基于VDI2230的排障器螺栓连接强度校核

曾燕军，胡坤镜，李祥涛，卢兴旺

(1.大功率交流传动电力机车系统集成国家重点实验室，湖南 株洲 412000；2.中车株洲电力机车有限公司，湖南 株洲 412000)

1 概述

螺栓连接作为一种机械连接方式，在轨道交通行业得到了广泛的运用。对于一些受力较大的部件，由于其运用功能要求能够进行拆装，也必须采用螺栓连接的方式进行固定。螺栓连接是否安全可靠，是否满足螺栓连接强度的要求，不仅直接关系到部件本身的性能，更关系到整个轨道交通产品的运用安全。因此，必须对轨道交通产品中受力较大的螺栓连接进行强度校核。

目前国内螺栓连接强度校核主要是通过机械设计手册进行相对简单的强度校核，其考虑到的关联因素较少，存在一定的局限性，其计算结果的可靠性有待进一步加强。VDI 2230《高应力螺栓连接的系统计算》用来校核螺栓连接的强度已经实践了几十年，该标准被广泛承认和经常参考，在德国等国家被当作标准用于计算螺栓连接，它积累了螺栓连接计算的很多经验和研究成果，提供了校核螺栓连接强度的计算步骤、计算公式、参数的选择、各种运用场景等，能够较全面的校核螺栓连接强度。本文将采用VDI2230标准对某型机车排障器的螺栓连接结构进行强度校核。

2 排障器结构及螺栓连接说明

某型机车排障器结构采用整体式焊接结构，排障器结构内部筋板结构采用 “田”字形布置形式。排障器结构位于机车的前部，安装在底架下部，主要作用是排除机车前方的障碍物。排障器的设计重量为489 kg，排障器通过12个M30×75-8.8的螺栓和12个M24×45-8.8的螺柱安装在车体底架上，排障器结构及其螺栓连接结构如图1所示。

图1 排障器螺栓连接结构示意图

3 排障器的受力分析

根据EN 12663-1《铁路应用 铁路车辆车体的结构要求 第1部分：机车和客运车辆(以及货车的一种选择方法)》的要求，排障器安装螺栓须承受垂向±3 g的重力加速度，横向±1 g的加速度以及纵向±3 g的加速度载荷。同时此型号机车排障器须满足TJ/JW 102《交流传动机车司机室防撞性暂行技术规范》标准要求，即排障器中部须承受300 kN纵向压缩力，排障器侧边承受250 kN纵向压缩力，排障器安装螺栓不会失效。排障器载荷工况如表1所示。

按照表1的载荷工况，对排障器进行强度仿真计算，排障器有限元模型见图2。根据仿真计算结果，排障器中部承受300 kN纵向载荷时，其安装螺栓受力最大。因此，选取此工况有限元分析的计算结果进行螺栓强度校核。从排障器有限元分析计算结果中提取出螺栓所受最大垂向力和最大横向力分别为：

图2 排障器有限元模型

表1 排障器的载荷工况表(g取9.81 m/s2) 单位：kN

FAmax=55 045N

Fτmax=18 730N

最大受力的螺栓规格为M30×75-8.8，规格M30×75-8.8螺栓连接相关参数如表2所示。

表2 规格M30×75-8.8螺栓连接相关参数

4 排障器螺栓连接的强度校核

排障器螺栓连接的强度是通过标准VDI2230进行校核，根据标准给出的螺栓校核步骤，选择合适的计算公式及参数，重点评判排障器螺栓连接的安装负载、工作载荷、疲劳载荷、螺栓表面压力是否满足标准要求。具体螺栓连接强度校核过程及结果如下。

