地铁转向架连接螺栓断裂原因

地铁转向架连接螺栓断裂原因

孟科,姜爽

沈阳地铁集团有限公司运营分公司 辽宁 沈阳 110000

摘要：当前，我国城市规模不断扩大，人口急剧增加。为了缓解城市交通压力，便于人们出行，近年轨道交通设施推陈出新，地铁等交通基础设施发展迅速。某地铁列车一系簧下压盖紧固螺栓断裂问题开展分析，通过仿真研究该处螺栓的载荷特性、断裂失效机，并研究相关优化解决措施。本文首先明确该部位螺栓故障发生的根本原因，通过仿真分析本文的研究工作可为地铁列车螺栓失效分析及防松设计提供重要的理论指导及研究方法。

关键词：地铁；转向架连接；螺栓断裂

螺栓连接作为列车不同部件连接的主要部分，螺栓连接因其结构简单、价格低廉、拆卸维护方便等一系列优点，在列车上得到了广泛应用．列车一些关键位置的连接螺栓，其联接安全可靠性对列车整车的安全可靠性产生非常大的影响。由于地铁列车运用范围广，运行区域复杂，所以列车各部位不可避免的承受各种复杂的载荷，尤其是列车转向架部位，需要承受来各种纵向、垂向、横向力与扭转力矩及冲击，因此转向架部位的上设备的螺栓连接显得尤为重要。

一、地铁转向架的作用

1、重力。地铁车辆的转向架主要是承载车体的全部重量， 使得地铁车辆的车轴的重量能够得到均匀的分配， 将车轮和钢轨之间的质量和各种力进行传送、牵引。

2、动力。地铁车辆的转向架可以将车轮和钢轨之间的结合点充分利用，从制动装置将牵引力传达，使得地铁车辆的制动得到大幅度的提升，从而缩短车辆在紧急制动时候的距离。

3、速度。车辆转向架能够能够承受车辆本身以及车厢内的变动荷载，有效的提高地铁车辆的高速、稳定。安全的运行。地铁安全稳定运行的前提就是车辆转向架的故障检修工作，转向架轴承作为地铁车辆的主要部件之一，对其故障检修尤为重要。如果转向架的轴承出现故障，就会直接影响整个地铁车辆的安全运转。所以，转向架的轴承和地铁车辆的安全运行关系密切。根据相关的调查显示，在实际中常见的转向架故障包括：轴承的损坏、轴承有大量油污、磨损等，这些都会直接影响车辆的稳定运行。地铁车辆长时间的连续工作，就会加大车轮的磨损，导致轴承坏死。

二、螺栓失效分析

1、螺栓失效情况。一系簧下压盖紧固螺栓位于转向架轴箱端盖部位，每个轴箱端盖上安装有两个M16×55、8．8 级螺栓，通过拧入轴箱芯轴，从而固轴箱端盖，结构安装配合时，在一些部位必须留有一定的装配间隙，因此为了调整方便，在运行9 ～ 60 万公里后，8．8 级螺栓开始出现螺栓断裂问题．初步判断认为是预紧力不足，将部分螺栓更换为M16×70、10．9 等级的螺栓，但运行一段时间后，10．9 级螺栓也均出现断裂的情形。

2、螺栓力学性能。首先分析螺栓的力学性能是否满足要求，为此抽检了M16×55、8．8 等级螺栓及M16×70、10．9 等级的两种螺栓各3 组，开展螺栓拉伸性能分析两种不同型号的螺栓的抗拉强度、屈服强度均满足标准要求，因此可以排除螺栓本身的力学性能问题。

3、断裂缺口分析。两种类型的故障螺栓断裂位置多为啮合起始第2 个螺牙附近，断裂螺栓的断口距螺杆端面距离均为25 mm 左右，断裂位置基本相同．经对大量螺栓开展统计，发现以下特征: 螺栓总是成对断裂，且从断裂的螺栓断面分析，其中首先断裂的螺栓断面形貌较为规则，呈现出比较明显的疲劳贝纹线特征，初步判断为疲劳断裂; 后断裂的螺栓断面形貌则较为复杂，分析为整体结构失稳导致的断裂。

4、螺栓预紧力及强度分析。为分析一系簧下压盖紧固螺栓的预紧力及强度是否满足设计及线路运行载荷要求，基于螺栓联接基本理论，分析在给定预紧力矩、静载荷、疲劳载荷条件下，仿真分析时螺栓采用实体单元模拟，并建立各结构真实接触方式，螺栓的静强度载荷主要考虑列车超员条件下( AW3 载荷) 紧急制动载荷，分析8．8 级、10．9 级两种类型的螺栓，静强度载荷工况见表。

