一种基于VDI2230的轨道车辆轴箱螺栓联接强度评估方法

2020-08-01李维岗刘卫白文虽

机械工程师 2020年7期

李维岗，刘卫，白文虽

（中车山东机车车辆有限公司，济南250022）

0 引言

德国工程师协会（VDI）编写的关于高强度螺栓连接计算的参考标准VDI2230，是以前的VDI设计组ADKI和现在的VDI联合会设计分部的螺栓连接委员会多年工作的成果。VDI2230标准在德国及其他多个国家都得到了相当广泛的运用，其适用于高强度螺栓的强度校核，实践超过多年，被广泛认可和参考。其最新版本包含两部分，分别是关于单圆柱螺栓连接和多螺栓连接的高应力螺栓连接系统计算。特别是在第二部分多螺栓连接的高应力螺栓连接系统计算中，关于有限元法在螺栓连接系统计算中的建模要求和应用方法进行了详细的规定[1-2]。借助于有限元分析工具，并采用VDI2230中第一部分和第二部分中规定的计算方法和建模要求，可以解决复杂情况下的螺栓连接强度评估。

轴箱是轨道车辆轮对与侧架或构架连接在一起的装置，能够将轮对沿钢轨的滚动转化为车体沿线路的平动，并起着承受车辆重量、传递各方作用力的作用[3]。轴箱体与轮对之间采用轴承进行连接，并采用轴箱前盖将轴承定位在轴箱体内，轴箱体与轴箱前盖之间则采用螺栓进行连接。由于轴箱母材强度小于螺栓强度且轴箱体和轴箱前盖之间存在间隙（约1 mm），螺栓预紧力过大将导致轴箱体螺纹孔损坏和轴箱前盖发生塑性变形甚至断裂，螺栓预紧力过小则导致车辆运行过程中轴承窜动而损坏。因此，合理计算出轴箱螺栓连接的预紧力，对轴箱螺栓进行连接强度评估具有重要意义。

1 轴箱螺栓联接简介

1.1 轴箱介绍

本文中的多式联运轨道车辆轴箱由轴箱体、轴箱前盖、轴箱后盖、轴承、压板和螺栓等组成。轴箱体和轴箱前盖在轴向配合面上存在1 mm的间隙；轴箱体内表面和轴箱前盖在径向上属于精密配合，最大配合间隙为0.1055 mm。轴箱体上设有螺纹孔，轴箱前盖通过4个M16×40的六角头螺栓与轴箱体的螺纹孔连接，将轴承固定在轴箱体内。本文以轴箱体和轴箱前盖的螺栓联接为例，说明VDI2230标准螺栓联接强度评估方法。此轨道车辆转向架轴箱剖视图如图1所示。

图1 某轨道车辆转向架轴箱剖视图

1.2 设计参数

轴箱体和轴箱前盖都是采用拉伸强度极限为600 MPa的铸钢（G24Mn6+QT3）材料。轴箱体和轴箱前盖连接所选用的螺栓规格为M16，强度等级为8.8级。螺栓预紧方法是采用精密转矩扳手进行预紧。其基本参数如表1所示。

表1 螺栓连接参数表

2 载荷工况和分析模型

在采用VDI2230标准对轴箱体和轴箱前盖螺栓联接强度进行评估前，需研究轴箱承受的载荷，明确哪些载荷将对螺栓联接强度构成影响，进而确定螺栓联接有限元分析模型。

2.1 载荷工况

轴箱载荷是在轨道货车运营过程中产生的，包括车辆载重、车体自重和转向架簧上重力等在重力加速度作用下产生的垂向载荷，以及轨道货车在过载情况下（垂向和横向上），转向架框架承受来自1%轨道扭转的载荷[4]。因此，轴箱的载荷主要是由于垂向载荷、横向载荷和扭转载荷造成的。其中，扭转载荷将根据轴箱弹簧组刚度和转向架轴距换算成垂向载荷。

垂向载荷作用于轴箱体弹簧座，对螺栓预紧力计算影响非常小。横向载荷作用于轴箱体横向止挡板，螺栓预紧力不足则导致轴承滑动，预紧力过大则导致轴箱端盖或轴箱体螺纹等破坏。因此，轴箱体和轴箱前盖螺栓预紧力的计算只需要考虑横向载荷的影响。根据EN 13749:2011标准计算得到轴箱体和轴箱前盖螺栓的强度工况如表2所示[4]。

