基于钢丝螺套的HXD3电力机车牵引装置修复技术研究

王 亮，于美慧，崔建国，刘家伦，曹笑迎

(1.大连科技学院 机械工程学院，辽宁 大连 116052；2大连科技学院 交通运输学院，辽宁 大连 116052.；3. 廊坊市北方天宇机电技术有限公司 生产制造中心，河北 廊坊 065000；4.大连科技学院 实训中心，辽宁 大连 116052)

牵引装置是在电力机车车体与转向架之间起连接作用的重要组件，主要用于传递机车牵引力或制动力。在机车运行时，牵引装置对机车车体与转向架之间各种相对运动提供良好的适应性，如转向架相对于车体的横动、在水平面内的回转，以及车体相对转向架的浮沉振动、点头振动、侧滚振动等[1]。对牵引点高度和悬挂系统进行控制，能够让启动和牵引时机车轴重转移最小。应用轴控技术补偿轴重，能够提高机车黏着重量的利用率。HXD3电力机车牵引装置采用推挽式中央平拉杆结构，主要部件有牵引销、橡胶关节、安全索座、牵引杆体等，其中牵引杆体是传递机车牵引力或制动力的关键部件，设计时必须保证其具有足够的强力和刚性[2]。

牵引杆体和牵引销主要担负着机车车体与转向架的连接作用。该连接是通过6个M24螺栓实现的。在机车运行过程中，牵引销承受着牵引杆体的转动冲击和摩擦作用[3]。在机车检修过程中，多种因素会导致牵引销的M24螺纹孔出现脱扣或乱牙现象。它出现在与构架焊接成一体的牵引销上时，将会大为增加检修的难度。对机车牵引装置来说，不论是制造成本还是制造精度都比较高，修复方案必须可靠、实用、有效。目前比较可行的机车牵引装置修复方案是使用钢丝螺套进行修复[4]。钢丝螺套具有维修方便、快速、经济等特点，能够在零部件本体上的螺纹发生脱扣或乱牙现象时采用局部修复手段，避免造成螺纹基体的整体报废。但是，使用钢丝螺套时，需要对整个使用过程进行相关力学分析，对螺栓组螺纹连接强度和钢丝螺套的可靠性进行分析，并对钢丝螺套的使用方法进行有效监控，以保证修复过程可控，确保电力机车的检修质量[5]。本文在分析电力机车牵引装置连接用螺栓组受力、螺纹把紧力矩和连接强度的基础上，制定钢丝螺套修复方案，并介绍M24螺纹孔的修复过程，为解决螺纹孔的脱扣、乱牙问题提供参考。

1 连接用螺栓组的受力分析

HXD3 电力机车的牵引装置由牵引杆体及托板、垫圈、螺堵等部件组成(图1)。牵引杆体用M24螺栓连接在牵引销上。一台HXD3 电力机车有2个牵引杆体、4 个牵引销、12个M24 螺栓。其装配组件通常分为2 组(每组均包括1 个牵引杆体、2个牵引销、6个M24螺栓)，在受力分析时只取其中1组即可[6]。

图1 牵引装置总图

通过装配结构分析可知，牵引杆体与牵引销是通过1∶5的锥度配合安装的，其窜动间隙很小，机车运行过程中由机车牵引力或制动力作用产生的横向力主要作用在牵引销上，连接用的M24 螺栓基本上不承受横向力的作用；但从结构上看，M24螺栓需要承受整个牵引杆体的重力，即轴向力作用，因此需要对 6个M24螺栓组成的螺栓组进行受力分析[7]。

对螺栓组进行受力分析时，应假定：螺栓为弹性体，每个螺栓的预紧力相同，接合面的压力分布均匀，连接件为刚体，受载后接合面仍为平面接触。对于1个牵引杆体和2个牵引销来说，6个 M24螺栓组承受的载荷作用垂直于二者的接合面。因此，各螺栓所受拉力相等，为：

(1)

式中：Q为螺栓组所受轴向力，Q=mg，m为牵引杆体总质量；Z为螺栓组螺栓个数。

根据设计文件，m=554.22 kg，所以F=554.22×9.8/6≈905.23(N)。

2 螺纹把紧力矩和连接强度的分析

螺纹把紧力矩T包括下列两部分：其中一部分是用于克服螺纹副的螺纹阻力矩T1；另一部分是螺母与被连接件支承面间的端面摩擦力矩T2。推导可得：

T=T1+T2=KF′d

(2)

式中：K为把紧力矩系数；F′为预紧力，N；d为螺纹公称直径，mm。

对于普通粗牙M12—M64螺纹，把紧力矩系数K在0.1～0.3内变动，一般加工表面无润滑状态时K为0.18～0.21。

根据相关技术文件，连接牵引杆体和牵引销的 M24 螺栓的把紧力矩为865 N·m±15%。为方便计算，取K=0.20，可计算预紧力，即F′=T/(K·d)=865÷(0.20×0.024)≈180 208.33(N)。

