钢轨打磨车隔离变压器安装螺栓强度分析

阳清泉，吴 勇，黄细友，刘元平，陶 泽

（中车株洲电机有限公司，湖南 株洲412001）

机车车辆运行过程中，工况复杂，变压器安装时应选取合适的螺栓，以保证变压器在机车运行时保持平稳及紧固。文章对钢轨打磨车隔离变压器的安装螺栓静强度和疲劳强度进行计算和校核，确认产品在极端的工作条件下能够正常工作。

1 螺栓技术参数

隔离变压器安装于车体下方，靠螺栓将其与车体连接在一起，防止出现滑动或相互脱开。选择螺栓时需考虑车辆的运行条件，螺栓的强度必须满足不同载荷情况下的应力要求；对于动态或静态负载的螺栓连接的功能而言，应存在一定的预紧力，螺栓的拧紧力矩必须保证变压器在机车运行过程中不发生滑动。

隔离变压器安装螺栓组的分布及加速度方向如图1 所示，其纵向，横向与垂向加速度分别如图1中ax，ay与az，图中1-8 标识为螺栓安装位置。

图1 变压器螺栓分布及加速度方向图

隔离变压器的质量为3550kg，螺栓组所在平面与变压器重心在垂直方向上的距离为345mm，螺栓中心与结合面对称轴纵向距离均为841mm，螺栓中心与结合面对称轴横向最远距离为256+120=376mm。变压器安装螺栓技术参数如表1 所示：

2 载荷条件

根据IEC61373-2010《轨道交通—机车车辆设备冲击和振动试验》的规定，牵引变压器共受到以下3 种冲击超常载荷工况，这3 种载荷工况是：

（1）垂向3g 加速度；

（2）横向3g 加速度；

（3）纵向5g 加速度；

根据EN12663-1：2010《铁路应用—铁路车辆车体结构要求》的规定，牵引变压器运用加速度载荷为：

（4）纵向加速度 ax=0．2g

（5）横向加速度 ay=0．15g

（6）垂向加速度 az=1±0．15g

3 判断依据

根据有关载荷是否为静态负载或疲劳负载（运用载荷）确定相应的许用安全系数：在冲击载荷工况下，允许应力与计算应力的比值应大于或等于S1（S1=1．15）。

在运用载荷工况下，允许应力与计算应力的比值应大于或等于S2（S2=1．5）。

其中：σS为材料屈服强度，N/mm2。σ 为计算应力，N/mm2。

4 计算公式

螺栓的总拉力：

式中：P0为预紧力；P 为工作载荷；KC—螺栓的相对刚度系数，取值0．25。

螺栓预紧力：

式中：T 为拧紧力矩；K 为拧紧力矩系数，取值0．28。

倾覆力矩对螺栓产生的载荷：

式中：M 为倾覆力矩；Li为各个螺栓的力臂。

螺栓残余预紧力为：

螺栓的摩擦力：

式中：Kn为可靠性系数，取1．2；f 为连接摩擦副摩擦系数，取0．3；n 为螺栓个数；i 为摩擦面数量。

螺栓的拉应力：

5 隔离变压器安装螺栓强度校核

螺栓强度计算包括：静止时的强度校核、考核冲击载荷时的强度校核以及运用中的疲劳强度校核。

5.1 静止时的螺栓强度校核

自身重力给单个螺栓的力：P=mg/n=3550×9．8／8＝4348．8N

螺栓的预紧力：

螺栓总拉力与应力：

根据EN12663 标准校核：

因此螺栓强度满足要求。

5.2 考核冲击载荷时的强度校核

纵向加速度产生的力：Fx=max=3550×5×9．8=173950N。

横向加速度产生的力：Fy=may=3550×3×9．8=104370N。

垂向加速度产生的力：Fz=maz=3550×3×9．8=104370N。

根据螺栓安装状态可知，螺栓纵向加速度与横向加速度产生倾覆力矩作用到螺栓轴向方向，垂向加速度产生的力与螺栓预紧力方向一致。设定纵向加速度向右，横向加速度向外，采用公式（3）分别计算出纵向和横向加速度对螺栓的最大载荷。

纵向加速度的影响对螺栓的最大载荷：

横向加速度的影响对螺栓的最大载荷：

垂向加速度对螺栓的载荷：

隔离变压器安装螺栓在水平面以中心对称布置。隔离变压器不产生滑移的条件，轴向力产生的摩擦力大于水平安装面内的合力。利用公式（1）与公式（4）（5）的转换计算螺栓组的摩擦力为：

横向与纵向的合力：

可知，横纵向力的合力小于螺栓组的摩擦力，即F＜F’，因此螺栓预紧是安全的，结合面不会产生相对滑移。

由于垂向加速度向下将增大螺栓的拉力，因此设定螺栓垂向加速度向下进行分析。3 个方向的加速度对螺栓的载荷方向一致时，其螺栓拉力最大：

螺栓的最大总拉力：Pmax=P0＋KcPmax=158390.6N

螺栓轴向最大拉应力为：

根据EN12663 标准校核：

因此螺栓强度满足要求。

5.3 螺栓疲劳强度校核

纵向加速度产生的力：Fx=max=3550×0.3×9.7=6958N。

横向加速度产生的力：Fy=may=3550×0.15×9.8=5218.5N。

垂向加速度产生的力：Fz=maz=3550×1.15×9.8=40008.5N。

纵向加速度对螺栓的最大载荷：

横向向加速度对螺栓的最大载荷：

垂向加速度对螺栓的最大载荷：

3 个方向的加速度对螺栓的载荷方向一致时，螺栓拉力最大，其载荷进行合成为：

螺栓的最大总拉力：

螺栓轴向最大拉应力为：

根据EN12663 标准校核：

因此螺栓的疲劳强度满足要求。

6 结 语

综上所述，隔离变压器在运用载荷和冲击载荷的作用下，均满足最大拉应力小于相应许用应力、最大疲劳应力小于相应许用疲劳应力的要求，满足EN12663 标准规定安全运用要求。