关键词：动车组；螺栓连接；干涉模型；关键参数；可靠性分析
引言
高速动车组牵引、动力系统中的高强度螺栓产品是动车组中经济价值最高的标准件，对品质和可靠性的要求极高，我国生产还不能完全达到国产化，如齿轮箱与电机、齿轮箱与齿轮箱连接、轮毂与转向架之间螺栓风险等级最高，都是关系人民生命、财产安全的重要连接件。随着高速动车组动力的大容量化、大型化和功率转速的不断提高，牵引、传动的工况条件更加复杂且苛刻，纵观各类行车事故案例，动车组螺栓的断裂失效是影响高速动车组安全运行的巨大隐患，在螺栓的断裂失效模式中，涵盖了螺栓的疲劳断裂失效、塑性断裂失效和脆性断裂失效等三大类型。分析造成螺栓断裂失效的因素主要有以下几种:①螺栓材质不良，钢材内非金属夹杂物严重，成为疲劳裂纹源;②螺栓制造工艺欠合理，造成螺栓力学性能不符合标准要求或螺栓制品具有原始裂纹，使用时扩展断裂;③设计选择的螺栓满足标准要求，但疲劳强度难以满足实际工况需求;螺栓连接设计不科学，无法达到紧固扭矩。为此，对高速动车组高强度螺栓的性能提出了更高的要求。
1螺栓设计的原理
螺栓连接的设计其实包括两个大方面:一是根据实际应用情况进行设计选型，选出合适的螺栓(比如螺栓材料，尺寸，强度等级等);二是将选择的螺栓和被连接件进行拧紧(螺栓预紧力及拧紧扭矩的选择，拧紧方法的选择等)。工作中的单个螺栓受力分为横向力和轴向力(含预紧力)，而螺栓在拧紧时的受力状态与承受工作载荷时有着不同的受力方式，因为螺栓连接在拧紧时承受了拉扭复合作用力。螺栓连接在装配时通常需要拧紧，使螺栓提前受到一个力的作用，之后再承受部件的工作拉力载荷，这个提前施加的作用力称为预紧力。施加预紧力是为了防止被连接件受到工作拉力后产生缝隙和相对滑移，提高了连接的紧密性，使工作中的螺栓更可靠。
2可靠性分析的实例
材料强度指标主要指材料的抗拉强度σb和屈服强度σS，两者均能较好地符合或接近于正态分布。但应注意，目前国内钢材标准中的抗拉强度和屈服强度数据，大都是置信下限为90%的保证值，因此考虑它们的变异系数，抗拉强度和屈服强度的均值应为：σb=10.7σb、σS=1.1σS。σb、σS均为可以在有关手册上查到的保证值。本部分以公司常用的不锈钢材料螺栓为例进行分析，借以阐明可靠性分析的计算思路、步骤、设计方法等内容。可靠性设计的一般步骤如下。（1）计算螺栓的工作荷载F。根据设计条件估算螺栓连接副的工作荷载均值F和标准差σF。一般在工程应用中，通常取公差为3倍的标准差，即3σ原则。所以，标准差可按载荷的容许偏差估算，之后即可求得变异系数CF。式中，Fmax为螺栓最大工作荷载；Fmin为螺栓最小工作荷载。（2）计算螺栓总拉力F2。螺栓总拉力既要满足预紧力的要求，又要满足最小残余预紧力的要求，总拉力通常取以下2式中的最大值。式中，F为工作荷载；x为螺栓的相对刚度；系数C1、C2的取值范围见表1。F2的标准差σF2可近似取σF2≈F2×CF。（3）根据螺栓连接副中螺栓个数（随机变量Z），计算螺栓拉应力σt和切应力τ及其标准差和变异系数。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆螺栓拉应力标准差为：式中，d1为螺栓危险截面直径。切应力标准差为：式中，d为螺栓公称直径均值；F0为预紧力的均值；fT为当量摩擦系数均值，其中fT=0.02+0.5f，f为螺纹间的摩擦系数。当量摩擦系数的变异系数为：式中，σ?f为摩擦系数的标准差。螺栓拉应力为：式中，CF0为预紧力的变异系数；CfT为当量摩擦系数的变异系数；Cd为公称直径的变异系数；Cd1为螺栓危险截面直径的变异系数。
