胡健 谢建良 李凯

摘要：本文分析了同为？准4.8直径的不同材质铆钉的疲劳寿命之间的差异，根据试验数据，验证铆钉的拉伸、剪切等疲劳强度及可靠性，为提炼工艺规范、标准、设计准则等提供依据，总结不同材质铆钉的疲劳寿命试验数据，拟合S-N疲劳曲线，提取铆钉疲劳寿命规律。

Abstract： This paper analyzes the difference between the fatigue life of different material rivets with diameters of ？准4.8. According to the test data， the fatigue strength and reliability of rivet tensile and shear are verified， to provide basis for refining process specifications， standards and design guidelines， etc.， the fatigue life test data of different material rivets is summarized， the SN fatigue curve is fitted， and the fatigue life law of the rivet is extracted.

關键词：铆钉;疲劳寿命;疲劳试验;S-N曲线

Key words： rivet;fatigue life;fatigue test;S-N curve

中图分类号：TH131.1                                    文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）07-0105-03

0  引言

近年来随着我国城市建设的飞速发展，高铁、动车和地铁大批量上线运行，列属于城轨列车牵引系统心脏的牵引变流器等部件产品的配套生产需求也大大的提升。其中随着列车轻量化、节能环保等的要求越来越高，牵引逆变器、辅助变流器等部件上使用的铆接结构越来越多，为探讨研究不同材质的铆钉使用寿命，避免铆钉因疲劳断裂失效，开展本试验研究。

1  问题现状

在轨道交通领域，铆接结构使用越来越常见，各种材质的铆钉充斥其中，铝合金、不锈钢和硼碳钢等材质抽芯铆钉、环槽铆钉均大量使用。对于一些外露部件如标牌、铭牌等铆钉铆接也广泛应用于各种柜体、门板结构上，其使用寿命确没有明确的数据支撑，哪种铆钉耐疲劳性能更优也没有理论性支撑，往往运行几年后因铆钉脱落造成铭牌整体掉落也时有发生（见图1），因此结合此类情况，选择了三种常用的不同材质的铆钉对其耐疲劳性能进行了研究分析。

2  铆钉疲劳寿命试验分析

2.1 铆钉疲劳寿命试验方案

根据GB/T 24176-2009 金属材料 疲劳试验 数据统计方案与分析方法和HBZ 112-1986 材料疲劳试验统计分析方法国家标准，在给定的应力S下进行疲劳试验，仔细准备一套试样测定每一试样的疲劳寿命值，其中每套试样包含7个应力等级共21个拉伸试验样品和7个应力等级的21个剪切试验样品。

试验条件：室温;

试验方法：拉伸疲劳试验及剪切疲劳试验（图2-图3）;

设备：疲劳试验机、试验夹具、铆枪、试验所需工具工装等;

试验材料：POP AD65、MGLP-U6-7和AVEDEL0604。

2.2 铆钉疲劳寿命试验结果分析

根据铆钉疲劳试验结果，模拟出不同铆钉的拉伸及剪切疲劳S-N曲线如下：

从图4可知，POP AD65的拉伸疲劳寿命在103～105次数之间，疲劳寿命较小;在同等疲劳载荷下，疲劳寿命不稳定，同时随着疲劳载荷减小，POP AD65的拉伸疲劳寿命并没有显著的增加，在静载极限的0.3倍载荷的疲劳作用下，POP AD65的拉伸疲劳寿命也才104左右。根据实验结果可见，POP AD65的拉伸疲劳寿命整体较低。

从图5可知，POP AD65的剪切疲劳寿命在104～3×106次数之间，剪切疲劳寿命较拉伸疲劳寿命大幅度提高;在同等疲劳载荷下，疲劳寿命也较拉伸疲劳寿命稳定;同时，随着疲劳载荷减小，POP AD65的剪切疲劳寿命稳定的增加，在静载极限的0.25倍载荷的疲劳作用下，POP AD65的剪切疲劳寿命接近3×106左右。根据POP AD65的抽芯铆钉疲劳实验结果可见，POP AD65的剪切疲劳寿命较拉伸疲劳寿命为优，耐拉伸载荷水平较差。

从图6可知，U6-7的拉伸疲劳寿命在104～107次数之间，疲劳寿命较好;在同等疲劳载荷下，疲劳寿命稳定，同时随着疲劳载荷减小，U6-7的拉伸疲劳寿命显著的增加，S-N曲线较平缓，在静载极限的0.3倍载荷的疲劳实验中，疲劳寿命达到了500万次实验设定的极限疲劳寿命。