可通过以下公式开展分析，根据工艺及VDI2230 规定，取1．4．根据VDI计算，在静载荷的条件下，螺栓所需提供的预紧力为65 kN．

为分析真实拧紧状态下螺栓能提供的预紧力，采用测力螺栓对一系簧下压盖紧固螺栓的预紧性能开展测试，通过测试8. 8级螺栓在150 N·M 预紧力矩条件下，螺栓可提供的预紧力为60 kN，9．9 级螺栓在230 N·M 预紧力矩条件可提供的预紧力为80 kN，说明该连接结构中8．8 级螺栓在150 N·M 预紧力矩条件下不满足螺栓防松需求，螺栓长时间使用，可能会出现松动; 9．9 级螺栓提供的预紧力足够，可满足预紧需求。螺栓的预紧力及强度分析可见，8．8级螺栓不满足预紧力及疲劳性能要求，螺栓长久使用会发生松动与疲劳的现象，最终导致螺栓断裂失效．10．9 级螺栓满足预紧力需求，但不满足疲劳强度需求，且通过静强度分析发现， 10．9 级螺栓在静载荷下应力达到895 MPa，安全余量过低，分析主要是由于10．9 级螺栓提供的预紧力增加了33．3%，而原轴箱端盖厚度仅为16 mm，螺栓拧紧时下压盖发生弯曲，使螺栓承受附加弯矩增大。

三、螺栓的载荷特性分析

采用仿真分析与台架试验的方式开展螺栓载荷特性研究．其中试验在转向架参数试验台上开展，按照转向架线路运行真实受力状态给转向架施加疲劳载荷，采用测力螺栓对螺栓进行测力．结果表明，螺栓在运用过程中承受轴向交变载荷，其中螺栓1 交变载荷变化范围为±9 kN，螺栓2 交变载荷变化范围为±5 kN。通过仿真分析，提取芯轴肩部处的接触应力，发现带缺口的马蹄形调整垫明显影响了整个结构力的大小及分配。因此分析出一系簧下压盖紧固螺栓载荷特性，即在螺栓预紧过程中，拧紧时下压盖发生弯曲，使螺栓承受附加弯矩; 在车辆运用过程中，芯轴的肩部在轴箱支点处产生一个弯矩，两个螺栓载荷不均衡，承受反复交变的载荷．使用马蹄形调整垫时，由于缺口间隙的存在，使与马蹄形调整垫缺口方向相反的螺栓承受的弯矩进一步增大，采用螺栓共振疲劳试验机对施加预紧力条件下的螺栓开展疲劳试验，试验表明在动载±9kN工况下，疲劳寿命区间约为144～380 万次，该值与仿真分析结果基本吻合，试验也表明螺栓在该疲劳工况下下不满足全寿命使用要求。

结论

某地铁列车一系簧下压盖紧固螺栓断裂问题开展分析及优化，通过仿真分析，研究该处螺栓的载荷特性、断裂失效机理，并研究相关优化解决措施，得出以下结论:

( 1) 通过对螺栓断裂缺口分析，首先断裂的螺栓断口可见典型的疲劳纹理，疲劳瞬断区为等轴状韧窝，判断为正应力导致疲劳断裂;

( 2) 通过对螺栓预紧力及强度分析，8．8 级螺栓不满足预紧力及疲劳性能要求，螺栓长久使用会发生松动与疲劳的现象，最终导致螺栓断裂失效．10．9 级螺栓满足预紧力需求，但不满足疲劳强度需求，且通过静强度分析发现， 10．9 级螺栓在静载荷下应力达到895 MPa，安全余量过低，分析主要是由于10．9 级螺栓提供的预紧力增加了33．3%，而原轴箱端盖厚度仅为16 mm，螺栓拧紧时下压盖发生弯曲，使螺栓承受附加弯矩增大。

( 3) 通过对螺栓的载荷特性分析，螺栓预紧过程中，拧紧时下压盖发生弯曲，使螺栓承受附加弯矩; 在车辆运用过程中，芯轴的肩部在轴箱支点处产生一个弯矩，两个螺栓载荷不均衡，承受反复交变的载荷．使用马蹄形调整垫时，由于缺口间隙的存在，使与马蹄形调整垫缺口方向相反的螺栓承受的弯矩进一步增大。 

参考文献：

［1］杨永生，仝建萍，刘岩．螺栓断裂原因分析［J］．热处理， 2019， 27( 4) : 60－61．