加载速率对动车组Huck铆钉剪切性能影响的研究

王永岩，张向峰，闫蕾蕾

(青岛科技大学机电工程学院，山东 青岛 266061)

【新材料】

加载速率对动车组Huck铆钉剪切性能影响的研究

王永岩，张向峰，闫蕾蕾

(青岛科技大学机电工程学院，山东 青岛 266061)

针对动车组速度不断提高而造成的Huck铆钉在运行中频繁断裂的问题，应用万能材料力学试验机对Huck铆钉铆接件在不同的加载速率下进行铆钉剪切试验，研究加载速率对其剪切力学性能的影响。通过对比3组不同加载速率下的Huck铆钉的剪切试验数据以及铆接件载荷-位移曲线，得出随着加载速率的增加，Huck铆钉的弹性起点平均载荷值、塑性起点平均载荷值以及弹性区间均减小而刚度有所增加等规律。试验结果表明，当采用的Cr12MoV冷作模具钢洛氏硬度值HRC范围在40～50之间时，铆钉孔几乎不变形且铆接试件在动态载荷下不易断裂。本文获取的相关结论对Huck铆钉在动车组上的设计与改进将起到重要的参考作用。

Huck铆钉；加载速率；剪切性能

焊接、铆接以及螺栓连接是动车组零部件连接中的三大主要形式。长期以来，焊接是其中最主要的连接形式。但是，焊接过程容易产生残余应力以及构件变形，尤其是对相对较薄的钢板来说，焊接变形较大。普通铆钉或螺栓等紧固件，连接可靠性相对较低，后期维护成本高。与普通铆钉和螺栓等紧固件不同，Huck铆钉是利用胡克原理，通过专用气动拉铆枪，在拉力的作用下，拉伸铆钉栓杆，推动挤压套环，将套环挤压到环槽的栓杆上，从而产生永不松动的特性，防松性好、连接强度高，在动车组上应用日趋广泛[1-2]。

随着动车组的不断提速，轨道不平顺引起的动态力学性能问题显得尤为突出。在周期检修中发现，列车的铆接结构中的Huck铆钉经常出现断裂脱落，严重影响了列车高速行驶的安全性。因此，有必要对Huck铆钉的动态特性进行研究。本文应用300 kN万能材料力学试验机，在不同的加载速率下对动车组用的Huck铆钉进行剪切试验研究，分析加载速率对Huck铆钉剪切性能的影响，为动车组Huck铆钉的应用以及铆接件改进提供参考依据[3-5]。

图1 Huck铆钉结构图Fig.1 Structure diagram of Huck rivet

1 试件及试件夹具

1.1 试件结构及性能参数

本次Huck铆钉动态剪切试验采用美国进口SUS304牌号不锈钢的M4Huck铆钉，其夹紧力为8 030 N, 拉伸力为16 680 N。Huck铆钉的结构如图1所示。

1.2 试件夹具结构形式

图2 折弯板结构图Fig.2Structure diagram of bending plate

图3 铆接试样结构图Fig.3Structure diagram of the rivet sample

1.3 试件夹具性能要求

考虑到折弯板孔径对铆钉的剪切性能有一定的影响[8]，因此在进行铆接件的动态拉伸试验过程中，应尽量保证折弯板铆钉孔不变形。本试验通过控制折弯板的硬度值来确保铆钉孔的变形程度，硬度越高，铆钉孔的变形程度越低，但是高硬度值的折弯板脆性较高，在动态拉伸试验过程中容易发生断裂。

本文以Cr12MoV冷作模具钢的洛氏硬度值为参考指标，取3组不同的洛氏硬度值的试件夹具进行试验，采用位移加载控制方法，加载速率为2.5 mm/min，直至铆钉被剪断停止试验，图4a、b和c给出了不同洛氏硬度值的试件夹具试验后的效果图。

