潘虹宇，方 吉，薛寧鑫，張岱霖，謝素明

(1.大連交通大學(xué)機(jī)車車輛工程學(xué)院，遼寧 大連 116028；2.中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司，遼寧 長(zhǎng)春 130062)

0 引言

螺栓聯(lián)接因連接可靠、安裝和拆卸方便等優(yōu)點(diǎn)在軌道車輛結(jié)構(gòu)之間的連接中應(yīng)用廣泛。目前我國(guó)機(jī)械類產(chǎn)品的螺栓強(qiáng)度校核，普遍采用機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)中經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行校核[1-3]。通過(guò)對(duì)比德國(guó)工程師協(xié)會(huì)負(fù)責(zé)編寫的VDI 2230標(biāo)準(zhǔn)與機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)可以看出，VDI 2230標(biāo)準(zhǔn)中所考慮的細(xì)節(jié)比機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)中要詳細(xì)得多[4-5]，為了使得軌道車輛結(jié)構(gòu)螺栓聯(lián)接的強(qiáng)度評(píng)估更可靠，需要將VDI 2230標(biāo)準(zhǔn)引入到城軌列車車下?tīng)恳兞髌鞯穆?lián)接螺栓的評(píng)估中來(lái)。近些年國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者利用VDI 2230標(biāo)準(zhǔn)對(duì)聯(lián)接螺栓的強(qiáng)度進(jìn)行了評(píng)估。

在國(guó)內(nèi)，劉賢超等[6]采用接觸非線性靜強(qiáng)度理論對(duì)鐵路罐車進(jìn)行有限元計(jì)算并運(yùn)用VDI 2230標(biāo)準(zhǔn)對(duì)鐵路罐車端部支座聯(lián)接螺栓強(qiáng)度校核分析。陸軍等[7]基于VDI 2230標(biāo)準(zhǔn)從螺栓受力分析，表面壓力負(fù)載等多方面對(duì)匈牙利電力機(jī)車鉤緩裝置的螺栓安裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度校核。李曉峰等[8]通過(guò)機(jī)械設(shè)計(jì)方法、VDI 2230標(biāo)準(zhǔn)和非線性有限元法三種方法，對(duì)動(dòng)車組設(shè)備艙地板滑道與吊梁處聯(lián)接螺栓進(jìn)行強(qiáng)度校核，分析了三種評(píng)估方法的特點(diǎn)。在國(guó)外，Dario Croccolo等[9]通過(guò)對(duì)VID2230標(biāo)準(zhǔn)和其他標(biāo)準(zhǔn)或指南進(jìn)行分析討論，得出了選擇合適的高強(qiáng)度螺栓聯(lián)接的評(píng)估方法。László Molnár等[10]考慮了螺栓聯(lián)接分析模型結(jié)構(gòu)的真實(shí)特征，討論了數(shù)值模擬和應(yīng)力分析的問(wèn)題，分別闡述了應(yīng)用彈性和較彈塑性材料規(guī)律的解析量綱計(jì)算方法，檢驗(yàn)了螺栓聯(lián)接計(jì)算中的誤差大小。Bruno Marbacher[11]基于VDI2230標(biāo)準(zhǔn)討論了螺栓夾緊部件的結(jié)構(gòu)對(duì)螺栓裝配的影響，提出在螺栓聯(lián)接結(jié)構(gòu)必須進(jìn)行評(píng)估和測(cè)試以確保其在應(yīng)用中是安全可靠的。

為了縮短建模時(shí)間及減小工作量，大部分研究人員基本都是采用簡(jiǎn)化模擬模型[12-13]。但一般的簡(jiǎn)化模擬模型僅包含需要校核螺栓強(qiáng)度的設(shè)備，并未考慮其他大質(zhì)量設(shè)備以及地板變形對(duì)所需校核的設(shè)備安裝螺栓強(qiáng)度的影響。

為了可靠評(píng)估某城軌列車車下?tīng)恳兞髌鞯穆?lián)接螺栓強(qiáng)度，本文分別建立了三種不同簡(jiǎn)化程度的有限元模擬模型，對(duì)比分析了不同模型對(duì)螺栓工作載荷的影響，同時(shí)也考慮了被考察設(shè)備周圍位置存在的大質(zhì)量設(shè)備和地板變形對(duì)螺栓強(qiáng)度的影響。為了縮短螺栓強(qiáng)度校核周期，運(yùn)用Python語(yǔ)言開(kāi)發(fā)了基于VDI 2230標(biāo)準(zhǔn)的螺栓強(qiáng)度評(píng)估軟件，對(duì)牽引變流器的聯(lián)接螺栓強(qiáng)度就行評(píng)估，并給出改進(jìn)方案，為我國(guó)軌道車輛結(jié)構(gòu)螺栓聯(lián)接的設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持。

1 牽引變流器安裝螺栓強(qiáng)度評(píng)估模型

某城軌列車車下?tīng)恳兞髌鞯穆?lián)接螺栓結(jié)構(gòu)如圖1所示。該牽引變流器采用8個(gè)M16×60的8.8級(jí)高強(qiáng)度螺栓固定在車體地板的C型滑槽上。

