动车组转向架设计中螺栓的选用方法研究 - 传媒与出版

1　转向架设计中螺栓选用的基本步骤

根据TB/T3246.1中风险等级的划分。转向架上的螺栓被定义为高风险等级的螺栓连接，即：螺栓连接发生故障失效时，产生直接或间接的身体和生命危险和/或运行危险。确保在螺栓拧紧过程中，预紧扭矩及其公差及拧紧后的检查都得严格地控制。

转向架螺栓的拧紧工况必须选用Lk/D≥5，安装时使用螺栓的允许安装预紧力工况。

图1

1.1　根据载荷初选螺栓尺寸

根据TB/T3246.1预选螺栓连接的尺寸，或根据已有成熟车型，参照其相同部位或载荷相近部位的设计确定螺栓尺寸。

1.2　计算并校验螺栓设计的强度

对于螺栓连接的功能而言，必须存在一定的夹紧力Fm。夹紧力可以提高螺栓连接的可靠性、防松能力和螺栓的疲劳强度，增强连接的紧密性和刚性。螺栓的拧紧过程如图2所示，选用螺栓，使用螺栓抗拉强度的75%作为螺栓的预紧力，此夹紧力值使螺栓在弹性变形区内。

图2　螺栓的拧紧过程

夹紧力、张力、扭力的关系如图3所示，夹紧力与张力大小相等，方向相反。

图3　夹紧力、张力、扭力的关系

1.3　转向架设计中螺栓扭矩的确定

在螺栓的扭紧过程中，螺栓头的摩擦力、螺纹负的摩擦力、夹紧力（张力）都会影响螺栓的拧紧，影响扭矩值。

夹紧力与扭矩成线性关系：

Fm=T/(0.16P+(μ_th+*0.58*d2)+((D_k/2)*μ_k))

式中，T为扭矩、Fm为夹紧力、P为螺距、μ_th为螺纹副之间的摩擦系数、d2为螺栓的直径、D_k为螺帽与工件表面的接触面积、μ_k为螺帽与工件表面之间的摩擦系数。

在拧紧过程中，由于工件表面粗糙度及工件材料不同，导致接合面的摩擦因数估算误差，为控制摩擦因数的值，要求在螺栓头及螺纹上涂MoS2润滑剂，并规定了涂抹方式及涂抹量的范围，使螺栓安装的总摩擦因数控制在0.08~0.12之间。

通过以上公式分析，如图4所示，一般在不润滑情况下，同样的扭矩产生较小的夹紧力。螺纹采用润滑方式，同样的扭矩可产生较大的夹紧力（张力）。

图4　扭矩、张力关系图

根据以上推理，经试验验证，制定扭矩选配表如表1所示，由加紧力确定选定的螺栓规格和使用的扭矩。如是油润滑，选用螺栓拉伸强度的71%作为加紧力载荷；如是膏润滑，选用螺栓拉伸强度的75%作为夹紧力载荷。

表1　扭矩选配表

表中，G_F为屈服率、μ_th为螺纹摩擦系数、μ_b为垫圈摩擦系数

2　转向架螺栓连接紧固件的选择与防松

由于紧固件的种类太多，为尽量减少其使用种类，转向架设计中，传统情况下使用六角头螺栓、平垫圈、弹簧垫圈和六角螺母与工件配合为基本方式。

平垫圈有两个功能，一是保护工件，设计在弹簧垫圈与工件之间的平垫圈，可以避免弹簧垫圈因预紧力的作用而变形所产生的滑移对工件表面的划伤；二是为了提高螺栓连接的可靠性。平垫圈可以增加螺栓预紧的有效接触面积，以确保螺栓预紧力能满足连接强度要求。

此外，在同一螺栓连接件中，螺栓及螺母选用同样的强度等级，例如：螺栓选择为12.9级，则螺母必须选择12级。

转向架螺栓连接在长期变载荷、振动，甚至工作温度的影响下，会产生变形或者发生蠕变，造成预紧力的下降从而导致螺栓连接出现松动，使螺栓中所受的交变应力大大增加，并且在受力过程中产生冲击，使得螺栓连接的螺纹出现疲劳破坏。在高速动车组转向架运营中，传统的紧固基本方式已出现螺栓松动断裂故障。因此，螺栓连接的防松措施在确保列车运行安全的条件下，尤为重要。

在动车组的转向架组装设计中，选用防振动好的安全锁紧洛帝牢防松垫圈。选用洛帝牢防松垫圈时，如图5所示，使用六角头螺栓、洛帝牢防松垫圈、六角螺母与工件配合的方式。