扶手連接軸結構緊固螺栓失效淺析

常虹 任明 葛萬明

中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司，中國·江蘇 南京 210000

1 引言

地鐵車輛客室扶手是內裝的重要組成部分，也是乘客乘車時接觸最多的區(qū)域，其裝配的質量將直接影響車輛的運營及乘客的安全。論文主要介紹扶手連接軸形式的連接原理，及連接中螺栓的失效原因及優(yōu)化措施。

2 扶手連接原理

整體扶手形式如圖1所示，扶手桿采用304L 不銹鋼管，在扶手桿對接處，連接軸置于相鄰扶手內部，連接軸外徑比扶手桿內徑小0.5mm。

圖1 整體扶手形式

如圖2所示，連接軸斷面呈“C”型，連接軸開有通長槽口結構，連接軸上半結構帶有兩個M6 的內螺紋孔。安裝過程中，螺栓旋入連接軸的螺紋內，螺栓尾部抵在連接軸開槽平面上，使得連接軸的開槽角度變大，進而連接軸與扶手桿內壁存在摩擦副，通過摩擦副的作用“抱緊”扶手，如圖3所示。

圖2 連接軸結構

圖3 連接軸與扶手連接狀態(tài)

3 連接失效形式

沿扶手軸向拉動扶手，扶手桿與連接軸間摩擦副存在滑動，即出現扶手桿松脫現象。為滿足扶手桿與連接軸不松脫，摩擦副間需要較大的靜摩擦力，進而需要更大的正壓力[1]。實際安裝中，分別選用8.8 級-M6 螺栓及A2-70-M6 螺栓進行緊固，在施加標準扭矩時，扶手均出現松脫現象，當施加扭矩13Nm 時，扶手不松脫，但螺栓及連接軸存在以下失效形式，具體如表1所述。

表1 8.8 級-M6 螺栓及A2-70-M6 螺栓對比

失效1：碳鋼螺栓斷裂失效，斷裂位置在螺栓頭部下方嚙合螺紋第1 扣螺紋處，如圖4所示。

失效2：不銹鋼螺栓失效分兩種：50%的螺栓螺紋損壞，螺桿出現頸縮但未斷裂；50%的螺栓螺桿斷裂。失效位置皆在螺栓頭部下方嚙合螺紋第1 扣螺紋處，如圖4所示。

圖4 螺栓示意圖

失效3：連接軸螺紋存在損壞現象，如圖5所示。

圖5 左側螺栓無法旋入，連接軸內螺紋損壞

4 失效形式原因分析

在實際安裝中，為達到扶手不松脫，螺栓緊固扭矩在13Nm 以上，遠大于螺栓允許施加扭矩值（如表2所示），初步分析過扭應是造成螺栓與連接軸失效的根本原因。

表2 螺栓允許施加扭矩值

4.1 螺栓強度校核

將受力情況進行簡化，取單個螺栓受力情況，如圖6所示，扶手與連接軸間的正壓力設為F0，即螺栓受到的預緊力，扶手桿受外部拉力設為F。連接軸外壁與扶手內壁間摩擦系數設為μ，扶手與連接軸間的最大靜摩擦力Fmax=F0*μ，查詢材質屬性，取μ=0.15。

圖6 單個螺栓受力情況

實際安裝中，每個扶手松脫現象，皆是在人雙手緊握扶手，整個身體猛然向后，給扶手的一個橫向沖力產生的，扶手的松脫是一個沖量過程，根據沖量與動量的關系可知：mV1-mV2=Ft,其中m 取平均人體重60kg，晃動時的瞬間速度取3m/s，即V1=3m/s，V2=0，扶手產生縫隙時間t 取0.1s，從而得出F=（mV1-mV2）/t=1800N。

要想保證扶手不松脫，需滿足F ≤Fmax，即F ≤F0×μ，從而得出F0≥F/μ，即F0≥12000N。

在連接軸與扶手內壁“頂住”后，螺栓尾部與連接軸間的摩擦副作用，使得螺栓尾部“鎖死”，在扭矩作用下，螺栓除了受壓應力，還受到扭轉應力。根據第四強度理論，螺栓預緊狀態(tài)下的計算應力為：