VDI 2230 標(biāo)準(zhǔn)中的強(qiáng)度評(píng)估公式中考慮了螺栓的柔度、被夾緊件的柔度及變形、螺栓與被夾緊件之間的摩擦，螺栓預(yù)緊力的損失等，而這些都可以通過(guò)螺栓的型號(hào)和被加緊件的基本參數(shù)經(jīng)過(guò)計(jì)算來(lái)獲得，另外還需提供一個(gè)最重要的參數(shù)即螺栓的工作載荷。由于螺栓聯(lián)接的局部細(xì)節(jié)參數(shù)都在評(píng)估公式中得以考慮，因此建立有限元模型時(shí)可以簡(jiǎn)化螺栓連接的局部細(xì)節(jié)，一般情況下采用梁?jiǎn)卧M螺栓聯(lián)接即可，通過(guò)提取有限元仿真計(jì)算結(jié)果中梁?jiǎn)卧氖芰纯色@得螺栓的工作載荷。

為了提高效率通常情況下校核軌道車輛附屬件聯(lián)接螺栓強(qiáng)度的仿真模型需要簡(jiǎn)化，最常用方式是將車體地板截取一部分并于附屬件結(jié)構(gòu)一并進(jìn)行建模。圖2所示為常用簡(jiǎn)化模型，其中單元數(shù)為593687，節(jié)點(diǎn)數(shù)為560277；該車底架吊掛設(shè)備牽引變流器安裝位置附近存在一個(gè)質(zhì)量為3噸的牽引變壓器，如圖4所示，由于該設(shè)備質(zhì)量較大，在沖擊載荷作用下可能對(duì)車體地板的變形有影響，從而影響到牽引變流器工作載荷的分布，本文建立了局部簡(jiǎn)化模型，如圖3所示，其中單元數(shù)為355305，節(jié)點(diǎn)數(shù)為332004；另外為了考察整車車體結(jié)構(gòu)剛度及地板變形對(duì)聯(lián)接螺栓工作載荷的影響，建立如圖4所示的整車有限元模型，其中單元數(shù)為2604701，節(jié)點(diǎn)數(shù)為2373656。其中圖2和圖3兩種簡(jiǎn)化模型是截取自圖4整車模擬模型，保證了三種模擬模型網(wǎng)格精度的一致性。

2 計(jì)算載荷工況

由于牽引變流器本身不承受外界載荷直接作用，只是在列車受到?jīng)_擊或振動(dòng)情況下承受加速度載荷作用，因此本次計(jì)算工況采用EN12663標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的沖擊加速度工況，如表1。

表1 沖擊載荷計(jì)算工況

3 牽引變流器安裝螺栓工作載荷對(duì)比分析

螺栓的工作載荷有螺栓所受的軸向力、剪切力和扭矩。整車模擬模型計(jì)算結(jié)果中提取的工作載荷如表2所示。經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)在載荷工況5條件下，三個(gè)模型對(duì)應(yīng)的工作載荷差別比較大，其中，軸向力對(duì)比見(jiàn)圖5，剪切力對(duì)比見(jiàn)圖6，扭矩對(duì)比見(jiàn)圖7。

表2 整車模擬模型工作載荷匯總

從圖5、圖6、圖7可以看出，整車模擬模型提取的軸向力和扭矩是三個(gè)模型中最大的，其中常用簡(jiǎn)化模型提取的工作載荷最?。痪植亢?jiǎn)化模型對(duì)應(yīng)的載荷較整車模擬模型的工作載荷略小。為了查明常用簡(jiǎn)化模型和整車模擬模型的工作載荷差異較大的原因，對(duì)三個(gè)模型的車體地板變形進(jìn)行了詳細(xì)的分析。圖8-圖10給出了三個(gè)模型地板垂向相對(duì)位移。

從圖8-圖10位移云圖可以看出，常用簡(jiǎn)化模型因忽略了牽引變壓器的載荷作用，車體地板垂向最大變形只有0.595 mm。局部簡(jiǎn)化模型因模型中考慮了牽引變壓器的載荷作用，車體地板也產(chǎn)生了局部變形(2.702 mm)。整車模擬模型車地板由于牽引變壓器的載荷作用，使得牽引變流器安裝位置的車底架產(chǎn)生了較大局部垂向變形(3.37 mm)。通過(guò)位移分析可以看出，車下設(shè)備之間存在相互影響，尤其是質(zhì)量較大的設(shè)備，他們之間可能存在相互影響，建議在建立簡(jiǎn)化模型過(guò)程中，質(zhì)量較大的部件需要同時(shí)考慮到有限元模型中，才能獲得較準(zhǔn)確的工作載荷。

4 基于VDI 2230標(biāo)準(zhǔn)的螺栓評(píng)估軟件開(kāi)發(fā)