该M24螺栓按865 N·m ± 15%的把紧力矩使牵引杆体和牵引销相连接。该M24 螺栓处于既受预紧力F′作用又承受轴向载荷(这里为拉力F)作用的状态。M24螺纹连接如图2所示。

图2 M24螺纹连接示意图

设螺栓的最大拉伸力为F0，则

F0=F′+α·F

(3)

式中，α为相对刚度系数，查表可知，α=0.2～0.3。本文中，α取值0.25，所以F0=180 208.33+ 0.25×905.23≈180 434.64(N)。

连接牵引杆体和牵引销的M24螺栓所承受轴向载荷为静载荷。该M24螺栓的拉伸强度为：

(4)

式中：d1为螺纹小径,mm；σs为材料的屈服强力， MPa。

查表可得，d1=20.752 mm。把F0及d1的值代入式(4)得,σl=1.3×180 434.64/(3.14×20.7522/4)≈693.86(MPa)。

M24螺栓为10.9级，相应螺栓材料的公称抗拉强度为1 000 MPa，屈强比值为0.9。因此，该M24螺栓材料的公称屈服强度为1 000×0.9=900 MPa。一般来说，拧紧后螺纹连接件的预紧应力不得大于其材料屈服强力σs的 80%。因此，该M24螺栓的预紧应力不得大于720 MPa。

上述计算结果，σl≈693.86 MPa<720 MPa，结果正确。

3 钢丝螺套的可靠性分析

连接用螺栓组中M24螺栓所受最大拉力与镶嵌好的钢丝螺套承受的力相同。使用钢丝螺套应注意两点：一是钢丝螺套中菱形钢丝的抗拉强度应大于螺栓的强度，以免被拉断；二是在螺栓被拉断的情况下，应保证钢丝螺套不会从机体(即牵引销)中拉出。

对于第一点，钢丝螺套的菱形钢丝在螺距≥2 mm时，抗拉强度为1 100～1 500 MPa，大于M24螺栓的拉伸强度693.86 MPa和螺栓材料的公称抗拉强度1 000 MPa，因此菱形钢丝不会被拉断。对于第二点，应运用钢丝螺套的公称长度来衡量。假定钢丝螺套与旋入的螺栓螺纹完全啮合，则钢丝螺套的公称长度为：

(5)

根据设计文件，牵引销材质为ZG230-450，其抗拉强度为450 MPa，抗剪强度为270～360 MPa。本文按最小抗剪强度270 MPa取值。

将各参数值代入式(5)可算出，H≈31.27 mm。

根据GB/T 24425.6—2009《钢丝螺套技术条件》规定，在使用10.9级螺栓时，钢丝螺套公称长度应在螺栓公称直径的1.5倍之内。本文中，H大约为d的1.3倍，符合要求。在钢丝螺套的公称长度为31.27 mm时，即使螺栓被拉断，钢丝螺套也不会从基体(即牵引销)中拉出[8]。现场实际使用的钢丝螺套长度为32 mm，比理论计算的公称长度最小限值稍大，既不浪费材料又能满足使用要求。以上计算分析说明，使用 M24 钢丝螺套进行修复是相对可靠的，可以满足相关技术指标的要求[9]。

4 钢丝螺套修复方案及螺纹孔修复程序的确定

钢丝螺套修复方案如下：①用专用丝锥加工钢丝螺套安装孔的内螺纹；②用安装扳手将钢丝螺套装入内螺纹孔中；③用冲断器将钢丝螺套的安装柄折断；④用卸套器取出已装入螺纹孔的钢丝螺套；⑤用螺纹塞规检验已安装钢丝螺套的内螺纹孔。

M24螺纹孔的修复程序为：①对破损螺纹孔进行清理，在钻床上扩孔并用专用丝锥进行攻丝，攻出能满足镶嵌钢丝螺套需要的内螺纹[10]；②使用专用的钢丝螺套安装工具，按照技术要求将钢丝螺套旋入加工好的螺纹孔中；③用折断工具去除钢丝螺套上的折断槽；④使用通止规对嵌入的钢丝螺套进行检测，符合通止规检测标准后即可[11]。

安装M24螺栓并修复电力机车牵引装置的实践证明，所制定钢丝螺套修复方案的运用效果较好，可以满足相关技术特性要求[12]。

5 结束语

采用钢丝螺套技术修复牵引装置时，各项技术参数如螺纹的抗拉强度、螺纹承受的最大拉力、钢丝螺套的可靠性等均能够满足设计要求。经实践验证：钢丝螺套修复方案安全可行，操作简便；采用该方案不但能节省大量工作时间，还可节约制造成本，具有一定的经济效益和社会效益。