高低温环境下动车组螺栓轴向预紧力变化研究

郭宵彬 张远彬 冀传帅

（中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛 266111）

动车组车辆关键部件广泛使用螺栓连接结构，车辆常规运营环境温度一般为-40～+40℃。根据材料特性，紧固件及被连接件的金属组织结构会在高低温环境下发生微观变化并体现为微量的热涨冷缩现象，导致螺栓轴向预紧力发生变化。为避免螺栓轴向预紧力剧变破坏螺栓紧固结构的可靠性，通过模拟高低温试验，验证螺栓轴向预紧力数值与温度变化的关系，以验证紧固扭矩数值的选取是否合理，确保动车组螺栓紧固结构在运营环境下的可靠性。

1 试验对象

选取动车组车顶高压设备、车端风挡、车下设备及设备舱等对车辆运行安全影响重大的典型螺栓连接结构，制作完全符合车辆制造结构的试验样件进行试验分析，如图1所示。

图1 高低温试验样件

2 试验原理

螺栓连接结构的可靠性依赖于螺栓的轴向预紧力，因此，通过检测-50～+50℃温度范围内试验样件螺栓轴向预紧力数据，与理论数据进行对比分析，判断螺栓结构是否可靠。

2.1 扭矩扳手检测法

扭矩紧固法紧固过程中，螺栓轴向预紧力与扭矩、摩擦系数、螺纹参数的关系如式（1）所示：

式中，F为轴向预紧力，T为扭矩值，d2为螺栓中径，dw为支撑面等效摩擦直径，α为螺纹牙角，μs为螺纹间摩擦系数，μW为支撑面摩擦系数，p为螺距。

由式（1）可得出，摩擦系数、扭矩数值对轴向预紧力影响显著。结合大量的实物验证，当多个螺栓已经使用某一扭矩正确拧紧后，随后使用扭矩扳手沿拧紧方向转动螺栓，螺栓开始出现转动的力（称为校验扭矩）必定不是之前拧紧时的力，且无特定的规律。总的来说，校验扭矩略大于紧固扭矩，且在平均值上下分布，如图2所示。

图2 校验扭矩与施工扭矩对应关系

根据上述原因，扭矩扳手检测法仅能大致判断螺栓是否按规定的扭矩紧固到位，无法保证检测数据的精准性。

2.2 超声波检测法

根据广义胡克定律，螺栓处于弹性阶段时，其长度与应力关系为：

式中，L1、Lσ为螺栓有效受力区间未受应力的长度和受应力σ 后的长度；L2为螺栓不受应力的区间长度；L0为螺栓未受应力时总长。

根据声弹性理论，固体中的声速与应力有关。若假定螺栓紧固应力为单轴均匀拉伸应力，超声波在螺栓内沿轴向传播的纵波速度与应力关系为：

式中，v0为超声波在自由状态下螺栓内的传输速度；vσ为超声波在受力状态下螺栓内的传输速度；A为声弹性系数；σ为轴向力数值。上面的公式经过联立和简化后可得螺栓轴向预紧力计算公式为：

式中，K为需要试验标定的螺栓轴向预紧力系数，为螺栓自身固有属性。即，螺栓自身固有属性，通过获取超声波传输的时间差，即可计算出螺栓轴向预紧力的具体数值。

现阶段，基于超声波原理的轴向力检测装置已较为成熟，结合螺栓标定进行的轴向力检测精度可达±3%。因此，本试验选用超声波轴向力检测装置进行螺栓轴向预紧力的检测。

3 试验过程

3.1 螺栓标定

对同一螺栓连接结构的6 组样件螺栓端头进行打磨处理，确保螺栓长度一致、轴线与螺栓端面垂直。在螺栓头部安装压电晶片，连接超声波轴向力检测装置后，使用拉力试验机对3 组螺栓进行拉伸试验，如图3所示。结合拉伸力及螺栓伸长量，即可通过轴向力检测装置获取该螺栓的轴向预紧力系数，系数选3 组检测数据的平均值。

图3 螺栓轴向预紧力系数标定

因篇幅有限，本文仅针对车下蓄电池箱安装结构的高低温试验进行阐述。蓄电池箱安装结构如图4所示，其涉及的零部件信息如表1所示。

图4 蓄电池箱安装结构

表1 蓄电池箱安装结构零部件信息

根据材料特性，螺栓M16×60 的允许最大轴向应力约为443MPa；HARD LOCK 螺母的允许最大轴向应力约为623MPa。基于IEC61373 规定的冲击工况和EN12663 规定的静强度工况，对螺栓连接结构进行计算，外载荷产生的最大轴向应力约为17.5MPa。

3.2 高低温试验

使用同一把精度为±3%的电动扳手，在室温（20℃）下按照90N·m 的扭矩紧固样件螺栓。紧固完毕后，安装压电晶片，连接超声波轴向力检测装置。将样件放置于保温箱中，从室温升至50℃后降至-50℃，升温、降温速率约1℃/min，温度-时间变化曲线如图5所示。每种样件选取3 组螺栓进行检测。

图5 蓄电池箱安装结构温度-时间变化曲线

以1℃为间隔等梯度实时采集螺栓轴向预紧力，预紧力数值选取3 组数据的平均值，据此绘制的轴向预紧力-试验温度的变化曲线如图6所示。-50～50℃范围内极限轴向力、出现温度，及相对于室温（20℃）的轴力变化量，如表2所示。

图6 蓄电池箱安装结构轴向预紧力-温度变化曲线

表2 蓄电池箱安装结构试验数据统计表

4 结论

根据试验数据及外载荷作用，蓄电池箱安装螺栓实际最大应力173.1MPa 小于螺栓允许的最大轴向应力443MPa；螺栓实际最小应力146.8MPa 大于抑制蓄电池箱发生滑动的最小轴向应力87MPa。其余未详细阐述结构样件的试验结果与蓄电池箱结构的试验结果一致。据此，可得出在常规运营环境温度（-40～+40℃）下，动车组关键部件螺栓紧固结果满足强度要求，可确保车辆的运营安全。