螺纹露扣问题的力学分析

陈飞　李树栋　梁雯雯　杨晓云　郑晓倩

摘   要： 根据机械行业标准JB/ZQ 4247-2006，对于地铁车辆，螺栓与螺母联接时末端长度至少要露出2～3扣。以M6螺栓为例，应用ABAQUS软件，对螺栓与螺纹块联接在8种不同工况下的力学性能进行分析，就螺栓与螺纹块联接时是否也应满足此露扣技术要求、应力效果等展开讨论。应用米塞斯应力云图研究表明：同一厚度的螺纹块与螺栓联接时，在满足漏扣标准的情况下，螺纹块与螺栓受力均匀，承载稳定;对于不同厚度的螺纹块，通过减小螺纹块的厚度来达到漏扣要求会导致螺栓受力变大，不可取。在螺栓设计与制造中，应该严格参照机械行业标准JB/ZQ 4247-2006执行螺纹露扣相关要求。

关键词： 螺纹露扣;地铁车辆;机械行业标准;JB/ZQ 4247-2006;螺栓;螺纹块;米塞斯应力

中图分类号：U213.5+2    文献标识码：A    文章编号：2095-8412 （2020） 04-050-04

工业技术创新 URL： http：//gyjs.cbpt.cnki.net    DOI： 10.14103/j.issn.2095-8412.2020.04.009

引言

螺栓联接在城轨地铁车辆生产过程中应用非常广泛。目前，地铁车辆中常用的紧固件有：螺栓、螺钉和螺柱，这些螺栓的设计与制造都是依据机械行业标准《普通螺纹、外螺纹余留长度，钻孔余留深度，螺栓突出螺母的末端长度》（JB/ZQ 4247-2006）来执行的[1]。现摘录不同螺距下普通螺纹内、外螺纹余留长度，钻孔余留深度，螺栓突出螺母的末端长度的数据选取表格，如图1所示。从图1可以看出：对于常用于地铁车辆的不同螺距及螺纹直径的螺栓，其末端长度至少要露出2～3扣。那么露出2～3扣的好处是什么呢？在地铁车辆生产过程中，除了螺栓与螺母的联接结构，还有一些其他的联接结构，比如螺栓与螺纹块的联接结构，它们是否也应该满足露出2～3扣的要求呢？

本文从机械行业标准JB/ZQ 4247-2006中的露扣要求以及螺栓与螺纹块出发，对标准和实际工程中技术符合性进行分析和讨论。主要研究内容：以M6螺栓与螺纹块为研究对象，选取不同厚度的螺纹块;以标准扭力矩将螺栓与螺纹块紧固，比较应力状态;探讨螺栓与螺纹块联接时露扣不同的情形下的受力情况。

1  有限元分析

1.1  材料属性

JB/ZQ 4247-2006属于重载机械行业标准，适用于地铁组装制造过程，对于地铁车辆普通螺纹、外螺纹余留长度，钻孔余留深度，螺栓突出螺母的末端长度等的应用情况具有相应的指导作用，尤其在地铁车辆使用较多的M6大小的螺纹连接中更是如此。

1.2  有限元模型构建及网格划分

根据实际工况，在ABAQUS中建立M6螺栓与不同厚度的螺纹块（铝板）联接的有限元模型[2]。为了考察螺栓紧固状态下螺纹牙的受力状况，可采用轴对称二维结构，模型中考虑螺纹配合联接时，内外螺纹牙顶与牙底之间存在0.02 mm间隙。本次仿真共建立了8种不同组合的有限元模型。螺纹配合部分网格细节构造如图2所示。

1.3  载荷及约束

约束铝板边界6个方向的自由度，在螺栓受预紧力截面设置轴心参考点[3]，并将截面与该点进行耦合，约束轴向自由度，同时约束参考点除轴线外的其他自由度。螺栓参考点加载集中拉应力（M6螺栓预紧力）为7 200 N[4]。有限元模型约束与载荷示意如图3所示。

2  计算结果与讨论

依次对每个模型进行有限元分析，以米塞斯（Mises）应力作为考察的物理场。米塞斯应力是第四强度理论中的等效应力[5]，能够很好地反映整体的应力状态。经过计算，得到8种模型的米塞斯应力云图，如图4a～4h所示。

