动车组设备舱裙板支架螺栓滑移问题研究

滕万秀,孙健,姜春龙,盖杰,王岳宸

(中车长春轨道客车股份有限公司,吉林 长春 130021)

设备舱是动车组的重要组成部分,很多重要的设备均安置在设备舱内,目前已运营的各类动车组设备舱均包含成百上千的螺栓,螺栓紧固件连接是否可靠,直接关系到列车的运营安全。李晓峰等[1]应用机械设计手册、有限元仿真分析和VDI 2230:2014标准3种分析方法对标准化动车组设备舱吊梁与底板滑道进行评估。杨川等[2]针对动车组制动盘螺栓断裂问题,采用疲劳试验的方法进行研究。张化谦等[3]通过试验对人工扭矩法、机器扭矩转角法两种安装工艺效果进行了研究。

针对国内某高速动车组设备舱裙板支架螺栓发生的两起滑移问题,本文根据郑徐线实测的时速350 km车轮磨耗中期加速度功率谱进行长寿命随机振动试验;根据IEC 61373:2010[4]标准进行冲击试验,同时,通过光纤智能螺栓及测试系统对螺栓预紧力进行实时监测,并根据试验结果结合有限元仿真分析和VDI 2230:2014标准[5]对该位置螺栓抗滑移性能进行计算,为螺栓发生滑移原因分析提供参考。

1 试验介绍

1.1 试验对象

试验对象为从实车截取的单个设备舱模块,螺栓滑移位置见图1,裙板支架连接角铁沿车纵向的两个螺栓,型号为M10X70,A4-70级,预紧力矩为26 Nm。

(a) 螺栓滑移位置

1.2 试验设备

振动试验台主要用于开展各类机械结构在车辆不同运行工况下的振动和冲击试验,可依据IEC 61373:2010等标准开展随机振动试验、冲击试验。

智能螺栓内部安装光纤传感器,与测试系统连接后,可以实时对振动、冲击试验过程中螺栓的预紧力进行监测。单个设备舱模块两端共4处连接角铁,本次试验共采用4个智能螺栓,对其中一端两个连接角铁进行监测,编号分别为1,2,3,4。智能螺栓安装见图2。

(a) 1、2号智能螺栓

2 长寿命随机振动与冲击试验

2.1 长寿命随机振动试验

随机振动试验前,在螺栓及连接角铁上方作防松标识。根据郑徐线时速350 km车轮磨耗中期实测加速度功率谱,对其进行台架试验加速模拟长寿命随机振动试验。长寿命随机振动试验3个方向的加速度功率谱曲线见图3,长寿命随机振动试验参数见表1。

(a) 纵向

表1 长寿命随机振动试验参数表

试验顺序:试验前样品外观检查及螺栓防松检查、智能螺栓测试系统调试→长寿命随机振动试验→试验后样品外观检查及设备舱裙板支架固定螺栓检查。

试验方向:垂向→横向→纵向。

2.2 冲击试验

冲击试验在长寿命随机振动试验完成后开展,螺栓保持随机振动试验后状态,无二次紧固。

根据IEC 61373:2010标准中车体上1类A级的半正弦冲击波形进行试验,参数见表2。

表2 冲击试验参数表

试验顺序:试验前样品外观检查及防松螺栓检查、智能螺栓测试系统调试→冲击试验→试验后样品外观检查及设备舱裙板支架螺栓防松线检查。

试验方向:垂向→横向→纵向。

2.3 试验结果

根据试验结果,长寿命随机振动试验及冲击试验有效值控制在合理误差范围内。其中,加速度频谱密度值ASD控制在标准规定值的±3 dB之内,随机振动有效值RMS控制在标准规定的10%以内,半正弦脉冲幅值控制在标准规定值20%以内。

长寿命随机振动试验和冲击试验完成后,螺栓防松线未错位,所夹紧的连接角铁未发生滑移,表明螺栓满足抗滑移要求。

智能螺栓预紧力监测情况见表3,可以看出,靠近中心位置2、3号螺栓预紧力衰减大于远离中心位置1、4号螺栓,2、3号螺栓预紧力损失在1 kN左右,1、4号螺栓衰减较小。

表3 智能螺栓预紧力监测值

3 螺栓抗滑移性能计算

设备舱结构有限元模型采用HyperMesh软件划分、ANSYS软件计算。有限元模型见图4,螺栓采用梁单元模拟,通过提取梁单元受力的6个分量来获得各工况下螺栓所受的工作载荷。仿真分析工况见表4,考虑了加速度工况及气动载荷工况。

图4 有限元模型

表4 仿真分析工况

根据VDI 2230:2014标准,最小夹紧载荷FKQ erf的计算公式为 :

式中:FQ max为被夹紧界面传递的最大横向力;qF为传递横向力的界面数;μT min为被夹紧界面最小摩擦系数;MY max为被夹紧界面传递的最大扭矩(绕螺栓轴线);qM为传递扭矩的界面数;ra为有效扭转半径。

根据各仿真分析工况计算的螺栓工作载荷,结合计算夹紧力的相关参数,最危险工况为工况7,此时所需的最小夹紧力为4.462 kN,见表5。根据实际拧紧工艺及VDI 2230:2014标准中表A8 “拧紧系数指导值”,取拧紧系数αA=1.4,则所需的最小夹紧力最大值为4.462 kN×1.4=6.247 kN。

表5 最小夹紧载荷FKQ erf的计算参数

根据表3,长寿命随机振动试验和冲击试验完成后,螺栓剩余预紧力最小值为6.776 kN,大于6.247 kN,满足抗滑移要求。

4 结论

(1)长寿命随机振动试验和冲击试验完成后,螺栓防松标记未发生错位,未发生滑移,满足抗滑移要求。

(2)根据有限元仿真分析及VDI 2230:2014标准对螺栓滑移性能进行校核,在考虑拧紧系数为1.4的前提下,该位置螺栓抗滑移所需的最小夹紧力为6.247 kN。试验完成后该位置螺栓剩余预紧力最小值为6.776 kN,大于所需的最小夹紧力,满足抗滑移要求。

(3)根据以上结果,结合售后反馈的累计只发生两起滑移的情形,判断该位置螺栓发生滑移原因为个例,非设计结构原因导致。