地铁车防爬器安装座螺栓强度研究

刘青林　李东方　王硕

摘要 防爬器作为一种安全装置使用螺栓安装在车体底架前部端梁，在列车发生碰撞时吸收纵向撞击能量的同时能够有效防止车辆叠加。文章根据工厂计算要求，以防爬器安装座处连接螺栓为研究对象，对某地铁车防爬器安装座螺栓强度进行数值模拟，建立了防爬器的有限元模型，提取各工况下螺栓的载荷，根据VDI 2230标准，对安装座处的连接螺栓进行强度校核，为防爬器安装座螺栓连接设计提供理论及技术支持。

关键词 螺栓连接;VDI 2230标准;有限元法;强度分析

中图分类号 U270.389 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2022）06-0075-03

引言

轨道车辆防爬器是一种安全装置，在以往的设计结构中，通常使用焊接方式连接，焊接接头存在脆性，且焊接空间小，人工操作不便，碰撞后防爬器难以修复。为使车辆在碰撞后能在较短时间内快速修复，现在大多数防爬器采用螺栓连接。为满足列车关键部件强度要求，为车体关键连接部件的改进提供依据，现对防爬器螺栓进行强度分析[1-3]。

该文以轨道车辆防爬器安装座为研究对象，建立整个防爬器螺栓连接有限元分析模型。通过有限元仿真分析，提取螺栓所受载荷，结合《VDI 2230标准》对螺栓强度进行评估，为相应的设计提供理论依据。

1 防爬器作用及位置

防爬器安装在列车头部，当列车发生碰撞时，防爬装置通过前端凸出来的齿形板相互咬合，防止列车出现叠加，同时导向筒内的吸能材料受到碰撞挤压产生形变，吸收能量，进而减轻撞击力度，最大限度保障车体结构完整及司机乘客的安全[4-5]。防爬器在车体上的安装位置如图1所示。

2 防爬器有限元模型及工况

2.1 有限元模型

防爬器由4个M24×150 mm（10.9级）螺栓与车体安装座连接，其有限元模型整体采用实体单元，局部采用壳单元，螺栓使用一维梁单元进行模拟。根据几何模型建立防爬器的有限单元模型如图2所示。

2.2 计算工况

（1）纵向压缩载荷1 200 kN;（2）垂直向上载荷300 kN;（3）纵-垂复合工况。防爬器有限元加载情况如图3所示，①为纵向载荷，②为垂向载荷。约束车钩处X方向位移，中心销处Y方向位移，空簧处Z方向的位移。

2.3 螺栓强度分析

经有限元仿真分析计算，8组螺栓在不同工况下所受力最大值见表1。

3 基于《VDI 2230标准》的螺栓强度校核

3.1 螺栓的基本参数

防爬器连接螺栓的尺寸参数如表2所示。

3.2 确定载荷引入系数

（1）螺栓的弹性变形。螺栓的总弹性变形计算公式为：

式中：——螺栓螺纹弹性变形;——螺栓无螺纹杆弹性变形;——螺栓无载荷螺纹弹性变形;——接合螺纹弹性变形;——内螺纹区域弹性变形。

螺栓各部分的弹性变形计算公式为：

式中：l——螺纹长度;E——弹性模量;A——接触面积。安装螺栓的总弹性变形δs为1.2e-6 mm/N。

（2）不同材料被夹紧件弹性总变形δp为：

式中：i——被夹紧件层数;lK——每层被夹紧件厚度;EP——每層被夹紧件材料的弹性模量;DA——在接触面上被夹紧件基本立方体的替代外径;dh——安装座处螺栓孔直径。计算可得螺栓被夹紧件的弹性变形δp为0.9e-6 mm/N。

（3）载荷系数Φn。同心夹紧载荷系数Φ的计算公式如下：

式中：Φ——载荷系数;n——载荷作用因数;Φn——考虑载荷作用因数后的载荷系数。考虑载荷作用因数后的载荷系数Φn为0.12。

3.3 确定预紧力损失

常温环境中，温度对预紧力损失影响很小，不予考虑，预紧力损失为：

式中：——螺栓连接嵌入量，由VDI可查得。预紧力损失为4 968.38 N。

3.4 确定最大装配预紧力

最大装配预紧力为：

式中：αA——螺栓拧紧系数，根据标准取1.6。可得最大装配预紧力如表3。

3.5 确定装配应力和装配预紧力

（1）装配应力为：

式中：v——屈服应力的利用系数，通常取0.9;RP0.2min——螺栓屈服强度，此处取值934 MPa，计算得装配应力如表4。

（2）最大装配预紧为：

式中：A0——螺栓最小截面积;P——螺距;d2——螺纹中径，d2=d-0.649 5P;d0——螺纹最小直径;μGmin——螺纹最小摩擦系数，计算得其许用最大装配预紧力FMzul为252 490.2 N。