2.2加工工艺
动车组上的10．9级高强度螺栓表面涂覆达克罗，摩擦系数为0．12～0．16。该螺栓要求疲劳极限静载荷达到屈服强度的约22%，应力比σ－1，循环周次＞450万次。对于螺栓疲劳极限测试，采用疲劳极限台阶图，若疲劳极限静载荷力值等于ＲP0．2的23%，就简称该类高强度螺栓的静载荷疲劳极限为23%。试验加载频率25Hz/min，对10．9级M14×105高强度螺栓测得的疲劳极限均达到ＲP0．2的20%～23%，即静载荷为23．0±2kN;M16×140高强度螺栓测得的疲劳极限均达到ＲP0．2的20%～23%，即静载荷为32．0±2kN;循环周次可达452～488余万次，满足设计要求。众所周知，螺栓的破坏大部分是疲劳破坏，而螺栓又是多缺口易于应力集中的零件，疲劳裂纹的核心常常在缺口的部位;而交变载荷下金属不均匀滑移主要集中在螺栓的表面，使疲劳裂纹常常发生在螺纹上。表面损伤(如刀痕、记号、磨裂等)可以作为表面缺陷来看待，这些地方产生的应力集中度高，易使疲劳强度下降。为此，螺栓表面的粗糙度、镦锻及机械加工的纹道都会影响疲劳极限。螺栓表面加工愈粗糙，疲劳强度就愈低，所以对动车组螺栓，其表面必须仔细加工，不允许有任何瑕疵、碰伤及缺陷，否则会使疲劳强度大大降低。据统计，不同表面状态下的疲劳强度相差可达到7～8倍之多。表面粗糙，不仅使疲劳强度σ－1下降，而且使疲劳曲线向左移，即缩短过载荷下的疲劳寿命。对比综合分析，高速动车组高强度螺栓加工工艺为:球化退火→下料→冷镦→车加工→热处理→磨外园→滚搓牙→表色。经过检测，螺纹配合精度等级为4h4H，大径及小径尺寸实际公差值都控制在±0．005mm，螺栓头部、杆部及外圆尺寸公差一般在±0．010mm，从加工尺寸分析，该类产品公差控制得特别严，外表没有任何划痕、碰伤或加工缺陷，采用热处理后滚搓牙工艺，8．8级及以上螺栓在加工工艺中，牙尖部分不允许存在折叠裂纹，且完全避免螺栓杆部弯曲、变形，应力集中等此类质量问题，品质管控“零缺陷”。
2.3螺栓预紧力的控制
螺栓连接的实质是通过将螺栓的预紧力控制到适当范围，从而将2个工件可靠地连接在一起。为了确保螺栓连接的密封性、防松能力和受拉螺栓的疲劳强度，连接螺栓对预紧力的精度要求是很高的。所以，预紧力是评价螺栓连接可靠性的重要指标。在螺栓连接中，工作拉力一般为预紧力的40%～60%，螺栓连接中的总拉力主要是由预紧力产生的，所以很有必要研究保证预紧力的方法。
结语
可靠性设计以概率论和数理统计为基础，可以得到螺栓失效的概率，即可靠度，可靠性设计法比传统的安全系数法更合理。螺栓的失效情况符合正态分布规律，利用应力-强度干涉模型可知，通过减小螺栓工作参数的分散度可以有效地提高螺栓连接的可靠度。实例结果表明，目前的螺栓应用选型存在未能充分发挥螺栓效能及成本高等问题，应结合本文提出的计算方法，针对关键参数采取相应控制措施。
参考文献
[1]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）：229-300.
[2]周洁.安全系数与可靠性[J].机械设计与制造，1999（5）：3-5.
论文作者:石超 赵志敏 陈志恒 强治政 王帅
论文发表刊物:《科学与技术》2019年第19期
论文发表时间:2020/3/16
标签：螺栓论文; 疲劳论文; 车组论文; 强度论文; 载荷论文; 应力论文; 摩擦系数论文; 《科学与技术》2019年第19期论文;