表2 轴箱计算工况

强度工况用于计算螺栓的预紧力和静强度，疲劳工况用于计算螺栓疲劳强度。

2.2 有限元模型

本文采用实体单元建立转向架轴箱的有限元模型，建立螺栓模型[5]。整体网格数量为122 619。某轨道车辆转向架轴箱有限元模型如图2所示。

图2 某轨道车辆转向架轴箱有限元模型

在对轴箱体和轴箱前盖螺栓联接进行有限元分析时，对轴承假体的内圈施加约束，在轴箱横向止挡上施加横向载荷[5]。轴承假体与轴箱体、前端盖之间，轴箱体与前端盖之间，垫圈与螺栓、前端盖之间，均采用摩擦接触关系。轴箱有限元建模时考虑了螺栓的预紧力。每个载荷工况考虑两个载荷步：第一个载荷步先施加螺栓预紧力，第二个载荷步在保持螺栓预紧力不变的情况下，施加横向载荷[6]。

3 螺栓联接强度评估

为了说明轴箱这种存在间隙的螺栓联接强度的评估方法，本文将按VDI2230标准的步骤进行计算[1]。

3.1 初始条件

轴箱体采用最小屈服点应力Rp0.2min= 400 MPa的铸钢（G24Mn6+QT3）材料。轴箱体和轴箱前盖连接所选用的螺栓为4-M16×40的8.8级六角头螺栓（DIN EN ISO 4014），采用热处理前滚压螺栓螺纹（SV），偏心夹紧连接。轴箱体和轴箱前盖连接面最大横向载荷为FAmax= 41.79 kN。

3.2 拧紧系数

该螺栓采用精密转矩扳手进行拧紧，根据VDI2230标准中表A8确定拧紧系数αA=1.6。

3.3 最小夹紧载荷

通过前文对轴箱结构和载荷特点进行分析后可知，轴箱的横向载荷将由4颗螺栓共同承受。因此，每个螺栓的最小夹紧载荷计算公式为

则每个螺栓的最小夹紧载荷FKerf=10.448 kN。

3.4 划分工作载荷/载荷系数

本部分主要是计算螺栓和被联接件的柔度，从而在后续步骤中计算分界面嵌入和最大横向载荷导致的螺栓预紧力损失。但由于轴箱体和轴箱前盖在轴向配合面上存在1 mm的间隙，被连接件未紧密贴合，螺栓柔度和被连接件柔度转化为端盖螺栓孔中心位置处的柔度。因此，只需在轴箱联接有限元模型中计算在最小夹紧力下端盖螺栓孔中心位置处的最大变形量，即可计算出端盖螺栓孔中心位置处的柔度。

经轴箱联接有限元计算得到最小夹紧力下端盖螺栓孔中心位置处的最大变形量ε=0.049 mm，则端盖螺栓孔中心位置处的柔度为

3.5 预加载荷变化

按照VDI2230标准，表面嵌入导致的预紧力损失计算公式如下：

参照VDI2230标准中表5，在Rz≤10 μm，且没有剪力的情况下，螺纹中的嵌入量为fZ1=3 μm，螺栓头支撑面嵌入量为fZ2=2.5 μm，轴箱体和轴箱前盖之间存在1 mm间隙没有嵌入，则总嵌入量为

则预加载荷变化量为

3.6 最小装配载荷

最小装配载荷需要考虑最小夹紧力、表面嵌入导致的预加载荷变化量、最大横向载荷导致螺栓预紧力损失量和温差导致的预紧力损失量。按照VDI2230标准，计算公式如下：

3.7 最大装配载荷

3.8 装配应力

按照VDI2230标准要求，许用装配预加载荷FMzul计算选取的最终施加在螺栓上的预紧力，需不小于最大装配载荷FMmax。同时VDI2230标准中第5.5.3节要求，对于热处理前滚压螺栓螺纹（SV），平均螺栓载荷FSm和相应螺栓最小屈服点的载荷F0.2min需在0.3≤FSm/F0.2min≤1的有效范围内。根据VDI2230标准中表A11规定，8.8级M16螺栓最小屈服点的载荷F0.2min=100 kN，则许用装配预加载荷FMzul不应小于30 kN。

VDI2230标准中要求许用装配预加载荷产生的装配应力不应超过90%的最小屈服点应力Rp0.2min，即轴箱体和轴箱前盖应力不超过360 MPa，螺栓应力不超过576 MPa。在轴箱螺栓联接有限元模型中仅施加30 kN的螺栓预紧力进行计算，提取轴箱和螺栓的应力分析结果。据此计算出许用装配预加载荷FMzul= 34 kN。