3.6 确定工作应力

螺栓承受的最大载荷：

计算得螺栓承受最大载荷为253 930.36 N。

最大拉伸应力：

计算得最大拉伸应力为783.01 MPa。

最大扭转剪切应：

式中：MG——螺纹紧固力矩，;WP——螺栓横截面阻力主惯性矩，，计算得最大扭转剪切应力为169.89 MPa。

在实际中，通常只考虑扭转剪切应力的一部分，故引入修正系数kτ，推荐kτ=0.5，最大组合应力为：

计算得最大组合应力为796.71 MPa。

此时须满足RP0.2min>σred，B，即安全系数：

由上可知螺栓的工作应力安全系数SF>1，故螺栓合格。

3.7 确定交变应力

应力幅值的计算公式：

式中：FSAo——轴向工作载荷FA的最大值;FSAu——轴向工作载荷FA的最小值;AS——螺纹应力截面积。

根据VDI标准，在交变循环次数ND≥2×106下，螺栓许用疲劳应力参考值为：

式中：d——螺纹公称直径。

此时需满足σAS>σa，即安全系数：

最大交变应力σa为0.57 MPa，最大许用疲劳应力σAS为43.56 MPa，最小安全系数SD为76，所有螺栓均合格。

3.8 确定滑移安全系数及最大剪切应力

螺栓最小剩余预紧力为：

传递横向载荷和扭转所需的最小夹紧载荷为：

此时需满足FKRmin>FKerf，即滑移安全系数：

计算得滑移安全系數如表5。

一旦接触界面产生滑移螺栓受剪，最大剪切应力为：

式中：FQmax——螺栓所受最大横向力;Aτ——接触面处螺栓受剪面积。

防止剪切的安全系数：

式中：τB——许用剪切应力，根据VDI标准τB=200 MP。计算得防止剪切的安全系数如表6。

螺栓的滑移安全系数SG<1，防止剪切的安全系数SA<1.1，故螺栓不合格。

3.9 确定拧紧扭矩

根据VDI标准，M24高强螺栓拧紧力矩MA=1 440 N·m，大于计算任务书给的预紧力矩MA=1 000 N·m，满足设计要求。

计算所选取的FAmax、FQmax及FYmax值均为螺栓在各工况下提取的最大值。综上所述，基于VDI标准分析计算结果表明，地铁车防爬器连接螺栓的工作应力、交变应力、拧紧扭矩均合格，抗滑移和防止剪切系数不合格。

4 结论

（1）建立了地铁车防爬器有限元分析模型，得到其在不同工况下轴力、剪力以及扭矩，基于有限元方法，参照VDI准则，对防爬器安装座处螺栓进行分析及评估，为后期防爬器的设计提供一定的理论。

（2）对于防爬器纵向压缩、垂向载荷以及垂-纵复合工况，螺栓的工作应力、交变应力、拧紧扭矩均合格，螺栓的抗滑、抗剪切安全系数均不合格。

（3）基于VDI标准对防爬器安装座处螺栓进行校核显示，地铁车防爬器设计需要调整原螺栓设计参数，调整后M32螺栓符合设计使用要求。

参考文献

[1]张云峰. 刨削吸能式防爬器在城轨车辆碰撞安全设计中的应用[J]. 铁道车辆， 2014（10）：3.

[2]潘铖凌.城轨车辆车钩螺栓连接仿真及强度分析[J].南京工程学院学报（自然科学版），2018（2）：74-78.

[3]王为辉， 李娅娜， 王春燕. 基于VDI2230-2003标准的动车组车钩联接螺栓强度分析[J]. 大连交通大学学报， 2015（2）： 22-25.

[4]赵洪伦， 王文斌， 廖彦芳.城市轨道车辆防爬器开发研究[J]. 机电产品开发与创新， 2003（6）：3.

[5]邓锐，韦海菊，胡佳乔，等. 一种地铁列车吸能防爬装置的开发研究[J]. 铁道车辆， 2014（5）：25-28+6.

收稿日期：2022-01-21

作者简介：刘青林（1992—），男，研究生，工程师，研究方向：轨道交通车辆结构与强度分析。