紧固件在高速电动车组中的应用

分类：建筑工程论文发表 时间：2012-10-23 11:47 关注：(1)

　　摘要：螺栓连接方式因具有施工简单、受力性能好、可拆卸等优点被广泛使用。在动车组列车上，螺栓将各行车设备连接到车体钢结构上，即保证列车的高速安全运行，又使各设备可随时更换。BST公司生产的动车组列车大量采用螺栓连接方式，整个连接系统根据DIN25201标准执行。

　　关键字：紧固件 电动车组 应用

　　Abstract: Bolted has a simple construction by the force performance, removable, etc. are widely used. EMU train, bolts, various vehicle devices to connect to the body steel, which is to ensure high-speed train safe operation, each device can be replaced at any time. BST produced by EMU train a large number of bolt connections, the implementation of the entire connection system according to DIN25201 standard.

　　Keywords: fasteners; EMU; application

　　中图分类号： V229 文献标识码：A 文章编号：

　　通常紧固件包含螺栓、螺母、垫圈，作为螺栓连接最基本的元素被广泛使用。各部件由螺栓连接成一体，既相互联结，又相对独立，部件自身可以维修或更换。因此，螺栓连接就具有把各零部件互相连接起来，防止部件间出现滑动和互相脱开，但是又必须可以拆卸的功能。

　　高速电动车组毫无例外，各种设备均采用螺栓连接到车体钢结构，即满足列车运行所必须的功能，又确保所有重要部件的互换性，充分发挥了大工业化生产的优势。

　　青岛四方庞巴迪铁路运输设备有限公司(以下简称：BST)在高速动车组设计中螺栓的选用是执行DIN 25201[1]-“铁路车辆及其组件的设计准则-螺栓连接”标准。该标准由七个部分组成，其中螺栓连接在机械制造中的应用按照DIN 25201-2执行，在电气中的应用按照DIN 25201-3执行，而对于自攻螺钉、木螺钉、内螺纹滚压螺钉、切削螺纹螺钉和刨花板螺钉的螺纹连接，该标准没有对其螺栓连接的计算和设计做详细说明。

　　一、 在结构设计中，螺栓连接设计的基本步骤如下：

　　1. 确定螺栓连接部件的风险等级

　　首先，根据螺栓连接部件所在的部位，载荷的大小以及是否影响行车安全来定义风险等级。DIN 25201 中风险等级分为高、中、低。其中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。必须在图纸中加以说明，以确保在螺栓拧紧过程中，预紧扭矩及其公差以及拧紧后的检查都得到严格地控制。

　　2. 根据载荷初选螺栓尺寸

　　列车的静强度和疲劳强度的载荷定义根据EN12663[2]。通过有限元FEM可以计算出螺栓连接部位的载荷。然后，根据DIN 25201-2 附录A.2~A.4，预选螺栓连接的尺寸。或者采用类比法，根据以前的成熟车型，参照其相同部位或载荷相近部位的设计预先确定螺栓尺寸， 在螺栓连接结构设计完成后，按照VDI 2230 第1 部分[3] ，通过计算验证螺栓连接设计是否满足强度要求。

　　3. 计算并校验螺栓设计的强度

　　对于螺栓连接的功能而言，DIN 25201要求必须存在一定的预紧力Fm。预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。BST生产实施螺栓连接时采用的是扭矩法，即采用定扭矩扳手控制装配时螺栓的扭矩，因此要求螺栓伸长必须在弹性极限范围内。

　　预紧力的计算则根据VDI 2230 第1 部分，即：“高强度螺栓连接的系统计算-圆柱形旋入式连接”，来验证螺栓连接的预紧力是否满足静强度要求。

　　4. 螺栓连接结构组成

　　为确保螺栓杆有足够的弹性延伸值，DIN 25201-2 规定螺栓连接部件中螺栓紧固长度与螺栓直径比值

　　Lk/d ≥3~5

　　其中： Lk 紧固长度(单位：mm);

　　d 螺栓直径(单位：mm)

　　计算时以螺栓的屈服强度为预紧力的最大值，并将螺栓预紧力的利用系数选择为90%。

　　二、 用于螺栓连接的紧固件的选择：

　　DIN 25201-2 规定螺栓连接中紧固件为满足ISO 898-1[4] 及 EN 20898-2[5]或者 EN ISO 3506-1[6]及EN ISO 3506-2[7]的钢制或者不锈钢制螺栓和螺母。由于紧固件有太多种，为了尽量减少其使用种类，BST规定在一般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的为最基本方式

 

　　平垫圈有两个功能，第一是保护工件，因为高速列车许多工件都采用铝合金材料，因此工件表面比较软，而平垫圈为不锈钢材质，表面硬度要求在200HV以上，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。第二是为了提高在螺栓连接的可靠性。为了调整制造误差，工件安装孔往往都采用长圆孔，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，螺栓及螺母属于同样的强度等级，例如：螺栓选择为8.8级，则螺母必须选择8级。

　　三、 螺栓连接的防松：

　　螺栓连接件在变载荷、振动，甚至工作温度的影响下，会产生变形或者发生蠕变，从而因预紧力的下降而导致螺栓连接出现松动，使螺栓中的交变应力比未松动时将大大增加，并且在受力过程中的产生冲击，使得螺栓连接的螺纹出现疲劳破坏。