1)确定拧紧系数。由于用扭力扳手来拧紧螺栓，根据标准中表A8，确定拧紧系数为：

αA=1.7

2)确定需要的最小夹紧力。根据VDI2230 中公式R2/1及5.4.1节，需要的最小夹紧力为：

其中，标准表A6查得界面摩擦系数为：μTmin=0.2

内部力传递界面系数为：qF=1

3)确定柔性系数、作用力传递系数和载荷系数。螺栓的柔性系数δs根据标准5.1.1章中的公式确定：

δs=δSK+δ1+…δGew+δGM

其中：

因此：

δs=4.99×10-7mm/N

根据标准5.1.2章中的公式确定：

δP=

其中：

tanφD=0.362+0.032 ln(βL/2)+0.153 lny=0.492

因此：

δP=2.255×10-7mm/N

作用力传递系数n根据图5.2/12及表5.2/1得出，n取0.15。

根据标准中公式R3/3可知，载荷系数为：

4)确定由于嵌入产生的预紧力损耗。对于螺栓由于应变造成的预紧力的损耗，按照标准中表5.4/1的规定，预紧力损耗为：

其中：fz=0.01 mm

5)确定最小安装预紧力。考虑到预加载荷变化和假设连接最大可能的解除，可以得到需要的最小安装预紧力。按照标准中公式R5/1，最小安装预紧力为：

6)确定最大安装预紧力。考虑到标准中公式(R1/1)，按照标准中公式R6/1，排障器安装的螺栓最大安装预紧力为：

FMmax=αA·FMmin=271 875.6 N

7)安装负载。根据标准表A1中查到摩擦系数取0.1时，其安装预紧力为：

FMzul=FMtab=307 000 N

排障器螺栓安装的预紧力为307 000 N>271 875.6 N，因此，排障器安装螺栓的安装预紧力满足VDI2230的要求。

8)工作载荷。根据标准中公式R8/1，螺栓受到的最大工作载荷：

FSmax=FMzul+Φn·FAmax=309 570.4 N

根据标准中公式R8/2，最大工作载荷下，螺栓的拉伸应力：

σzmax=FSmax/AS=551.8 N/mm2

根据标准中公式R8/3，最大工作载荷下，螺栓的扭转应力：

τmax=MG/WP

τmax=177 N/mm2

由标准中公式R8/4及kτ=0.5可知，计算对比应力为：

根据标准ISO 898 可知，排障器安装螺栓的屈服应力为：

RP0.2min=660 N/mm2

根据标准中公式R8/5-2，安全系数为：

SF=RP0.2min/σred，B=1.15

由于安全系数大于1，所以螺栓能承受住最大工作载荷。

9)疲劳载荷。根据标准中公式R9/1可知，螺栓的疲劳载荷为：

根据标准中公式R9/5-1可知，螺栓的耐疲劳性能极限为：

σa<<σASV，因此，螺栓的耐疲劳性能极限满足标准要求。

10)螺栓表面压力。螺栓接触面积为：

根据标准中公式R10/1可知，螺栓的表面压力为：

垫圈硬度为200 HV(根据EN ISO 18265可以查到对应190 HB)，根据VDI2230表A9，垫圈接触面压力为PG=570 MPa。

根据标准中公式R10/4，安全系数为：

因此，排障器螺栓连接能够承受螺栓的表面压力，其满足标准要求。

5 结语

本文介绍了某型机车排障器及其螺栓连接的结构形式，根据标准EN 12663和TJ/JW 102规定的载荷工况，采用有限元法分析了排障器及螺栓的受力情况，提取出排障器单个螺栓受到的最大垂向力和横向力，并采用VDI2230标准对排障器的螺栓连接结构进行强度校核，详细说明了排障器螺栓连接强度校核的步骤、计算公式及计算参数的选取，重点评判排障器螺栓连接的安装负载、工作载荷、疲劳载荷、螺栓表面压力。计算结果表明：排障器螺栓安装负载、工作载荷、疲劳载荷、螺栓表面压力都满足满足VDI2230标准的要求，因此，排障器螺栓连接结构的设计是合理的。本文提供的螺栓强度校核的方法，对后续螺栓强度校核具有一定的借鉴意义。