关键词：电力机车转向架；预紧螺栓；连接
随着科技的不断发展和进步，家电以及农副产品等运输的需求也越来越大。电力机车转向架结构中连接板, 随着连接板的刚性增加,连接板的弯曲变形越来越小。螺栓由于连接板产生的附加力和弯曲现象都很小, 对改善螺栓的受力状态起着一定的作用。对承受交变载荷的螺栓, 当受拉螺栓在连接板处没有附加力, 且所施加的外力还没有把连接板拉松时, 螺栓的拉力随连接板间的作用力增大而缓慢增加, 这就是说螺栓的应力幅值将比载荷变化的应力幅值小得多, 螺栓连接的疲劳寿命将很长。连接板的柔性对预紧螺栓连接的承载能力将产生一定的影响, 板的厚度一般应该比螺栓的直径略大, 若要想忽略连接板间附加力的影响, 连接板的厚度应该不小于螺栓直径。
一、慨述
随着机车速度的不断提高, 对机车转向架上各零部件的要求也越来越高。螺栓连接作为机车转向架上一种主要的连接方式, 是关系到转向架能否安全运行的重要因素。特别是随着机车的速度需求不断提高, 很多转向架都不同程度地出现过螺栓连接经常失效的问题, 从而导致机破事故甚至于更加严重的后果。因此有必要对其受力情况进行分析, 以便为螺栓及相应的螺栓连接部件的 设计起一定的参考作用。
随着社会对铁路的需求不断变化, 各主要速度段( 低速、准高速、高速) 和各种用途( 如客运、货运及 客货两用等) 的机车转向架相继研制成功。从 SS3B 型机 车到 SS9, DJ2(“奥星”) 、DJJ1(“蓝箭”) 、DJJ2(“中华之星”) 等型机车, 转向架的型式已经多种多样。为适应新的结构需要相继出现了一些新的螺栓连接方式, 但总的说来, 机车转向架上的螺栓连接主要集中在下列一些部件: 轮对电机驱动装置, 如 SS4B 型机车抱轴箱与电机之间的连接, SS8, SS9, DJ2 型机车的抱轴箱体与电机之间、轮对空心轴与六连杆之间的连接螺栓等。这些螺栓主要以紧固为主, 通过螺栓预紧, 使接合面间产生很大的摩擦力而传递反作用力，系悬挂的油压减振器与各减振器座之间、轴箱拉杆与拉杆座之间的连接螺栓, 这些螺栓以承受拉力载荷为主。牵引装置上牵引杆与牵引座之间, 电机悬挂装置上的电机吊挂上, 制动器与安装座之间的连接以及轴箱装置上的轴箱盖的安装等。考虑到螺栓受拉 性能明显高于其受剪性能, 机车转向架上的螺栓连接主要以受拉螺栓连接为主, 而预紧螺栓在受拉和受剪两方面的性能都比较好, 因此在转向架上使用的螺栓连接多数为高强度预紧螺栓连接。
二、电力机车转向架上连接螺栓
1、螺栓的预紧力。螺栓的预紧力不仅使螺栓受拉伸长, 相应的连接板和螺母受压收缩, 同时还使螺栓受扭, 其扭矩由板和螺栓之间的摩擦力来平衡。预紧螺栓的预紧力可以保证被连接板之间不出现相对滑动, 使结构不至于因连接滑动而出现非弹性变形。在受拉连接中, 预紧螺栓的预紧力还可以防止连接板之间拉开, 从而减少锈蚀危险, 还可以改进连接抵抗疲劳破损的性能。当然, 预紧力也不是越大越好, 而是不能超过一定的限度, 这个限度由初始拉力和初始扭矩共同决定。
2、螺栓的受拉连接计算。以螺栓和其相应的连接结构作为一个整体来计算在施加拧紧力矩后的螺栓承载能力，机车转向架轴箱拉杆为例, 当施加在螺栓上的预紧拉力为 P0 时, 轴箱拉杆连接板与构架上拉杆座间产生相应的压力T来与 P0 平衡。同时在 N 的作用下, 螺栓将伸长△e, 连接板也伸长△e, N在螺栓和板之间的分配与两者的刚度Kb和Kp 成比例, 即: .png)
当连接板和拉杆座之间的压力相等时, 有 N/( Kp+Kb)= P0/ Kp, 即当预拉力作用完全消失，由于施加预拉力后螺栓孔四周压紧的连接板面积比螺栓截面积大得多, 连接板刚度远比螺栓的刚度大,( Kp / Kb) 通常在 10～20 之间, 因此螺栓的总拉力 P 总在( 1.05～1.1) P0 之间, 即直到 N 把连接板拉开, 螺栓拉力最多比预拉力大 10%, 根据螺栓材料的抗拉强度和屈服强度的比值, 显然螺栓不至于被拉断。当板完全松开以后, 螺栓的受力情况与没有预紧的受力情况基本相同。