(1)硬度值HRC范围在35 ～ 40左右(图4a)。在该范围内，试件夹具铆钉孔处由于材料过软，在铆接件的动态拉伸过程中，因Huck铆钉与铆钉孔接触应力较大，易发生挤压屈服，导致铆钉孔被挤压变形，但铆钉孔周边无明显裂纹产生，试件夹具不易断裂。

(2)硬度值HRC范围在40 ～ 50左右(图4b)。在该范围内，通过试验发现，试件夹具在动态拉伸后，铆钉孔处几乎不变形，且在多次动态拉伸过程中，试件夹具不发生断裂。

(3)硬度值HRC范围在50 ～ 60左右(图4c)。在该范围内铆接件的动态拉伸过程中，铆钉孔不发生变形，但是由于材料硬度过高，塑性较低，导致试件夹具在动态拉伸过程中铆钉孔周易产生裂纹，持续加载，试件夹具易断裂。

综上分析，本文采用洛氏硬度值HRC为45的Cr12MoV材料冷作模具钢进行试验。

图4 不同硬度值试件夹具效果图Fig.4 Design sketch of test pieces with different hardness

2 试验方案及结果分析

2.1 试验方案

㊵参见习近平《决胜全面建成小康社会 夺取新时代中国特色社会主义伟大胜利》，人民出版社2017年版，第24、49、31页。

参照国标GB/T3098.18—2004[7]，应用美国美特斯公司生产的300 kN万能材料力学试验机，对图3所示的铆接试样分别在2.5 mm/min、5 mm/min以及10 mm/min的不同加载速率下进行拉伸试验。采用成组法，每个速率水平下取3个试件，通过万能材料力学试验机夹头夹持图3所示铆接试样距两端1/3处，夹持过程中保持铆接试样相对于试验台的垂直角度，尽量减小由于装夹不正而导致铆钉承受附加弯矩作用而影响试验结果的准确性，详见图5。

图5 试验机及铆接试样夹持图Fig.5Photos of test machine and riveting sample clamp

2.2 试验分析

本文取弹性阶段起点载荷值，塑性阶段起点载荷值，弹、塑性阶段起点差值以及Huck铆钉最大抗剪力作为研究加载速率对Huck铆钉剪切性能影响的参考参数，3组试件的参考参数试验数据见表1。

表1 Huck铆钉铆接试样在不同加载速率下测试结果

图6 弹性起点载荷平均值与加载速率关系曲线Fig.6Relation curve between average load value of elastic starting point and loading rates

图7 塑性起点载荷平均值与加载速率关系曲线Fig.7Relationship curve between average load value of plastic starting point and loading rates

2.2.1 加载速率对Huck铆钉弹性起点影响

通过表1给出的试验数据,结合图6所示的弹性起点载荷平均值与加载速率的关系曲线，可以看出随着加载速率的增加，Huck铆钉的弹性起点载荷值呈单调降低趋势。加载速率为2.5 mm/min时，弹性起点载荷平均值为5 571.1 N；当加载速率增加至10 mm/min，弹性起点载荷平均值降至4 486.5 N，相比下降19.5%。

2.2.2 加载速率对Huck铆钉塑性起点影响

对比表1给出的3种不同加载速率下Huck铆钉的塑性起点载荷平均值，可以发现Huck铆钉塑性起点平均载荷值随加载速率的增加而减小，加载速率为2.5 mm/min时，塑性起点载荷平均值为13 418.9 N；当加载速率增加至10 mm/min，塑性起点载荷平均值降至9 668.2 N，相比下降27.9%。通过图7也可明显看出塑性起点平均载荷值与加载速率的关系。

2.2.3 加载速率对Huck铆钉弹性区间影响

弹、塑性起点差值，即弹性区间与加载速率的关系可以从表1以及图8中看出。由表1可见，当加载速率分别为2.5、5、10 mm/min时，Huck铆钉的弹、塑性起点平均差值分别为7 847.8 N、7712.2 N和5 181.7 N，下降33.9%。图8给出了弹、塑性起点平均差值与加载速率的关系曲线，可以看出弹、塑性起点平均差值随加载速率单调递减。