VDI 2230標(biāo)準(zhǔn)提供了螺栓強(qiáng)度評(píng)估過(guò)程，需要引入大量的計(jì)算參數(shù)和公式，步驟繁瑣且手工計(jì)算耗時(shí)費(fèi)力且容易出錯(cuò)。為了提高螺栓強(qiáng)度評(píng)估的效率，本文運(yùn)用Python語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)，開(kāi)發(fā)了基于VDI 2230標(biāo)準(zhǔn)的螺栓強(qiáng)度評(píng)估軟件，軟件評(píng)估流程如圖11所示。該軟件可以具有多螺栓多工況批量處理等功能，方便快捷，同時(shí)為了方便該軟件的工程應(yīng)用，軟件設(shè)置了如圖12所示的操作界面，另外為評(píng)估結(jié)果的可視化顯示設(shè)置了相關(guān)界面，圖13為滑移系數(shù)顯示界面。

5 牽引變流器安裝螺栓強(qiáng)度校核

牽引變流器安裝螺栓的初始設(shè)計(jì)參數(shù)主要依據(jù)GB/T 5782—2000標(biāo)準(zhǔn)、ISO 4032標(biāo)準(zhǔn)和VDI 2230等標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行選取，表3列出了部分主要參數(shù)。

表3 牽引變流器安裝螺栓部分主參數(shù)

利用本文開(kāi)發(fā)的螺栓評(píng)估軟件計(jì)算輸出部分螺栓校核所需參數(shù)如柔度、載荷系數(shù)和變形錐角度等參數(shù)如表4所示。

根據(jù)VDI 2230標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)螺栓的強(qiáng)度基本要求如下。

1)工作應(yīng)力安全系數(shù)

(1)

2)表面應(yīng)力系數(shù)

(2)

3)滑移安全系數(shù)

(3)

4)防止剪切安全系數(shù)

(4)

經(jīng)過(guò)VDI聯(lián)接螺栓強(qiáng)度評(píng)估軟件評(píng)估牽引變流器安裝螺栓的強(qiáng)度結(jié)果如表5所示。

表5 牽引變流器安裝螺栓評(píng)估結(jié)果

根據(jù)公式(1)至公式(4)螺栓安全系數(shù)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，從表5可以看出工作應(yīng)力安全系數(shù)不滿足設(shè)計(jì)要求。由公式(1)可以得出影響工作應(yīng)力安全評(píng)估的主要因素有：螺栓材料的屈服強(qiáng)度RP0.2min和螺栓的直徑、工作載荷。其中工作載荷主要與牽引變流器的質(zhì)量及結(jié)構(gòu)剛度有關(guān)，該結(jié)構(gòu)由設(shè)備功能及空間等因素決定，結(jié)構(gòu)改進(jìn)工作量比較大，而提高螺栓直徑會(huì)增加結(jié)構(gòu)總質(zhì)量，因此，最簡(jiǎn)單易行的改進(jìn)方式是選取強(qiáng)度等級(jí)更高材料的螺栓。鑒于此，本文提出將螺栓強(qiáng)度等級(jí)由8.8級(jí)改為10.9級(jí)作為改進(jìn)方案，經(jīng)過(guò)VDI 2230標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)改進(jìn)方案的評(píng)估結(jié)果如表6所示。

從表6可以看出，工作應(yīng)力安全系數(shù)隨螺栓強(qiáng)度的提高而增大，6個(gè)工況下工作應(yīng)力安全系數(shù)均大于1.0，滿足VDI 2230標(biāo)準(zhǔn)要求，其余各項(xiàng)指標(biāo)也滿足VDI 2230標(biāo)準(zhǔn)要求，為某城軌車輛牽引變流器安裝螺栓聯(lián)接的方案改進(jìn)提供技術(shù)支持。

表6 改進(jìn)方案評(píng)估結(jié)果

6 結(jié)論

本文以某城軌列車車下?tīng)恳兞髌鞯穆?lián)接螺栓為研究對(duì)象，經(jīng)載荷工況模擬分析及螺栓強(qiáng)度評(píng)估得出主要結(jié)論如下：

1)通過(guò)本文的三種不同簡(jiǎn)化模型的牽引變流器的聯(lián)接螺栓工作載荷分析結(jié)果可以看出，有限元模擬模型的簡(jiǎn)化方式會(huì)對(duì)螺栓工作載荷的分布存在影響，尤其是存在安裝位置密集的質(zhì)量較大的設(shè)備時(shí)，建模過(guò)程中需要考慮大質(zhì)量設(shè)備對(duì)車體地板變形的影響，從而獲得更貼近實(shí)際的工作載荷。

2)基于Python語(yǔ)言編譯的螺栓聯(lián)接強(qiáng)度評(píng)估軟件，可以實(shí)現(xiàn)軌道車輛安裝設(shè)備螺栓強(qiáng)度的快速評(píng)估，為我國(guó)軌道車輛結(jié)構(gòu)螺栓聯(lián)接的設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持。

3)通過(guò)對(duì)牽引變流器安裝螺栓強(qiáng)度評(píng)估結(jié)果可以看出該安裝螺栓未達(dá)到強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求；本文綜合考慮了經(jīng)濟(jì)性和自重等因素，提出了通過(guò)提高螺栓強(qiáng)度等級(jí)的改進(jìn)方案，通過(guò)VDI 2230標(biāo)準(zhǔn)的驗(yàn)算證明了該改進(jìn)方案的有效性。