　　根据DIN 25201-5 规定，如果高预紧力螺栓连接设计时，分界面数少，且紧固长度比例Lk/d ≥5，则无需采用任何防松措施。但通常由于结构空间限制，往往不能保证Lk/d ≥5，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。

　　BST在动车组的设计中，根据螺栓连接部位不同的风险等级和拧紧场合，采取了不同的防松措施。例如：

　　l 提高预紧力：选用10.9级螺栓以提高螺栓连接的预紧力;

　　l 提高螺栓系统的柔度：在螺栓连接中使用弹簧垫圈以提高螺栓系统的柔度;

　　定义的第一、二区域为内装区域，第三为车外不可见区域，第四为车外可见区域，第五为转向架区域。除第一、二区域外，其余三个区域紧固件不允许使用电镀锌表面处理，以确保紧固件不会因为氢脆而导致连接失败，影响行车安全。不锈钢紧固件采用A2或A4，碳钢紧固件采用达克罗、或热浸锌处理。

　　螺栓连接最主要的腐蚀就是接触腐蚀。BST在设计螺栓连接紧固件与连接件的配合时根据DIN 25201-6 表3，“电位差500mV的实际电压等级”来选择紧固件的表面处理，例如：铝镁合金的连接件，其阳极指数为750mV，而采用奥氏体不锈钢的紧固件，其阳极指数为350mV，两者的电位差为400mV;此外，采用达克罗处理的紧固件，其阳极指数为1150mV，两者的电位差为400mV;均在表3中允许的使用范围内。

　　此外，在列车的某些部位，由于日常维修保养的原因，例如车下底盖板连接螺栓由于日常洗车，清洗液会停留在靠近两侧裙板下边缘的两排底盖板螺栓上，使螺栓连接周围经常处于潮湿状态;或由于运行环境极端的恶劣，例如列车转向架上的螺栓连接。BST采用涂隔离脂的方式，在螺栓安装达到规定预紧力后，将整个螺栓连接外露四周全部涂特定的隔离脂，以保护螺栓连接不受环境的影响，确保行车安全。见图8。

　　五、 螺栓连接的实施及检查

　　BST通常采用扭矩法安装螺栓。扭矩法在实施时，会由于螺栓连接部件间的摩擦系数不同而导致实际预紧力不同。因此，在设计时限制垫片的使用数量以减少螺栓连接中的分界面数量，从而减少各分界面产生的位移量。此外，BST发布了紧固件连接通用技术条件，要求在螺栓安装之前按照DIN 25201-2规定实施，工人在安装螺栓前都必须进行培训。首先在螺栓头及或螺纹上涂含有MoS2 的润滑剂，规定了涂抹方式及涂抹量的范围，使得螺栓安装的总摩擦系数控制在0.08~0.12之间。同时根据不同的拧紧系数，对扭力扳手有不同的要求，并对工人在实施拧紧过程的力量及拧紧的速度做了明确要求，以控制因不同的工人操作而出现的安装误差。例如对于拧紧系数为1.8的螺栓连接，采用定扭力扳手，根据扭矩的大小，选用的扳手最大扭矩范围不同，并定期校正扳手的扭矩值，使扭矩误差控制在3~5%的范围内。而工人在拧紧的过程中，最初的采用风动扳手将扭矩达到60~80%，然后采用人工拧紧方式，在即将达到规定扭力值的最后3~5%时，拧紧的速度尽量控制在5°/s。螺栓拧紧后，为防止因误操作将螺栓重复施加扭矩，同时为方便在今后的维护中及时发现连接失效的螺栓，工人按规定从螺栓头或螺栓根经垫圈、螺母至工件涂打标记线，见图8。

　　螺栓连接的检测基本采用目测方式。质检人员观察工人在完成螺栓紧固后所打的黄色标记是否有偏移。在列车运行的维护保养手册中，要求检查人员定期对特殊部位的螺栓连接的标记进行目测检查。

　　六、 结论

　　BST公司生产的动车组从2006年运行以来，至今最长运行公里以近达240万公里，可靠的螺栓连接保证了列车的安全运行。采用DIN25201标准，对螺栓的选用，螺栓设计计算，安装方式，安装工具都有详细和明确的定义。为保证列车安全提供了可靠的理论依据。

　　参考文献：

　　1. 德国标准化研究所(DIN)中的“铁路车辆标准化委员会(FSF)”DIN 25201-1~7 铁路车辆及其组件的设计准则-螺栓连接

　　2. EN12663 铁路设备 铁路车辆车身的结构要求

　　3. 德国工程师协会标准 (VDI) VDI_2230_1_2003 VDI 2230 第1 部分 高强度螺栓连接的系统计算-圆柱形旋入式连接

　　4. ISO 898-1 由碳素钢和合金钢制成的连接件的力学性能，第1部分：螺栓、螺钉和螺柱

　　5. EN 20898-2 连接件的力学性能，第2部分：有规定的试验力螺母：标准螺纹

　　6. ISO 3506-1 不锈钢制连接件的力学性能，第1 部分：螺栓、螺钉和螺柱

　　7. ISO 3506-2 不锈钢制连接件的力学性能，第2 部分：螺母