轨道车辆转向架安全吊连接螺栓紧固件强度研究

张镇川++刘洪涛

摘 要：安全吊作为转向架关键构件，直接影响车辆运行时的动力学特性及行车安全。本研究以转向架安全吊紧固螺栓为研究对象，针对新旧两种不同结构安全吊进行受力分析，进行安全吊螺栓紧固件强度分析计算，分析新旧安全吊的螺栓紧固件安全可靠性。

关键词：转向架；安全吊；螺栓；强度

1 前言

作为轨道车辆的最重要组成部分之一，转向架的设计需满足载荷大，冲击振动强的恶劣工况。安全吊处于应力、振动集中部位，这对安全吊的设计也提出了较高的要求[1]。在列车实际运行过程中，转向架安全吊发生破损甚至断裂失效的风险，对行车安全造成极大安全隐患，对安全吊可靠性研究十分必要[2]。

本研究根据现有安全吊上加速度数据，以弹性力学模型进行理论验证原有和新型安全吊连接螺栓的强度是否满足需求。

2 安全吊连接螺栓结构

转向架安全吊为拱形扁钢结构，在车辆运行中起到轴箱与构架的限位作用[3]，通过螺栓连接安装在转向架轴箱上方。

转向架安全吊底部两边由插入到螺栓孔和转向架轴箱的螺栓固定。

安全吊固定螺栓为铰接型螺栓，用于限制安全吊在垂向竖直方向及纵向车辆行进方向的位移；在垂向和纵向承受剪力的作用。当安全吊承受横向平行车轴方向的力作用的时，螺栓通过螺栓头部分限制和保证安全吊以及轴箱的接触部分的固定；在安全吊受到横向力作用时，以安全吊与轴箱接触部分的下端成为支点，螺栓受到轴向拉力或压力作用。

考虑当安全吊在纵向力或垂向力作用下时，连接螺栓仅提供剪切力以平衡受力；和在向外或者向内的横向力作用下时，连接螺栓提供抗拉应力以平衡所受轴力。

利用弹性力学简化模型，验证螺栓是否超过抗剪和抗拉强度：力学模型简化为由两个螺栓固支的悬臂结构：垂向或者纵向受力时，受到平面外剪切作用；横向力作用时受到轴向拉力作用[4]。

旧安全吊螺栓采用M12x90规格六角头螺栓，强度等级8.8级；新型安全吊采用M12x100规格六角头螺栓；此M12螺栓的强度等级10.9级。旧安全吊质心坐标为（0，102.38）；新安全吊质心坐标为（0，107.23）。

3 安全吊加速度测试

被试转向架1-4位安全吊中，选取4位安装旧安全吊，选取2位安装优化改进后的新安全吊。在被试转向架2、4位安全吊中间位置布置加速度传感器，共2个测点，测量垂向竖直方向，即Z向；纵向车辆行进方向，即X向；横向平行车轴方向，即Y向；在被试转向架2、4位轴箱端部位置布置加速度传感器，测量X向、Y向和Z向三轴加速度。

4 新旧安全吊螺栓强度分析

通过对安全吊和轴箱上加速度的测试表明：随测试区间线路变化，相同测点纵向、横向和垂向振动加速度变化趋势一致，相比于纵向和垂向振动加速度，横向振动加速度幅值较大，安全吊上最大横向振动加速度在某些区间段甚至超过500g。

在横向力作用于安全吊时，分为受到对外横向力和对内横向力两种情况。当安全吊受到对外横向力作用时，螺栓产生的受力为安全吊横向力与轴箱支点的反力的和。方向向外的横向加速度将引起螺栓产生更大的抗拉力。

当安全吊受最大横向加速度作用时，将会对螺栓紧固部分产生沿螺栓的长度方向的拉伸作用。测定的平行于旧安全吊顶部最大瞬时横向加速度为向外671g，同一时刻轴箱的瞬时加速度是10g，产生661g的相对加速度；测定的平行于安全吊最大瞬时横向为向内方向，记为-813g，同一时刻轴箱的瞬时加速度是-15g加速度，产生-828g的相对加速度。以向外受到横向加速度的模型计算。在旧安全吊质心m处产生加速度448g；新安全吊质心m处产生加速度-578g。在该加速度下，旧安全吊质心处产生的力F1与轴箱支点产生的支座反力F2，力臂Ymt设为20mm：

相应的螺栓受到的轴向力F：

以最不利情况假设，造成螺栓受到轴力为安全吊横向和轴箱反力之和，新安全吊质心处产生的力F1′与轴箱支点产生的支座反力F2′，力臂Ymt′ 设为20mm：

相应的螺栓受到的轴向力F：

对于旧安全吊任一个螺栓，其最大抗拉应力水平：

对于新安全吊任一个螺栓的最大抗拉应力水平：

当旧安全吊顶部承受661g的最大横向加速度作用时，在螺栓部位计算出的截面最大抗拉应力大于许用应力183MPa。当螺栓的抗拉应力超过许用应力，其强度失效。

计算导致松脱的横向加速度：按照ISO4014-1999标准，该螺栓的许用应力183MPa，则该螺栓受到的旧安全吊的加速度a21作用需要满足，轴向力：

计算得到临界加速度a21：

其对应旧安全吊顶端的加速度506g。当旧安全吊顶部的对外横向相对加速度超过506g时，螺栓受到的抗拉应力将超过其许用应力。

当新安全吊顶部承受828g的最大横向加速度作用時，在螺栓部位计算出的截面最大抗拉应力小于钢材的屈服强度，小于螺栓的许用应力。螺栓强度满足正常使用要求。

计算导致松脱的横向加速度：螺栓的许用应力257MPa，该螺栓受到的新安全吊的加速度a21′ 作用需要满足，受到的轴向力：

计算得到临界加速度a21′：

其对应新安全吊顶端的加速度1553g。当新安全吊顶部的横向相对加速度超过1553g时，螺栓受到的抗拉应力将超过其许用应力，本次监测值为828g。

根据以上对新安全吊连接螺的强度验算总结，连接螺栓能够满足正常使用的需要。

5 结论

1.本研究分析了新旧两种不同结构安全吊的螺栓紧固件强度，完成了实际线路运行中转向架轴箱和安全吊的加速度数据测量，测得安全吊横向加速度较大，在恶劣线路工况中，横向加速度甚至超过了500g。

2.安全吊螺栓在横向加速度作用下，以向外方向横向力为最恶劣工况分析，当加速度超过506g时，旧安全吊螺栓强度不符合要求，新安全吊可完全满足恶劣工况需求，并具有较大可承受极限加速度余量，安全系数更高。

参考文献：

[1] Nenov N G， Dimitrov E N， Ruzhekov T G. Device and technology of wagon bogie Y25Lsd testing[C]//Electronics Technology， 2009. ISSE 2009. 32nd International Spring Seminar on. IEEE， 2009： 1-6.

[2] ho Shin K. A study of selecting components for Condition-Based Maintenance through failure data analysis of railway vehicles[J]. IJAR， 2015， 3（3）： 259-264.

[3] 曹文晔. 209P 型客车转向架摇枕安全吊座断裂原因及改进建议[J]. 铁道车辆， 2007， 45（12）： 35-36.

[4] 黄炎. 工程弹性力学[M]. 清华大学出版社， 1982.endprint