2.2.4 加载速率对Huck铆钉抗剪强度影响

由表1的试验数据结合图9所示的最大抗剪力与加载速率的关系曲线，可以看出铆钉的最大抗剪力约为20 kN,与加载速率无明显规律可循，可认为铆钉的抗剪强度在10 mm/min的加载速率之内，几乎不受加载速率的影响。

图8 弹、塑性起点差值与加载速率关系曲线Fig.8Relationship curve between the difference of elastic and plastic origin points and loading rates

图9 最大抗剪力与加载速率关系曲线Fig.9Relationship curve between maximum shear stress and loading rates

2.2.5 加载速率对Huck铆钉刚度影响

图10 不同加载速率下Huck铆钉铆接试样拉伸性能曲线Fig.10 Tensile property curves of riveting sample of Huck rivet with different loading rates

图10给出了3种不同加载速率下，Huck铆钉铆接试样的拉伸性能曲线。从图中可以明显看出，随着加载速率的增加，Huck铆钉的线弹性阶段的斜率增大，即铆钉的刚度增加。与此同时，Huck铆钉的最大抗剪力几乎保持不变，大约在20 kN左右，与图9给出的关系曲线相吻合。此外，Huck铆钉最大抗剪力对应的位移值随加载速率的增加而减小。

2.2.6 破坏模式

根据试验发现，不同加载速率下，铆钉的断裂失效方式大致相同，均是在两折弯板试件夹具接触面处的剪切面发生断裂，而铆钉头部与折弯板试件夹具接触面以及套环端面与折弯板试件夹具接触面无明显裂纹。从图11的铆钉断裂失效图可以看出，铆钉的断口较为平整，断面收缩较小，可知Huck铆钉的塑性变形能力较低[9-15]。

图11 铆钉失效图Fig.11 Failure diagram of the rivet

3 结论

本文通过对不同洛氏硬度的Cr12MoV冷作模具钢折弯板夹具进行试验分析，发现在洛氏硬度值HRC 40 ～ 50范围内进行Huck铆钉动态剪切试验，折弯板铆钉孔变形最小。选取3种不同加载速率对Huck铆钉进行剪切性能研究，发现随着加载速率的增加，Huck铆钉的弹性起点平均载荷值、塑性起点平均载荷值以及弹、塑性起点平均差值均呈现单调递减趋势，而加载速率对Huck铆钉的最大抗剪力影响不大。另外，通过不同加载速率下的Huck铆钉铆接试样的拉伸性能曲线对比研究，得出随着加载速率的增加，Huck铆钉的刚度增加，并且最大抗剪力对应的位移值呈现减小趋势。

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Impact of loading rate on shear property of Huck rivet of EMUs

WANG Yong-yan, ZHANG Xiang-feng, YAN Lei-lei

(School of Mechanical and Electrical Engineering, Qingdao University of Science & Technology, Qingdao 266061,China)

∶ For the issue of continual speed increase of EMUs caused frequent Huck rivet rapture, we employ universal mechanical testing machine to perform rivet shear test for riveting components of Huck rivet with different loading rates to investigate the impact of loading rate on its shear mechanical property. Through the comparison of the shear test data and the load-displacement curve of Huck rivet of three different loading rates, we discover that average load value of elastic and plastic starting points and elastic scope of Huck rivet all decrease with the increase of loading rate, but its stiffness increases. Test results show that Huck rivet is not distorted and rivet hole is not apt to break when the HRC of Cr12MoV Cold Working Die steel is within the scope of 40～50. The relevant conclusion will provide significant reference for the design and improvement of Huck rivet of the EMUs.

∶Huck rivet; loading rate; shear property

10.3976/j.issn.1002-4026.2016.06.010

2016-06-16

教育部科技发展中心项目(20133719110005)

王永岩(1956—)，男，博士，教授，研究方向为振动与控制、结构仿真预测以及力学。E-mail：wangyongyan168@163.com

TB302.2

A

1002-4026(2016)06-062-06