地鐵客車重要零部件轉(zhuǎn)向架軸端吊耳螺栓脫落故障分析及解決措施

張濤，付媛媛，林勤

(1.中車長春軌道客車股份有限公司 國家軌道客車工程研究中心，吉林 長春 130062;2.國家高速列車青島技術(shù)創(chuàng)新中心，山東 青島 266111)*

軸箱裝置是地鐵列車轉(zhuǎn)向架的重要組成部分，是輪軌激擾的主要承載部件.吊耳屬于轉(zhuǎn)向架一系懸掛系統(tǒng)，通過螺栓與軸箱體連接在一起.某出口地鐵列車因線路條件惡化，維修維護(hù)能力不足，運(yùn)行中出現(xiàn)多起吊耳連接螺栓出現(xiàn)松動(dòng)斷裂，吊耳丟失等現(xiàn)象.

因螺栓具有連接形式簡單，維修拆裝方便，聯(lián)接強(qiáng)度、剛度和自鎖性能好等優(yōu)點(diǎn)，在地鐵車輛和高速動(dòng)車組列車結(jié)構(gòu)上存在大量的螺栓連接形式.《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》[1]詳細(xì)地列舉了包括螺栓連接在內(nèi)的結(jié)構(gòu)類型、特點(diǎn)、以及強(qiáng)度計(jì)算方法及強(qiáng)度評估流程.與文獻(xiàn)[1]中提供的螺栓校核方法相比，德國VDI 2230-2003標(biāo)準(zhǔn)[2]提供了更為系統(tǒng)的螺栓強(qiáng)度分析步驟.該標(biāo)準(zhǔn)在螺栓強(qiáng)度校核時(shí)需要考慮螺栓本身尺寸、螺紋螺距、選材等方面對螺栓強(qiáng)度的影響；考慮螺栓與被夾緊件的聯(lián)接形式、具體尺寸、摩擦系數(shù)和螺栓的擰緊方法等，目前在我國工程實(shí)際問題中獲得了較為廣泛的應(yīng)用[3-4].

地鐵客車轉(zhuǎn)向架軸端吊耳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要求吊耳結(jié)構(gòu)具有合理的動(dòng)、靜剛度，同時(shí)也要求其連接螺栓應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度以保證運(yùn)用的可靠性.本文采用理論分析與實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，分析地鐵客車轉(zhuǎn)向架軸端吊耳螺栓脫落的原因，并給出具體的解決措施.

1 吊耳螺栓脫落故障分析

地鐵車輛軸箱吊耳是一系懸掛系統(tǒng)部件之一，與軸箱體之間通過螺栓連接，在整車起吊時(shí)起到保護(hù)作用.該處螺栓要求具有合理的動(dòng)、靜剛度，在起吊過程中能夠起到保護(hù)作用，同時(shí)應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度，以保證使用的可靠性.

吊耳結(jié)構(gòu)通過兩顆M12mm×90mm(8.8級)的螺栓固定于軸箱體頂端，配合M12螺母使用，螺栓頭及螺母側(cè)分別裝配12平墊圈一個(gè)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示.

轉(zhuǎn)向架軸端吊耳螺栓脫落事故發(fā)生后，先后開展了螺栓及其斷口的形貌分析、螺栓理化檢驗(yàn)及基于VDI2230的螺栓強(qiáng)度分析.

圖1 軸端吊耳區(qū)域相關(guān)部件結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 螺栓及其斷口的形貌分析

(1)螺栓和被緊固件材料由于沉陷、蠕變等原因造成螺栓的預(yù)緊力損失(圖2(a))，線路運(yùn)營條件較差，造成軸箱處較大的振動(dòng)，增大了被連接件間發(fā)生相對滑動(dòng)的可能性，然后螺栓由于預(yù)緊力不足發(fā)生松動(dòng)，最終發(fā)生斷裂.在螺栓光桿處對稱面發(fā)現(xiàn)了明顯的磨損痕跡(圖2(b))，側(cè)面印證了被連接件間發(fā)生相對滑動(dòng)的可能性.

(2)在螺栓光桿接近20 mm處發(fā)現(xiàn)有明顯的壓痕，分析認(rèn)為可能是由于螺栓該處與孔壁接觸所致，裝配過程中存在部分偏擰，見圖2(c).

