动车组车下铆接结构分析及状态评估

李孝勇　万国强　李来彬

摘 要：文章针对动车组车下铆接结构进行结构分析，对已运用10年的动车组用结构件进行分解研究，评估其运用状态。

关键词：铆接结构；动车组；失效分析；疲劳试验

1 概述

铆接结构作为一种有效的机械连接形式，在机械结构中被广泛应用[1]。由于铆接结构具有良好的安装性能、防松性能、特有的抗剪力和高夹紧力[2]、低检修、免维护性等特点，在高速动车组领域得到了广泛应用。高速动车组是一个复杂的系统工程，轮轨耦合及高速运行产生的气动载荷对车下铆接结构影响较大，在动车组高速运行时，若铆接结构存在失效，会造成飞溅，容易击伤人或击打到其他设备，甚至会造成设备脱落，酿成严重后果。为保障列车的安全、可靠运营，消除安全隐患，需对高速动车组车下铆接结构进行结构分析及状态监控。

2 车下铆接结构的应用

（1）设备安装用铆接结构如图1所示、管线支架铆接结构。

（2）设备舱底板用铆接结构如图2所示。

3 铆接结构分析

（1）安装设备用铆接结构，铆钉承受横向剪切、结构共振等复合载荷，可能会使基体安装孔变形，从而导致铆钉倾斜，引起设备异常振动；铆钉承受垂向拉伸载荷也可能改变锁紧环与铆钉圆弧凹槽密贴程度，导致预紧力的下降。

（2）设备舱底板组装大量采用铆接结构，由于此结构直接暴露在车辆底部，受结构共振、气动载荷的影响，可能会使铆钉产生疲劳断裂，导致铆钉脱落。

4 研究的内容及方法

4.1 对车下铆接结构分解研究

对已经运用10年的铆接结构进行分解检查，以换气装置逆变器用铆接结构作为试验样件如图3所示。

4.1.1 研究方法

自铆钉套环与垫块的交界处将铆钉切断，铆钉自动从孔内脱出，对铆接母材、铆接件、垫片、铆钉、铆钉套环周边进行形貌观察，对横梁安装孔和过渡梁安装孔进行圆度检测，对各部件进行探伤。以研究各安装部件是否存在裂纹，各安装面是否存在相互运动产生的摩擦痕迹，各安装孔圆度是否存变椭圆的迹象，以判断铆接结构是否失效或存在失效趋势。

4.1.2 研究过程

（1）通过对各部件形貌检测，各接触面之间未见明显的微动磨损形貌，证明各部件之间的紧固状态良好。

（2）由于设备过渡支架与横梁对使用安全影响最大，故仅对两者的孔尺寸进行计量，评估是否存在塑性变形。测量结果见表1。数据显示两个孔的直径都不均匀，圆度不均匀；由于铆钉孔呈腰鼓形（中间粗、两端细），这种形状也不太可能是工作时磨损所致。孔圆度不均匀应不是工作过程中发生的变形，可能与加工有关。

（3）将各部件沿轴向剖切成两半，进行荧光检测，未发现裂纹显示。

（4）采用体视显微镜，对七部件的孔内壁形貌进行观察，各部件形貌均不符合典型的微动磨损特征。

（5）对铆钉表面进行荧光检测，未发现裂纹。用体视显微镜观察，其表面未见明显损伤。

4.1.3 小结

根据以上检测结果，各接触面之间未见明显的微动磨损形貌，铆钉孔圆度测量不均匀，无损检测未见裂纹，孔内壁无微动损特征，铆钉表面形貌正常且未见损伤。证明铆接结构无失效特征，目前状态良好。

4.2 设备舱底板研究

系统了解其铆接结构的性能，对设备舱底板用铆钉进行了机械性能检测和疲劳试验验证。

4.2.1 机械性能检测

选取在设备舱底板中应用较为广泛的铆钉（不锈钢铆C6L90-U8-3），进行拉伸试验与剪切试验，测试结果见表2。

根据检测结果，样件的最小抗剪切载荷为12.65KN大于标准规定值12.25KN，最小抗拉力载荷为17.68KN是标准规定值的1.4倍，试验结果表明此种铆钉本身的机械性能符合要求。

4.2.2 铆接结构疲劳试验

疲劳试验子样件选取典型铆接结构，共计8个子样件。采用MTS810材料试验机，进行拉伸疲劳试验[3]，采用对称循环进行加载试验，即循环应力比为r=-1。子样件材质为不锈钢（SUS304，厚度3mm），采用铆钉C6L90-U8-3（不锈钢），铆钉套环3LC-2CU-8（不锈钢），试验现场图见图4，试验数据见表3。

试验中对疲劳试验次数超过200万次的工件按照200万次记录，数据见表3，结果表明，设备舱底板用铆接的疲劳断裂次数随拉伸力的增加而减少，在拉伸力达到2KN时，疲劳断裂次数出现锐减。但工件5的试验结果与相近工况的试验结过果差别很大，结合样件断口的形貌，分析为施工不规范导致，表明施工的差异性对铆接性能的影響很大。

4.2.3 小结

结合铆钉的机械性能和疲劳试验结果，铆接结构的断裂形式表现为铆接件首先发生变形断裂，证明铆钉的强度满足设备舱运用要求。另外，观察铆钉断裂部位的铆接件母材，无1例母材裂纹，说明结构强度满足运用要求。

5 结束语

经过以上车下铆接结构的研究，结果表明设备安装用铆接结构安全可靠，运用状态良好。设备舱用铆接结构的强度设计满足要求，设计安全可靠。证明车下铆接结构的设计满足动车组运用要求，且运用状态良好。

参考文献

[1]张洪双.铆接工艺参数分析[J].机械设计与制造，2011（6）：241-243.

[2]肖贵.哈克拉铆钉技术在车辆中的应用[J].科技经济市场，2010（7）：20.

[3]吴志伟.拉铆钉工艺在客车车身轻量化中的应用[J].产业与科技论坛，2015，14（8）：68-69.

作者简介：李孝勇（1983-），男，中车青岛四方机车车辆股份有限公司技术中心，从事动车组的研发设计工作。