上部有较大位移时，螺杆主要承受拉弯组合载荷而屈服变形，在周期载荷作用下，螺杆就在螺母处产生微裂纹，继而裂纹扩展断裂破坏。

基于以上分析，提出以下改进建议：①增加螺钉强度，建议使用大螺钉进行固定；②尽可能减小螺钉与螺钉孔的间隙，建议在螺钉孔上攻螺纹；③建议在下旁承体上部之下旁承摩擦板两侧部位增加挡边，以降低摩擦板与旁承体上部的相对位移。

3 结语

根据故障发生的情况，进行分析并推断，通过ANSYS软件进行了模拟，最终结果符合最初的分析及推断，在运用中及时作出相应处理，确保铁路运输秩序正常。

［1］陈昌煦.关于转K4型转向架首次段修的几点思考与建议［J］.铁道车辆，2004（1）：36-39.

［2］鲍维千.机车总体及转向架［M］.北京：中国铁道出版社，2010.

［3］孙守波.关于转K4型转向架摇枕斜楔摩擦面磨耗板开焊及裂纹的探讨［J］.铁道技术监督，2006（8）：15-16.

Fracture Reason Analysis of Fastening Screw of Zhuan K4 Bogie Friction Plate

Wang Xiangcai1Shang Shunyi2
（1.Railway Locomotive Department of Jilin Railway Technology College，Jilin Jilin 132200；2.Operation Branch of Wuxi Metro Group Co.Ltd.，Wuxi Jiangsu 314171）

This paper analyzed the fracture reason of fastening screw of zhuan k4 bogie friction plate,and made a fi⁃nite element analysis on the relative side bearing motion of the vehicle body,the analysis results was consistent with the actual fracture.Based on this,the improvement suggestions were put forward,and the corresponding treatment was made in time,to ensure the normal order of the railway transportation.

fastening screw；fracture reason；finite element analysis

U270.331

A

1003-5168（2016）10-0131-02

2016-09-11

王向才（1985-），男，硕士在读，讲师，研究方向：铁道机车车辆制动，铁道机车控制。