3、连接板的影响。即假定连接板的刚度比较大, 但是在实际结构中, 连接板或多或少是会有一定的变形。当板的厚度较小而变形较大时, 螺栓会由于板的变形而出现附加的力Q和弯曲现象,附加力的大小和连接板的厚度 、螺栓直径、螺栓的位置及材料的性能等很多因素有关。要确定其大小除需要满足平衡方程和板与螺栓之间的变形协调条件外, 还需要考虑以板出现一处或两处塑性铰作为其变形极限状态。对进行力的平衡, 一个螺栓的外加拉力为 T/2,当连接板在螺栓轴线处拉开后, 螺栓的拉力 P= Q+ T/2。附加力 Q 对螺栓的影响通过螺栓受拉时的试验结果看出如图 。
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螺栓受拉的试验曲线由于附加力的存在, 螺栓外力 T的极限值由Tu下降到 Tu'。特别对承受重复载荷的受拉螺栓, 当不存在附加力Q,且所施加的外力还未把连接拉松时, 螺栓的拉力随T的增大而缓慢增加, 螺栓的应力幅比载荷变化幅度小得多。因此, 连接的疲劳寿命很长。而当连接板柔性较大时, 附加力 Q 将使螺栓拉力随载荷而有较快的增长, 应力幅值增大的结果会使疲劳寿命大大降低。为精确考虑螺栓受拉后的承载能力, 连接板弯曲变形的影响在设计受拉螺栓的时候应该加以考虑, 这样更加有把握保证安全。用ANSYS软件预紧状态下的受拉螺栓连接结构进行分析, 以连接板刚度对附加力和弯曲的影响。已有条件为: 连接板二为刚性板轴箱拉杆座相对拉杆的连接板来说可以视为刚性板, 螺栓直径M20 , 螺栓预紧力计算时以螺栓初始变形来模拟。 用SOLID185 单元分别离散 T 形连接板一和连接板二 、 受 拉 螺 栓 和 螺 母 , 用 ANSYS 内 专 用 预 紧 单 元PRETS179 单元模拟受拉螺栓的预紧作用, 在连接板一和连接板二之间、连接板一和螺栓之间、连接板二与螺母之间分别用接触单元 TARGE170 和 CONTA174 单元连接起来。螺栓到连接板边缘的距离为 2M( M 为螺栓直径) , 第一次取连接板一的厚度为 20mm进行计算。连接板一和连接板二在Q 力位置产生的力的大小可以近似地以连接板一该位置相对螺栓位置的变形来描述, 取板一和板二之间的接触单元, 其变形图和总的 Von Mises 应力。其总变形为 0.287 6 mm, 其相对变形为 0.11 mm。将该位置视为一悬臂结构, 根据悬臂梁变形计算公式可得连接板一边缘处的附加力 Q 约为 2.8 kN。第二次计算取连接板一的厚度为 40 mm计算, 同样取板一和板二之 间的接触单元, 其变形图和总的 VonMises 应力，从连接板一与连接板二接触处的变形可以看出, 将连接板一的厚度变为 40 mm时, 在连接板一的边缘处产生的变形不到0.008 mm, 可以忽略。即该处几乎没有相互作用力, 无附加力产生。
电力机车转向架技术的应用越来越广泛，也越来越简化。但是由于运行线路的不同，对快速货运电力机车也提出了更高的要求，为研究快速货运载荷工况对零部件的安全性以及可靠性造成了一定影响。因此，在未来的发展过程中，相关人员应该对这一技术进行不断的改进和创新。
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论文作者:赵军
论文发表刊物:《科学与技术》2019年20期
论文发表时间:2020/4/29
标签：螺栓论文; 转向架论文; 电力机车论文; 轴箱论文; 机车论文; 拉力论文; 载荷论文; 《科学与技术》2019年20期论文;