由图4d～4h可以看出：在同一种板厚工况下，应力最大的位置出现在螺栓与螺纹块最开始咬合的位置，其数值最大为7.8 MPa;漏出1扣和2扣时，螺栓的应力值最小，且应力分布较均匀，其数值最大为7.6 MPa;而漏出0扣及沉下1扣和2扣時，螺栓受力不均匀，且主要受力偏向于螺栓与螺纹块的咬合位置，在长期使用过程中，该位置极易出现螺纹牙断裂，具有松动的风险。

由图4a～4c可以看出：当螺纹块厚度为6 mm，漏出0扣时，该工况不满足标准JB/ZQ 4247-2006，但是我们可以减小螺纹块的厚度，将6 mm的厚度减小为4 mm，此时螺栓可以漏出2扣，这就满足标准JB/ZQ 4247-2006了。但是由图4a可以明显地看出，应力值增加了0.22 MPa，应力值的增加会加重螺栓和螺纹块咬合位置的受力，使其使用寿命下降。因此在实际应用中通过减小螺纹块的厚度来达到标准JB/ZQ 4247-2006中的漏扣要求是不可取的。

3  结论与讨论

通过对M6螺栓在8种不同工况下的受力分析可以得出：

（1）对于同一厚度的螺纹块，在满足标准JB/ZQ 4247-2006中规定的工况下，螺栓和螺纹块的受力均匀，承载稳定，使用寿命长。

（2）对于不同厚度的螺纹块，为了满足标准JB/ZQ 4247-2006而减小螺纹块的厚度会导致螺栓受力变大。这会使得螺栓螺纹咬合长度减小，从而增加整体结构的应力。

（3）在实际生产中，设计人员应该严格选型，并进一步确保螺栓联接的可靠性，制造人员应该严格按照标准JB/ZQ 4247-2006中的规定来安装及制造螺栓，保证螺栓联接产品值得信赖。

参考文献

[1] 普通螺纹内、外螺纹余留长度，钻孔余留深度，螺栓突出螺母的末端长度： JB/ZQ 4247-2006[S].

[2] 劉展. ABAQUS6.6基础教程及实例详解[M]. 北京： 中国水利水电出版社， 2010.

[3] 于强. 冷成型钢组合墙体受剪与轴压力学性能数值模拟[D]. 南京： 东南大学， 2016.

[4] 杨晓芸. 紧固扭力矩选用标准规范[Z]. 中车南京浦镇车辆有限公司， 2017.

[5] 徐华轩， 江中贵. 连续梁（刚构）挂篮标准化[J]. 铁道建筑技术， 2010， 23（8）： 105-108.

作者简介：

陈飞（1987—），通信作者，男，汉族，学士，高级工程师。主要研究方向：轨道车辆组装工艺、制造工艺、智能制造。

E-mail： chenfei.nj@crrcgc.cc

（收稿日期：2020-03-26）

Mechanical Analysis on Buckle Issues of Screw Thread

CHEN Fei， LI Shu-dong， LIANG Wen-wen， YANG Xiao-yun， ZHENG Xiao-qian

（CRRC Nanjing Puzhen Vehicle Co.， Ltd.， Nanjing 210031， China）

Abstract： According to the mechanical industry standard JB/ZQ 4247-2006， for metro vehicles， the end length of bolt and nut should be exposed at least 2～3 buckles. Taking M6 bolt as an example， the mechanical properties of bolt and screw threaded block connection under 8 different working conditions are analyzed by using ABAQUS software， whether the connection between bolt and screw threaded block should also meet such a buckle requirement is discussed.. The results of Mises stress nephogram show that when the screw threaded block with the same thickness is connected with the bolt， the screw threaded block and bolt are under uniform stress and stable bearing capacity when meeting the buckle standard; for the screw threaded block with different thicknesses， reducing the thickness of the screw threaded block to meet the buckle requirement will lead to the bolt stress increase， which is not advisable. In the design and manufacture of bolts， it is necessary to strictly refer to the mechanical industry standard JB/ZQ 4247-2006.

Key words： Buckle of Screw Thread; Metro Vehicle; Mechanical Industry Standard; JB/ZQ 4247-2006; Bolt; Screw Threaded Block; Mises Stress