从图7可知，U6-7的剪切疲劳寿命在104～107次数之间，剪切疲劳寿命较拉伸疲劳寿命稍差;在同等疲劳载荷下，疲劳寿命也没有拉伸疲劳寿命稳定;随着疲劳载荷减小，U6-7的剪切疲劳寿命也随之增加，在静载极限的0.3倍载荷的疲劳作用下，U6-7的剪切疲劳寿命也达到了实验设定的疲劳寿命极限500万次。根据U6-7的抽芯铆钉疲劳实验结果可见，U6-7的拉伸疲劳寿命较剪切疲劳寿命为优，耐剪切载荷水平稍差，但远比POP-AD65抽芯铆钉疲劳性能为优。

从图8可知，AveDel0604环槽铆钉的拉伸疲劳寿命在104～3×106次数之间，疲劳壽命较AD65为好;但在同等疲劳载荷下，疲劳寿命不稳定，循环次数相差较大，而随着疲劳载荷的降低，AveDel 0604环槽铆钉的拉伸疲劳寿命没有显著增加，反而有下降趋势，S-N曲线平缓，在静载极限的0.55倍载荷的疲劳实验中，疲劳循环次数仅有十几万次，可见其耐拉伸疲劳性能一般。

从图9可知，AveDel0604环槽铆钉剪切疲劳寿命在104～107次数之间，剪切疲劳寿命较拉伸疲劳寿命明显提高;在同等疲劳载荷下，疲劳寿命也比拉伸疲劳寿命稳定;随着疲劳载荷减小，AveDel0604环槽铆钉的剪切疲劳寿命也随之增加，在静载极限的0.7倍载荷的疲劳作用下，AveDel0604环槽铆钉的剪切疲劳寿命就已达到了实验设定的疲劳寿命极限500万次，可见耐剪切疲劳性能优异。

根据AveDel0604环槽铆钉疲劳实验结果可见，其拉伸疲劳寿命较剪切疲劳寿命差，耐剪切载荷水平非常好。相对于同为4.8孔径大小铆钉，AveDel0604环槽铆钉耐剪切疲劳寿命远比POP-AD65和U6-7抽芯铆钉为优。

2.3 Φ4.8铆钉疲劳寿命性能试验对比分析

AVEDEL0604、POP AD65和MGLP-U6-7铆钉均适用于底孔直径大小为4.86～5.0左右的，铆钉直径大小约为4.8mm，三种铆钉适用安装情况类似，大部分情况下可通用，故对此三种铆钉的疲劳寿命情况进行对比分析，分析方法依然是选取载荷均值相差不大的载荷进行对比分析，具体实验结果如下。

从表1、图10可以看出，对于拉升疲劳寿命，AD65铆钉实验载荷最小而循环次数最低，仅103级别，而U6-7实验载荷略大于AD65铆钉，但相较于AD65循环次数有大幅度提高，达到了5万多次（AD65的20多倍），而0604铆钉实验载荷最大，比0604载荷高出0.25kN，但是循环次数达到了50多万次，可知0604的拉伸疲劳载荷远优于AD65和U6-7铆钉。

从表2、图11可以看出，对于剪切疲劳寿命，AD65铆钉实验载荷最小而循环次数最低，仅104级别，而U6-7实验载荷比AD65高了约1kN，但相较于AD65循环次数有大幅度提高，达到了105多次（AD65的7倍多），而0604铆钉实验载荷最大，循环次数达到了实验设定的疲劳寿命极限500万次，可知0604的剪切疲劳载荷远优于AD65和U6-7铆钉。

综上所述，此三种铆钉的疲劳寿命性能优异性能排行为0604铆钉最高，U6-7铆钉次之，AD65铆钉最差。即硼碳钢材质的铆钉耐疲劳性能最优，不锈钢材质铆钉次之，铝合金5056的铆钉耐疲劳性能最差。

3  结论

铆接结构是变流器柜体制作及组装过程中的核心结构，铆钉耐疲劳性能的好坏直接影响整个铆接结构的使用寿命，本文在通过大量的试验基础上对铝合金5056、不锈钢和硼碳钢三种材质的铆钉进行疲劳寿命试验分析，得出结论如下：

①铝合金5056的POP AD65抽芯铆钉耐拉伸疲劳性能为103～105，耐剪切疲劳试验性能为104～3×106;

②不锈钢材质的U6-7抽芯铆钉耐拉伸疲劳性能为104～107，耐剪切疲劳试验性能为104～107;

③硼碳钢材质的0604环槽铆钉耐拉伸疲劳性能为104～107，耐剪切疲劳试验性能为104～107;

④三种铆钉的疲劳寿命性能优异性能排行硼碳钢材质的0604环槽铆钉耐疲劳性能最优，不锈钢材质U6-7抽芯铆钉次之，铝合金5056的POP AD65抽芯铆钉耐疲劳性能最差。

参考文献：

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