扶手连接轴结构紧固螺栓失效浅析

常虹 任明 葛万明

中车南京浦镇车辆有限公司，中国·江苏 南京 210000

1 引言

地铁车辆客室扶手是内装的重要组成部分，也是乘客乘车时接触最多的区域，其装配的质量将直接影响车辆的运营及乘客的安全。论文主要介绍扶手连接轴形式的连接原理，及连接中螺栓的失效原因及优化措施。

2 扶手连接原理

整体扶手形式如图1所示，扶手杆采用304L 不锈钢管，在扶手杆对接处，连接轴置于相邻扶手内部，连接轴外径比扶手杆内径小0.5mm。

图1 整体扶手形式

如图2所示，连接轴断面呈“C”型，连接轴开有通长槽口结构，连接轴上半结构带有两个M6 的内螺纹孔。安装过程中，螺栓旋入连接轴的螺纹内，螺栓尾部抵在连接轴开槽平面上，使得连接轴的开槽角度变大，进而连接轴与扶手杆内壁存在摩擦副，通过摩擦副的作用“抱紧”扶手，如图3所示。

图2 连接轴结构

图3 连接轴与扶手连接状态

3 连接失效形式

沿扶手轴向拉动扶手，扶手杆与连接轴间摩擦副存在滑动，即出现扶手杆松脱现象。为满足扶手杆与连接轴不松脱，摩擦副间需要较大的静摩擦力，进而需要更大的正压力[1]。实际安装中，分别选用8.8 级-M6 螺栓及A2-70-M6 螺栓进行紧固，在施加标准扭矩时，扶手均出现松脱现象，当施加扭矩13Nm 时，扶手不松脱，但螺栓及连接轴存在以下失效形式，具体如表1所述。

表1 8.8 级-M6 螺栓及A2-70-M6 螺栓对比

失效1：碳钢螺栓断裂失效，断裂位置在螺栓头部下方啮合螺纹第1 扣螺纹处，如图4所示。

失效2：不锈钢螺栓失效分两种：50%的螺栓螺纹损坏，螺杆出现颈缩但未断裂；50%的螺栓螺杆断裂。失效位置皆在螺栓头部下方啮合螺纹第1 扣螺纹处，如图4所示。

图4 螺栓示意图

失效3：连接轴螺纹存在损坏现象，如图5所示。

图5 左侧螺栓无法旋入，连接轴内螺纹损坏

4 失效形式原因分析

在实际安装中，为达到扶手不松脱，螺栓紧固扭矩在13Nm 以上，远大于螺栓允许施加扭矩值（如表2所示），初步分析过扭应是造成螺栓与连接轴失效的根本原因。

表2 螺栓允许施加扭矩值

4.1 螺栓强度校核

将受力情况进行简化，取单个螺栓受力情况，如图6所示，扶手与连接轴间的正压力设为F0，即螺栓受到的预紧力，扶手杆受外部拉力设为F。连接轴外壁与扶手内壁间摩擦系数设为μ，扶手与连接轴间的最大静摩擦力Fmax=F0*μ，查询材质属性，取μ=0.15。

图6 单个螺栓受力情况

实际安装中，每个扶手松脱现象，皆是在人双手紧握扶手，整个身体猛然向后，给扶手的一个横向冲力产生的，扶手的松脱是一个冲量过程，根据冲量与动量的关系可知：mV1-mV2=Ft,其中m 取平均人体重60kg，晃动时的瞬间速度取3m/s，即V1=3m/s，V2=0，扶手产生缝隙时间t 取0.1s，从而得出F=（mV1-mV2）/t=1800N。

要想保证扶手不松脱，需满足F ≤Fmax，即F ≤F0×μ，从而得出F0≥F/μ，即F0≥12000N。

在连接轴与扶手内壁“顶住”后，螺栓尾部与连接轴间的摩擦副作用，使得螺栓尾部“锁死”，在扭矩作用下，螺栓除了受压应力，还受到扭转应力。根据第四强度理论，螺栓预紧状态下的计算应力为：

即螺栓危险截面的强度应力：

其中，要保证扶手不松脱，F0 ≥12000N，螺纹小径d1=5.0mm，代入式中，可得：σca ≥795MPa。

螺栓危险截面的强度条件需满足：

碳钢8.8 级螺栓极限应力σlim为800MPa，A2-70 不锈钢螺栓极限应力σlim为700MPa，可知，碳钢螺栓和不锈钢螺栓的许用强度[σ]小于795MPa。因此，由于螺栓过载，出现断裂、颈缩等失效现象。

4.2 螺栓失效位置分析

螺纹啮合过程中，第1 扣螺纹受力最大，以后每扣受力非线性递减，如图7所示，所以在拆装过程中，螺栓失效位置皆在螺栓头部下方旋合螺纹第1 扣螺纹处。

图7 螺栓失效位置分析

4.3 碳钢螺栓与不锈钢螺栓失效对比

在实际拆装过程中，碳钢螺栓过扭后很容易断裂，而不锈钢螺栓断裂情况相对少一些，以下从屈强比方面进行简单阐述。

8.8 级碳钢螺栓断裂强度为800MPa，屈服强度为640MPa，屈强比为0.8。A2-70 不锈钢螺栓断裂强度为700MPa，屈服强度为450MPa，屈强比为0.6。

在螺纹啮合过程中，由于不锈钢螺栓屈强比较低，螺栓发生塑性变形后，能够有较多时间将螺纹受力向后面几扣螺纹进行传导，而碳钢螺栓屈强比较高，发生塑性变形后，较快地达到强度极限，所以出现断裂的情况较多，而不锈钢螺栓出现断裂的情况相对少一些[2]。

4.4 连接轴失效

连接轴无需考虑断裂的情况发生，仅考虑是否容易发生塑性变形。连接轴的屈服强度极限在235MPa 左右，数值较小，很容易发生塑性变形，发生螺纹损坏现象。

5 优化措施

5.1 增大连接轴与扶手间的摩擦系数

根据Fmax=F0*μ 可知，在Fmax不变的情况下，增大μ，则F0则变小，螺栓受力变小，螺栓不容易出现断裂等失效。增大连接轴与扶手内壁的摩擦系数，可采用连接轴外壁滚花、倒刺处理，或者在连接轴外壁增加摩擦系数大的材料，如橡胶等。

5.2 提高螺栓刚度等级

根据强度校核可知，提高σlim，可以承受更大的实际应力σca。提高螺栓强度极限，可选用10.9 级碳钢螺栓、直径等级更大的螺栓，或合金高强度螺栓。

同时，需要相应增加连接轴内螺纹强度等级，连接轴可采取屈服强度极限更大的材料制作并攻丝处理，或在连接轴内嵌与螺栓等级相应的螺母。

5.3 更改结构

由于依靠螺栓的紧固来保证扶手不松脱，螺栓承受应力较大，对于普通M6 螺栓较难达到，可增加弹簧销、键连接结构，如图8所示。

图8 更改结构

6 结语

论文以地铁项目扶手连接轴结构螺栓失效为研究对象，通过螺栓强度校核发现主要原因是螺栓强度无法满足要求，并由此提出以下优化措施：①增加扶手与连接轴间摩擦系数；②选用强度极限更大的紧固件；③扶手与连接轴间增加弹簧销、键连接等。

通过对不锈钢及碳钢螺栓失效位置及失效形式进行分析，发现以下现象：①啮合螺纹第1 扣受力最大从而此位置失效；②A2-70 螺栓屈强比较低，断裂情况较少，8.8 级螺栓屈强比较高全部断裂。