(a) 沉陷 (b) 磨損 (c) 壓痕圖2 失效螺栓形貌圖

1.2 脫落螺栓的相關(guān)檢驗(yàn)

故障螺栓的材質(zhì)分析結(jié)果見表1，可見送檢螺栓的材質(zhì)相當(dāng)于GB699標(biāo)準(zhǔn)[5]中的35鋼.

表1 螺栓材質(zhì)化學(xué)成分分析結(jié)果 %

故障螺栓的金相檢測結(jié)果如圖3所示.螺栓疲勞裂紋源區(qū)的斷口金相試樣在拋光后檢查，在該區(qū)域內(nèi)無材料冶金缺陷，源區(qū)斷口金相試樣上顯示其表面無氧化脫碳，但在其表面上可見有較淺的形變組織.檢查斷裂螺栓基本的金相組織為回火索氏體和少量的塊狀鐵素體組織，并且有晶界顯現(xiàn)現(xiàn)象.

圖3 源區(qū)斷口金相試樣表面的組織形貌

在斷裂螺栓上進(jìn)行硬度檢測的結(jié)果見表2，可知該螺栓的硬度檢測值均符合GB/T3098.1標(biāo)準(zhǔn)[6]的要求.

表2 洛氏硬度HRC檢測結(jié)果

由表1和表2及圖3可知：送檢螺栓的材質(zhì)相當(dāng)于GB699標(biāo)準(zhǔn)中的35鋼，其硬度檢測值均符合GB/T 3098.1標(biāo)準(zhǔn)的要求；送檢螺栓基體的組織中有晶界顯現(xiàn)現(xiàn)象，表明該螺栓在熱處理過程中有輕微過熱現(xiàn)象.這些檢驗(yàn)結(jié)果可基本排除了螺栓質(zhì)量問題.

1.3 吊耳螺栓的強(qiáng)度分析

車輛運(yùn)行過程中，吊耳處螺栓主要承受吊耳隨機(jī)振動(dòng)的垂向、縱向和橫向慣性載荷.利用轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)EN13749[7]規(guī)定的軸箱振動(dòng)的加速度(垂向∶縱向∶橫向 =70 g∶10 g∶10 g)以及線路實(shí)測振動(dòng)加速度(135 g∶135 g∶300 g)，采用VDI2230的計(jì)算方法對該處螺栓強(qiáng)度進(jìn)行校核.

根據(jù)技術(shù)要求吊耳處螺栓在裝配時(shí)涂抹裝配膏，對螺紋副進(jìn)行潤滑，按照VDI2230附錄A5的建議，這里取螺紋間的摩擦系數(shù)μG=0.12，螺栓頭部與吊耳間的摩擦系數(shù)取為μK=0.15，墊片與吊耳之間的摩擦系數(shù)μT=0.15.

吊耳與軸箱體連接螺栓承受由于吊耳振動(dòng)而引起的軸向與橫向載荷，其重心位置的受力分析如圖4所示.運(yùn)營過程中，吊耳引起的橫向慣性載荷由2螺栓分擔(dān)；吊耳的質(zhì)量為m，考慮垂向振動(dòng)載荷aZ和縱向振動(dòng)載荷aX，則2個(gè)螺栓承受的橫向載荷:

考慮橫向振動(dòng)載荷aY，則單個(gè)螺栓軸向載荷：

考慮橫向載荷FQ對螺栓處產(chǎn)生的軸向分量，取較大值進(jìn)行校核則

單個(gè)螺栓承受的最大軸向載荷：

FA=FA1+FA2

如圖4所示，對兩種載荷工況作用下連接螺栓強(qiáng)度進(jìn)行分析，結(jié)果見表3.

圖4 螺栓連接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核計(jì)算技術(shù)流程圖

表3 吊耳與軸箱體連接螺栓強(qiáng)度分析

由表3可知，兩種工況下連接螺栓在裝配及運(yùn)營條件下螺栓強(qiáng)度均滿足要求；但線路實(shí)測工況條件下防滑移安全系數(shù)小于1.0，表明螺栓連接的被連接件之間已經(jīng)發(fā)生相對滑動(dòng)的可能性較大，同時(shí)疲勞工況下的安全系數(shù)也相對較低.所以，螺栓可能會(huì)由于預(yù)緊力不足發(fā)生松動(dòng)，然后在較大沖擊以及持續(xù)的振動(dòng)的共同作用下易發(fā)生疲勞斷裂.