即螺栓危險截面的強度應力：

其中，要保證扶手不松脫，F0 ≥12000N，螺紋小徑d1=5.0mm，代入式中，可得：σca ≥795MPa。

螺栓危險截面的強度條件需滿足：

碳鋼8.8 級螺栓極限應力σlim為800MPa，A2-70 不銹鋼螺栓極限應力σlim為700MPa，可知，碳鋼螺栓和不銹鋼螺栓的許用強度[σ]小于795MPa。因此，由于螺栓過載，出現斷裂、頸縮等失效現象。

4.2 螺栓失效位置分析

螺紋嚙合過程中，第1 扣螺紋受力最大，以后每扣受力非線性遞減，如圖7所示，所以在拆裝過程中，螺栓失效位置皆在螺栓頭部下方旋合螺紋第1 扣螺紋處。

圖7 螺栓失效位置分析

4.3 碳鋼螺栓與不銹鋼螺栓失效對比

在實際拆裝過程中，碳鋼螺栓過扭后很容易斷裂，而不銹鋼螺栓斷裂情況相對少一些，以下從屈強比方面進行簡單闡述。

8.8 級碳鋼螺栓斷裂強度為800MPa，屈服強度為640MPa，屈強比為0.8。A2-70 不銹鋼螺栓斷裂強度為700MPa，屈服強度為450MPa，屈強比為0.6。

在螺紋嚙合過程中，由于不銹鋼螺栓屈強比較低，螺栓發(fā)生塑性變形后，能夠有較多時間將螺紋受力向后面幾扣螺紋進行傳導，而碳鋼螺栓屈強比較高，發(fā)生塑性變形后，較快地達到強度極限，所以出現斷裂的情況較多，而不銹鋼螺栓出現斷裂的情況相對少一些[2]。

4.4 連接軸失效

連接軸無需考慮斷裂的情況發(fā)生，僅考慮是否容易發(fā)生塑性變形。連接軸的屈服強度極限在235MPa 左右，數值較小，很容易發(fā)生塑性變形，發(fā)生螺紋損壞現象。

5 優(yōu)化措施

5.1 增大連接軸與扶手間的摩擦系數

根據Fmax=F0*μ 可知，在Fmax不變的情況下，增大μ，則F0則變小，螺栓受力變小，螺栓不容易出現斷裂等失效。增大連接軸與扶手內壁的摩擦系數，可采用連接軸外壁滾花、倒刺處理，或者在連接軸外壁增加摩擦系數大的材料，如橡膠等。

5.2 提高螺栓剛度等級

根據強度校核可知，提高σlim，可以承受更大的實際應力σca。提高螺栓強度極限，可選用10.9 級碳鋼螺栓、直徑等級更大的螺栓，或合金高強度螺栓。

同時，需要相應增加連接軸內螺紋強度等級，連接軸可采取屈服強度極限更大的材料制作并攻絲處理，或在連接軸內嵌與螺栓等級相應的螺母。

5.3 更改結構

由于依靠螺栓的緊固來保證扶手不松脫，螺栓承受應力較大，對于普通M6 螺栓較難達到，可增加彈簧銷、鍵連接結構，如圖8所示。

圖8 更改結構

6 結語

論文以地鐵項目扶手連接軸結構螺栓失效為研究對象，通過螺栓強度校核發(fā)現主要原因是螺栓強度無法滿足要求，并由此提出以下優(yōu)化措施：①增加扶手與連接軸間摩擦系數；②選用強度極限更大的緊固件；③扶手與連接軸間增加彈簧銷、鍵連接等。

通過對不銹鋼及碳鋼螺栓失效位置及失效形式進行分析，發(fā)現以下現象：①嚙合螺紋第1 扣受力最大從而此位置失效；②A2-70 螺栓屈強比較低，斷裂情況較少，8.8 級螺栓屈強比較高全部斷裂。