某型动车组转向架撒砂装置螺纹连接系统安全可靠性研究

王 奭

(中国铁路青藏集团有限公司, 青海 西宁 810007)

转向架撒砂装置的作用是增加雨、雪天气轮轨黏着性，保障列车行车安全。撒砂装置采用螺纹连接安装到轴箱体上，由于受到剧烈地轮轨振动激扰作用，系统评估螺纹连接的安全性和可靠性至关重要，为获取螺纹连接受到的工作载荷，本文对撒砂装置进行了随机响应分析，并提取螺纹连接工作载荷作为系统评估螺纹连接安全性和可靠性的输入条件。

随机响应采用频域方法进行分析，以加速度功率谱密度的形式输入激励载荷，并以功率谱密度的形式输出螺纹连接工作载荷，VDI 2230—2003eGermanAssociationofEngineers标准[1](以下简称“VDI 2230—2003e标准”)应用于实践超过40年，提供了一整套计算和评估螺栓连接的方法和步骤，被高度认可和广泛引用，本文基于VDI 2230—2003e标准系统评估了螺纹连接的安全性和可靠性。结果表明，车轮镟修可有效改善螺纹连接的性能。

1 有限元模拟

1.1 建立有限元模型

某型动车组转向架撒砂装置主要包括安装臂、排障板托架、加热装置及管线等部件，各部件主要由薄壁焊接构件组成，并由4个M20螺栓安装在轴箱体上，见图1(a)。建立有限元模型见图1(b)，主体结构采用ABAQUS软件中的Shell单元S4和Solid单元C3D8R；安装臂与托架之间的螺栓连接分别以Beam单元B31模拟螺栓，以MPC Beam模拟连接；安装臂座螺栓与安装臂座之间、安装臂座与轴箱体之间均采用接触，螺栓与轴箱体之间的螺纹连接采用绑定模拟。轴箱体与车轴之间为轴箱轴承，采用Hinge连接模拟两者之间的转动；采用Busing连接模拟转臂节点，并设置转臂节点的刚度。

1.2 模态计算与验证

模态是结构的固有属性，通过计算或试验分析的方法可获得结构的固有频率、振型等模态参数。在忽略阻尼的情况下，结构的模态参数可通过下式求解[2]

(K-ω2M)φ=0

( 1 )

式中：K为刚度矩阵；M为质量矩阵；ω为固有频率；φ为模态矩阵。

利用ABAQUS软件进行模态计算，计算结果见图2。模态试验在现车安装状态的撒砂装置上采用小锤锤击激励的方法开展，加速度传感器根据模态计算的振型结果进行布置。前4阶固有频率的模态计算和测试结果对比见图3。由图3可知，模态计算和测试结果基本相同，其中1阶频率相差18.98 Hz，误差为10.80%。

1.3 随机响应计算与分析

对于一个具有N自由度的结构，在随机载荷y(t)的作用下，频域内的动力学方程为[3-5]

(-ω2M+jωC+K)X(ω)=Y(ω)

( 2 )

式中：C为阻尼矩阵；X(ω)为频域内位移响应向量；Y(ω)为y(t)在频域内的载荷向量。

采用模态叠加法对撒砂装置进行随机响应分析，考虑其在自重及螺栓预紧条件下的振动响应，分析步骤依次为静强度计算、模态计算、随机响应计算。首先在静强度计算中考虑重力及螺栓预紧力的影响，然后进行考虑预应力的模态计算，最后基于模态叠加法进行随机响应计算[6-9]。在轴箱体与车轴配合部位施加垂向和横向加速度功率谱密度(ASD谱)作为激励见图4。由图4可知，镟修能够明显改善轮轨作用状况，减小振动冲击载荷。

撒砂装置随机响应计算与螺纹连接工作载荷提取及系统评估流程见图5，首先由加速度实测数据转换成加速度功率谱密度，然后作为激励求解系统的响应，并根据系统响应提取螺接结构的工作载荷，由于线路载荷是随机的，因此，此处工作载荷为均方根值，最终对螺接结构进行系统评价。

1.4 螺纹连接工作载荷计算结果

车轮镟修前后4个螺纹连接的工作载荷见表1、表2及图6，由表及图可知，镟修极大地减小了螺纹连接的工作载荷。以垂向加速度载荷作用下前端内侧螺栓为例，轴向工作载荷由镟前33 174.80 N减小至镟后2 538.87 N，减小约92%；横向工作载荷由镟前16 492.14 N减小至1 678.43 N，减小约90%；弯矩由镟前504 449.96 N·mm减小至镟后62 204.23 N·mm，减小约88%。

表1 车轮镟修前螺纹连接工作载荷

2 螺纹连接系统评估计算

2.1 VDI 2230—2003e标准计算

采用VDI 2230—2003e标准评估螺纹连接，首先应简化结构，分离出单个螺纹连接计算对象，见图7，然后按照下述步骤开展螺纹连接系统评估计算[5，10-14]。

