司机室连挂紧固件的选择及可靠性研究

周婷 陈玉芳

摘要：城轨车辆铝合金车体的司机室作为一个独立的部件，通过紧固件连接方式与车顶、底架等部件连接，紧固件的选择及可靠性是车体设计需要考虑的重要项点。现主要介绍司机室连挂过程中紧固件的选择原则以及存在的问题，并提出较为统一的选择方案。

关键词：城轨车辆;司机室连挂;紧固件选择

0 引言

城轨车辆的车体结构一般由司机室、底架、侧墙、车顶、端墙五大部件组成，司机室结构通过螺栓等紧固件连接到底架、车顶等部件，该结构可将司机室作为吸能变形区域，若发生碰撞变形等事故可拆除独立的司机室，单独进行更换，节约经济成本。紧固件连接区域一般包括车顶、底架边梁、前端梁三部分，如图1所示。

1 紧固件选择遵循的原则

为保证紧固件的安全性、有效性、可靠性，须遵循以下三方面的选择原则。

1.1    螺栓型号的选择

根据《机车车辆用螺栓连接通用技术规范 第2部分：设计——机械制造应用》（Q/CSR 52.2—2008）[1]，螺栓型号的选择应遵循以下原则：

根据零部件的连接厚度确定紧固长度、螺栓长度以及螺栓型号，连接厚度包括车体连接部分厚度、螺母厚度以及垫片厚度。为充分发挥螺栓杆的弹性延伸特性，螺栓应满足以下公式：

当零部件厚度不满足要求时，需另外使用轴套或缩小螺栓直径。后一种情况可导致螺栓数量的增加，也可使用较高强度的螺栓，从而保证连接强度。

1.2    螺栓、螺母、垫片等级的选择

根据《机车车辆用螺栓连接通用技术规范 第2部分：设计——机械制造应用》（Q/CSR 52.2—2008）[1]，螺栓、螺母的性能等级和垫圈的硬度等级应相匹配，如表1所示。

由表1可知，性能等级为8.8级的六角头螺栓应选用性能等级为8级的螺母以及硬度为HV200或HV300的垫圈。

性能等级为10.9级的六角头螺栓应选用性能等级为10级的螺母以及硬度为HV300的垫圈。

性能等级为A2-70的六角头螺栓应选用性能等级为A2-70的螺母以及硬度为HV200的垫圈。

1.3    防松措施

螺栓连接发生松脱的主要原因有两个方面：一是压陷（在接合面中，螺纹中及螺栓头下面的表面贴合时表面粗糙度的塑性整平）或蠕变（由于表面压力太大，超过被拧紧零部件材料的屈服极限，经过一段时间发生蠕变）导致的松动;二是自动松脱，由于作用于螺栓连接的引起横向移动的力的影响，螺栓连接有自动松脱的危险[2]。松脱的危险程度取决于现有预紧力以及横向移动量，这种松脱由与螺栓中心线垂直的交变横向作用力引起，此时，螺纹中、螺栓头及螺母支承面上的摩擦及自锁条件被抵消，结果是自动松脱，这可以导致连接完全脱开。因此，需采取措施预防松脱。

一般从3个方面防止松脱：摩擦防松、机械防松和永久防松。常见的摩擦防松方法有利用弹性垫片、自锁螺母等，常见的机械防松方法有利用止动垫片、串联钢丝、开口销等，常见的永久防松方法有粘合防松、点焊防松等。

2 司机室连挂存在的问题

参考前述紧固件选择的原则，可进一步分析司机室连挂紧固件使用存在的问题。某司机室连挂方案如图2所示。

经过计算，车顶处理论连接厚度为42.3 mm，按照螺栓型号选用原则，42.3/12≈3.5>3，底架边梁连接处理论连接厚度为38.8 mm，38.8/12≈3.2>3，可选M12的螺栓。

其中，螺栓使用10.9级，螺母选择10级，垫片需选用HV300，但件号3和件号4选择的垫片硬度为HV200，可以进一步优化。

防松措施：采用了防松垫片和自锁螺母进行防松，一般采用一种防松装置即可，较多使用垫片，将增加螺栓连接的分界面，影响预紧力。

关于紧固件表面处理：螺栓和螺母均为达克罗涂层，件号3和件号4的垫片均为镀锌钝化涂层，应采用相同涂层紧固件。

不同的螺栓等级及表面处理方式，需要根据相关标准施加相应的扭矩值，从而充分发挥螺栓的强度性能[3]。在该司机室连挂方案中，紧固件使用了润滑剂MoS2，10.9级M12螺栓扭矩值为92 N·m（未使用润滑剂的10.9级M12螺栓扭矩值为123 N·m）。若92 N·m的扭矩可以满足预紧力与工作载荷的要求，则可选择较低等级的螺栓。若需要使用10.9级的螺栓，可提高扭矩要求以充分发挥该等级的螺栓性能。

3 优化建议

综上，在紧固件的选用上主要围绕以下几个方面展开：

（1）螺栓型号是否合适，螺纹有效旋合长度是否满足标准规定，能否满足预紧力的要求;

（2）螺栓、螺母性能等级以及垫圈硬度等级匹配是否符合国家和行业标准;

（3）紧固件是否有相应的防松措施;

（4）紧固件表面处理是否保持一致。

图3为优化后的紧固件选择方案。

该优化方案中，连挂处的结构一致，连接厚度一致，螺栓型号可保持不变，为M12。螺栓性能等级为10.9级，螺母性能等级为10级，垫片采用大垫片，硬度为HV300，性能相匹配。此外，表面处理均为涂抹达克罗，涂层保持一致。取消原有项目常用的CS防松垫圈，直接采用自锁螺母，具有防松功能，且要求紧固时涂抹螺纹紧固胶，进一步提升防松效果。10.9级的M12螺栓扭矩要求为123 N·m，符合《机车车辆用螺栓连接通用技术规范 第2部分：设计——机械制造应用》（Q/CSR 52.2—2008）[1]，以保证足够的预紧力。

通过合理布置紧固件的位置，在紧固点处施加相应的螺栓支反力，验证司机室在不同工况下所受应力是否满足许用应力要求。司机室在不同工况下的计算结果分别如图4、图5、图6、图7所示。

由图4、图5、图6、图7可知，车钩压缩工况时，司机室门立柱与顶部横梁连接处出现最大应力集中点，为181.770 MPa，小于EN AW 6005A-T6材料的屈服强度215 MPa，安全系数为1.18，满足要求，所选紧固件型号、施加扭矩以及司机室结构合理。

4 结语

随着轨道交通产业的发展，在提高产品质量、降低生产成本的大环境下，模块化和标准化设计必然会得到更多的应用和发展。对司机室不同连挂处的结构进行统型，在符合规范、满足要求的前提下，对紧固件的选用进行优化和统型十分必要。本文总结了司机室连挂模块存在的部分典型问题，梳理了规范化的要求，提出了相应的问题和建议，有利于保证司机室连挂的安全性、可靠性，对于提高产品质量以及可靠性具有积极作用。

[参考文献]

[1] 中国南车股份有限公司.机车车辆用螺栓连接通用技术规范 第2部分：设计——机械制造应用：Q/CSR 52.2—2008[S].

[2] 谢雁成.浅析装配螺栓松动原因及防松措施[J].装备制造技術，2015（4）：173-175.

[3] 刘利，冯玉伟.螺栓拧紧力矩的确定及检验方法[J].煤矿机械，2007，28（5）：155-156.

收稿日期：2021-06-08

作者简介：周婷（1990—），女，湖北襄阳人，工程师，主要从事轨道交通车辆车体结构设计工作。