动车组客室门连接螺栓疲劳强度分析

摘要：门系统是动车组列车的主要组成部件之一，对列车运行稳定性有着重要影响。车门与动车车体之间通过螺栓连接，螺栓一旦发生故障，将直接导致车门故障甚至脱落，对社会财产和人身安全造成难以预估的影响。现以车体和车门连接螺栓为研究对象，建立螺栓有限元模型，仿真获得车门运行过程中螺栓所受最大载荷，通过计算螺栓强度、交变载荷、表面接触压力、防滑可靠性等参数对螺栓强度进行校核。计算结果表明，动车组客室门安装螺栓强度符合标准要求，可为动车组车门安装螺栓选择及螺栓强度校核提供参考。

关键词：动车组;客室门;螺栓;有限元;强度校核

0 引言

螺栓是动车组组件中的重要零部件，主要起到连接和紧固等作用[1]。一旦螺栓发生断裂事故，被连接部件将无法正常工作，甚至带来安全隐患，因此对动车组上的螺栓进行疲劳强度校核对于保障列车的安全可靠性具有十分重要的意义[2]。

许多学者对动车组螺栓可靠性展开了研究，如王冬[3]研究动车组用螺栓是否存在可以重复使用的可能，对螺栓的机械性能、反复加载、镀层耐腐蚀性、疲劳寿命等展开多项试验。李晓峰等人[4]研究了设备舱底板滑道与吊梁连接处螺栓，开展了静强度和疲劳强度校核研究，分析了评估方法的特点。文强等人[5]为了保证动车组设备安装的可靠性，研究了设备安装用螺栓预紧的扭力要求，探究了具体的预紧方法、螺栓强度的核算、预紧力的控制等，为螺栓强度校核提供了理论依据。

目前，对于动车组螺栓的研究还未涉及客室门螺栓，如何运用相关理论更加科学、高效地开展客室门中零部件的可靠性验证工作成为目前迫切需要解决的问题。

动车组的客室门主要由门框、承载驱动单元、门扇、门控器和电气部件等组成[6]。其中，承载驱动机构通过螺栓和车体进行连接，一旦螺栓发生故障，车门会发生脱落，无法正常工作[7]。鉴于螺栓的工作环境和状态，其对自身的疲劳强度具有一定的要求[8]。因此，本文基于有限元分析方法对车体与客室门螺栓连接部件进行疲劳强度校核计算，结果表明所选用的螺栓符合质量要求，为客室门螺栓的可靠性研究提供了理论依据。

1 客室门螺栓参数

动车组列车客室门主要结构包括承载机构、驱动机构、锁闭机构、支撑组件等，承载驱动机构和车体之间通过4个螺栓连接，如图1所示。

螺栓型号为M12×35-A2-70，最小抗拉强度为700 MPa，根据标准DIN 25201-2，计算得螺纹预紧力为127 N·m，螺栓其他相关尺寸如表1所示。

2 仿真模型与受力分析

基于有限元分析软件对门系统运行状态下的螺栓受力情况进行仿真分析。

2.1    模型约束及载荷

对螺栓组件进行建模，如图2所示。根据结构和工作特点添加约束，如图3所示。

在模型中添加门系统在运动过程中所受载荷，门系统自重通过设置密度后自动生成。根据《铁路应用 铁道车辆车体的结构要求》（EN 12663-1—2010）中客车P-Ⅱ型要求，门系统受到3个方向冲击时，加速度载荷共有6种组合方式，如表2所示。

2.2    螺栓受力情况分析

运行仿真，计算吊架安装孔处的螺栓最大承载力，如表3所示。

从表3中可以看出，螺栓受到的载荷情况为：最大轴向载荷FAmax=1 023 N;最大横向载荷Fτmax=463.12 N。

3 螺栓强度校核

根据仿真所得螺栓所受载荷情况，对螺栓疲劳強度进行校核。主要校核参数包括：极限尺寸、安装预紧力、螺栓强度、交变载荷、表面压力和防滑可靠性等。因承载驱动机构为中心对称安装，且刚度较大，螺栓可看作同心紧固及同心负荷，无须对极限尺寸进行校核。

3.1    最小紧固力计算

动车组客室门螺栓连接形式为对称紧固，所受载荷为同心载荷，根据VDI 2230 5.4.1，Ssym=0，a=0，最小紧固力Fkerf计算公式如下：

根据表3可知Fτmax=463.13 N，代入公式（1）计算得到Fkerf=2 315 N。

3.2    螺栓弹性变形和载荷系数

螺栓弹性变形δs是各个部分变形的叠加，计算公式如下：

3.3    安装预紧力校核

3.4    螺栓强度评估

螺栓承受的最大组合应力为：

经计算，σred，B=356.3 N/mm2。A2-70螺栓的屈服强度RP0.2=450 MPa。由此可得到安全系数SF=RP0.2/σred，B≈1.26，该数值大于标准值1.0，因此螺栓性能满足疲劳强度要求。

3.5    交变载荷评估

动车组列车客室门螺栓所受载荷为同心加载，螺栓连续交变载荷计算公式如下：

3.7    防滑可靠性评估

根据VDI 2230标准规定，连接件之间的剩余压紧力FKRmin应该大于能够确保连接件保持固态稳定所需的最小压紧力Fkerf，即防滑系数需要大于1。

通过对动车组客室门螺栓进行强度校核，可知螺栓安装预紧力、螺栓强度、交变载荷、表面压力和防滑可靠性等参数均满足标准要求。

4 结论

本文基于有限元分析软件获得门系统运行状态下的螺栓所受最大载荷，对螺栓强度进行校核，结论如下：在动车组列车运行工况下，客室门螺栓强度、交变载荷、表面接触压力、防滑可靠性等均符合质量要求。

本文基于多个标准对螺栓性能进行了全面科学的校核，为动车组客室门的安装调试提供了理论依据，本文使用的校核流程也同样适用于其他组件的螺栓校核，因而具有一定的借鉴意义。

[参考文献]

[1] FAN R R，ZOU H，SUN S G，et al.Research of installation stress of EMU aluminum alloy beam and its connecting structure[J].Journal of Physics：Conference Series，2020，1637（1）：12-37.

[2] LI Y N，LI Y，XIE S M.The several analysis methods of railway vehicles bolt coupling strength[C]//Proceedings of 2017 International Conference on Applied Mathematics，Modeling and Simulation （AMMS2017），2017：469-474.

[3] 王冬.动车组用螺栓重复使用可行性探讨[J].城市轨道交通研究，2021，24（2）：46-50.

[4] 李晓峰，孙瑞，颜楷晨.标准化动车组设备舱螺栓强度分析方法[J].大连交通大学学报，2020，41（1）：29-34.

[5] 文强，张博言.动车组设备安装用螺栓扭矩计算及强度校核[J].机械工程师，2014（4）：229-230.

[6] 高爽，路飞.CRH380B型动车组塞拉门常见故障及处理方法[J].铁道机车与动车，2021（2）：43-45.

[7] 吕志成，王剑.高速动车组车下螺栓连接结构疲劳强度分析[J].农业装备与车辆工程，2019，57（5）：33-36.

[8] 李娅娜，李跃，谢素明.基于VDI 2230标准的动车组枕梁联接螺栓强度分析[J].大连交通大学学报，2019，40（2）：51-56.

收稿日期：2021-06-03

作者简介：单玉兵（1974—），男，江苏高邮人，高级工程师，研究方向：机械工程（轨道交通）。