表2 车轮镟修后螺纹连接工作载荷

Step1将公称直径、强度等级、拧紧力矩以及被连接件尺寸与材料参数等作为输入参数。

Step2采用显示扭力的扳手拧紧螺栓，拧紧系数αA= 1.6。

Step3确定最小预紧力FKerf，利用拧紧产生的静摩擦力传递横向载荷

( 3 )

式中：FQ为横向载荷；qF为接合面的数目，取1；μT为接合面摩擦系数。

Step4计算载荷系数φ

由于螺栓轴线与接合面中心线重合，螺栓轴向距离Ssym=0，载荷系数为

( 4 )

式中：n为载荷引入系数，表示载荷沿螺栓轴线的作用位置对载荷系数计算的影响；δS为螺栓轴向柔度；δP为被连接件轴向柔度，可首先将螺栓或被连接件简化为圆柱或圆锥，然后根据柱体或椎体柔度的计算公式进行计算。

(1) 螺栓柔度δS计算

根据VDI 2230—2003e标准，将全螺纹螺栓分为头部、连接和配合三部分，柔软系数的计算式为

δS=δSK+δGew+δGM

( 5 )

(2) 被连接件柔度δP计算

被连接件包含止转垫片、弹簧垫圈和钢管三部分，根据VDI 2230—2003e标准，表征螺栓预紧载荷作用最大范围的极限直径通过下式计算

DA,Gr=dW+2·lK·tanφE

( 6 )

由于dW

Step5预紧力变化FZ

拧紧过程，被连接件之间的粗糙峰被压平，预紧力会有所减小，减小值为

( 7 )

式中：fZ是螺栓、螺母和被连接件接合面压紧粗糙峰后的浸入量，可查阅相应表格确定。

Step6确定预紧力FMzul

由于已经确定拧紧力矩MA，FMzul根据下式确定

( 8 )

式中：P为螺距；d2为螺栓节圆直径；DKm为螺栓头部或螺母压紧面有效直径；μG为螺纹配合部位摩擦系数；μK为头部压紧面摩擦系数。

Step7计算工作应力σred,B

总螺栓轴向载荷

FSmax=FMzul+φFAmax

( 9 )

最大拉伸应力

(10)

式中，A0是螺栓最小断面面积。

最大扭转应力

(11)

式中：MG是由于拧紧而产生的扭矩；WP是抗扭截面系数。

工作应力

(12)

屈服安全系数

(13)

Step8计算疲劳应力σab

(14)

式中：将螺纹连接受到的疲劳载荷等效为正弦载荷，σSAbo、σSAbu分别为正弦载荷上限值、下限值作为轴向工作载荷引起的螺栓应力。

疲劳安全系数

(15)

式中：σAS为螺栓疲劳极限值。

Step9计算表面压力pmax

装配状态

(16)

式中：Apmin是最小接合面接触面积或考察的接合面接触面积。

工作状态

(17)

式中：FSAmax是轴向工作载荷在螺栓上的分量，即式( 9 )中φFAmax。

抗压安全系数

(18)

式中：pG为材料的抗压强度；pM/Bmax取pMmax和pBmax的大值。

Step10抗滑移安全系数SG和剪切应力τQmax

工作状态，残余预紧力最小值为

(19)

传递横向载荷所需的预紧力为

(20)

安全系数

(21)

如果横向作用力克服了静态摩擦力，就出现了横向滑移，此时需要校核剪切应力是否超出许用剪切应力τB

(22)

式中:Aτ为承受横向载荷时螺栓的抗剪截面积。

2.2 计算结果及分析

根据Step1～ Step10，计算得到图8车轮镟修前后撒砂装置安装座4个螺纹连接的安全系数。

由图8可知：

(1) 车轮镟修前后，螺栓屈服安全系数SF>1.0，即螺栓不会发生屈服失效。

(2) 车轮镟修前，前端内侧等部分螺栓疲劳安全系数SD<1.0，即螺栓持续受载情况下，会发生疲劳损伤；车轮镟修后，所有部位的螺栓疲劳安全系数SD>1.0，螺栓不会发生疲劳。

(3) 车轮镟修前，抗滑移安全系数SG<1.0，螺接结构会出现滑移；车轮镟修后，安全系数SG>1.0，螺接结构不会出现滑移。

(4) 在车轮镟修前后抗压安全系数Sp和抗剪安全系数SA均>1.0，满足要求。

3 结论

本文研究了撒砂装置有限元模型模态方法，并以车轮镟修前后的线路实测数据作为有限元计算的边界条件，提取螺纹连接受到的等效正弦载荷，最后根据VDI 2230—2003e标准系统评估了螺纹连接性能，定量给出了各项安全系数。结果表明：(1)车轮镟修前后，螺栓屈服安全系数、抗压安全系数和抗剪安全系数等均满足要求，螺栓疲劳安全系数和螺纹连接抗滑移安全系数由<1.0变为>1.0；(2)螺栓疲劳性能有较大改善，且被连接件之间不再发生滑移；车轮镟修对改善螺纹连接的安全性和可靠性，效果显著。(3)所形成的流程和方法对除撒砂装置之外的其他车辆安装设备螺纹连接计算和评估具有指导意义。