2 解決措施

由上述分析可知：吊耳重量決定著其連接螺栓的載荷大小，進(jìn)而影響著螺栓的強(qiáng)度性能.因此，應(yīng)對吊耳進(jìn)行減重優(yōu)化設(shè)計(jì).新吊耳采用鋁合金材質(zhì)，新吊耳重量僅為原結(jié)構(gòu)的35%，新、舊吊耳的主要性能參數(shù)見表4.

表4 新、舊吊耳結(jié)構(gòu)的主要性能參數(shù)

新型鋁合金吊耳的一階固有頻率提高至原結(jié)構(gòu)的1.3倍，新、舊結(jié)構(gòu)的一階模態(tài)振型如圖5(a)所示； 起吊工況和沖擊工況作用下， 新型鋁合金吊

(a) 一階模態(tài)振型

(b) 起吊工況應(yīng)力

(c) 沖擊工況應(yīng)力圖

耳的最大應(yīng)力(見圖5(b)和圖5(c))均低于各自材料的許用應(yīng)力，滿足強(qiáng)度要求.

此外，結(jié)合故障原因，對吊耳連接螺栓結(jié)構(gòu)提出兩方案：

(1)采用M12mm×100mm(10.9級)標(biāo)準(zhǔn)六角頭螺栓、M12標(biāo)準(zhǔn)六角頭螺母.螺栓頭部配合使用寬邊NordLock防松墊圈，螺母處使用標(biāo)準(zhǔn)NordLock防松墊圈；

(2)采用M12mm×100mm(10.9級)法蘭面螺栓、M12法蘭面螺母.螺栓頭部配合使用寬邊NordLock防松墊圈，螺母處使用標(biāo)準(zhǔn)NordLock防松墊圈.

圖6 標(biāo)準(zhǔn)緊固件尺寸示意圖

使用標(biāo)準(zhǔn)緊固件，如圖6所示，六角頭螺栓dw=16.47 mm；預(yù)緊力經(jīng)過30°角擴(kuò)散后，與鋁基材接觸面外徑為20.4 mm，墊圈外徑為25.4 mm.加載預(yù)緊力后，鋁材在彈性范圍內(nèi)會(huì)有一定的壓縮變形；然后，在墊圈直徑20.4 mm位置形成一個(gè)支點(diǎn)，使墊圈在該處產(chǎn)生向下凹陷變形；墊圈是雙層結(jié)構(gòu)，兩片墊圈受力后向下變形角度不同，在貼合面接近外圓位置會(huì)形成細(xì)小縫隙，造成兩片墊圈實(shí)際接觸面積減?。淮送?，行車過程中由于縫隙的存在會(huì)不可避免進(jìn)入雜質(zhì)，進(jìn)一步增大縫隙，易導(dǎo)致螺栓預(yù)緊力的減小.

圖7 法蘭面緊固件尺寸示意圖

使用法蘭面緊固件，如圖7所示，螺栓外徑尺寸22.5 mm，預(yù)緊力經(jīng)過30°角擴(kuò)散后，與鋁基材接觸面的受力外徑為26.4 mm，基材受力面外徑大于墊圈外徑，在鋁基材受力變形后墊圈作為一個(gè)整體下陷，會(huì)避免上述問題的出現(xiàn).因此，在結(jié)構(gòu)位置允許的前提下，采用法蘭面螺栓及法蘭面螺母進(jìn)行緊固.

3 結(jié)論

(1)線路實(shí)測載荷下通過VDI 2230-2003分析的吊耳與其連接件間的防滑移安全系數(shù)偏小及故障螺栓表面明顯的磨損痕跡說明：地鐵客車轉(zhuǎn)向架軸箱體端部與吊耳的連接螺栓脫落的主要原因?yàn)榈醵c其連接件間存在相對滑動(dòng)現(xiàn)象；

(2)經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的新型輕質(zhì)金屬的吊耳結(jié)構(gòu)重量僅為原結(jié)構(gòu)重量的35%，而且一階固有頻率確為原結(jié)構(gòu)的1.3倍.當(dāng)?shù)醵c其連接件間出現(xiàn)相對滑動(dòng)又面臨遠(yuǎn)大于EN13749中規(guī)定的振動(dòng)加速度的線路激擾條件時(shí)，新型吊耳因其自重小且固有頻率高，可避免連接螺栓承受過大載荷；

(3)為提高吊耳與其連接件間的抗滑性，在結(jié)構(gòu)位置允許的前提下，建議采用法蘭面螺栓M12mm×100mm(10.9級)及法蘭面螺母M12mm進(jìn)行緊固.