皮优政

（中国铁路广州局集团有限公司 广州机务段， 广东 广州 510010）

0 引言

和谐型电力机车一系悬挂系统为“轴箱+一系圆簧+一系油压减振器+轴箱拉杆”结构[1]。 每个转向架同一侧布置两个一系垂向油压减振器， 分别在1 轴和3 轴或者4 轴和6 轴，每台机车一共有8 个一系油压减振器。 一系油压减振器连接构架与轴箱，主要传递构架与轴箱之间的垂向力。 作为中部车体的减振装置，一系油压减振器安装的牢固性对整个机车运行的安全性和稳定性有重要意义。

高强度螺栓由于其性能好、强度高、能自锁等优点，是连接结构中的重要部件[2]，在机车车辆中得到广泛的应用。 一系油压减振器安装螺栓的主要故障形式是疲劳破坏，从而引起断裂。引起疲劳破坏的因素主要包括螺栓自身的材料、强度等级、车体的垂向冲击等等。 和谐型电力机车一系油压减振器主要受垂向力的作用， 断裂形式主要是拉伸断裂。 断裂发生后，导致车体一侧振动加剧，引起监控装置报警，影响行车安全。

VDI2230-2003 螺栓强度校核标准是德国机械工程师协会颁布的近年来被国内广泛认可的螺栓快速校核的计算方法[3]。 传统根据机械设计手册螺栓校核方法和有限元仿真方法均存在较大的误差，不能保证校核的准确性。 本文以某和谐型机车一系油压减振器安装螺栓为对象，为了充分考虑油压减振器的动态载荷及计算的真实性和准确性，对油压减振器和安装座进行整体的建模。 最后按照VDI2230-2003 标准进行安全校核。

1 螺栓受力分析

和谐型电力机车车体横向振动的衰减主要靠横向油压减振器，纵向振动的衰减主要靠抗蛇形油压减振器，所以一系垂向油压减振器在机车运行中主要受垂向载荷的作用，其他方向基本不受力。 如图1 所示为某和谐型电力机车一系油压减振器安装螺栓断裂现象。 减振器上部与构架螺栓连接，下部与轴箱螺栓连接。减振器最大行程为60mm，其工作环境示意图如图2 所示。

图1 减振器螺栓断裂现象

图2 减振器及螺栓工作环境

油压减振器是一种粘滞阻尼减振器[4]，活塞运动速度越高，其油压越高粘滞阻力越大。 螺栓所受垂向力来源于活塞的振幅， 振幅的衰减量与幅值成正比，幅值越大，衰减量越大。 减振器及安装螺栓的工作环境如图2 所示。 某和谐型电力机车一系油压减振器阻尼系数为60kN·s/m，最大阻尼力为30kN，其阻尼特性如表1 所示。

现场技术人员统计结果如下： ①四种类型和谐电力机车二系油压减震器螺栓性能等级全部为8.8 级，一系油压减振器螺栓性能等级有8.8 级和10.9 级两种； ②发生疲劳现象的螺栓大部分为一系油压减振器；③发生疲劳现象的螺栓性能等级全部为8.8 级；④发生疲劳现象的处所集中在螺母与安装座接触面附近和螺帽的根部附近两处。 其易断裂位置如图3 所示。

一系油压减振器螺栓性能等级为8.8 级和10.9 级的两种螺栓， 除了性能等级有差别，其尺寸、外形完全相同。 技术人员根据统计结果将一系油压减振器螺栓性能等级为8.8 级的螺栓全部更换为10.9 级的螺栓。 更换后，一系油压减振器安装螺栓故障率大大减小，为机车平稳安全的运行提供了保障。

表1 一系油压减震器阻尼特性

图3 螺栓易断裂位置

2 基于《VDI 标准》的螺栓校核参数

2.1 螺栓尺寸

性能等级为10.9 级的螺栓为M16×90 的六角头螺栓[5]，其结构参数如表2 所示。

2.2 拧紧系数

在螺栓实际拧紧过程中，有手动拧紧和电动拧紧等多种方式， 不同方式下所施加的预紧力也随之不同。 为了考虑不同方式对预紧力大小的影响，用拧紧系数α 来表示。

表2 螺栓结构参数

式 中，FMmin—最 小 预 紧 力；FMmax—最 大 预 紧 力。 查VDI2230-2003 标准表A8 可知， 人工扭力扳手的拧紧系数为1.7。

2.3 最小加持载荷

根据VDI2230 图5.1/5，减振器上下安装螺栓是中心对称的（Ssym=0），而且只受轴向力（a=0），因此最小加紧力FKerf=1000N。

2.4 载荷系数

性能等级为10.9 级的螺栓材料为42CrMo，其弹性模量为2.12×105N/mm2，则螺栓的总轴向柔度为：

式中，δSK—螺栓头的轴向柔度；δ1—螺纹杆的轴向柔度；δGew—未拧入螺纹的轴向柔度；δGM—拧入螺纹的轴向柔度。

式中，l—螺栓各部分长度；E—螺栓弹性模量；A—螺栓各部分的横截面积。

被连接件是转向架构架，构架材料为16MnDr 合金钢[6]，其弹性模量为2.06×105N/mm2， 被连接件的总柔度为δp。考虑被加紧的有减振器和车体， 按两个对称的圆锥回转体计算，采用VDI2230 公式5.1/24 计算。

式中：n—作用力传递系数，根据VDI2230 表5.2/1 及图5.2/12，同心同载取n 为0.15。联合公式（2）～（5）解得载荷系数Φ=0.045。

2.5 预紧力的损失量

在螺栓实际拧紧过程中， 材料的变形和螺纹表面的相互嵌入会导致预紧力损失一部分， 这一部分损失量为Fz。 查VDI2230 表5.4/1，零部件表面粗糙度为Rz=16μm，头部和螺纹接触面压缩量均为3μm， 内部接触面压缩量为2μm，因此总压缩量为fz=8μm。

计算解得预紧力损失量Fz=5.6kN。

2.6 最小和最大安装预紧力

在求得FKerf、Φ 和Fz后，可以求得最小预紧力FMmin，最大预紧力FMmax。 根据VDI2230 公式R5/1 计算最小和最大预紧力。

计算解得最小预紧力FMmin=35.25kN，代入式（1）解得最大预紧力FMmax=59.925kN。

3 基于《VDI 标准》的螺栓强度校核

3.1 安装应力校核

查VDI2230 表A1，最小屈服极限利用率v=0.9，最小摩擦系数μGmin=0.1 时的安装预紧力为FMzul=121.7kN。

因此螺栓满足安装应力要求。

3.2 工作应力校核

在实际工作中，螺栓除了受最大轴向力之外，还受到螺纹之间相互摩擦的扭矩。根据VDI2230 公式R8/1 计算最大合成工作应力σred。

3.3 疲劳强度校核

同心加持且同心加载的螺栓[7]，根据VDI2230 公式R9/1计算螺栓交变载荷：

3.4 表面压力校核

由于高强度螺栓的预紧力较大， 需要对螺栓头的表面接触应力进行校核，安装时螺栓头的支撑面积：

因此螺栓满足最大表面压力要求。

3.5 滑移安全系数

减振器螺栓在横向基本不受外力作用，其横向承受能力较弱，很容易发生横向滑移。螺栓实际剩余预紧力公式：

4 结束语

机车油压减振器主要通过油压的粘滞力将力传递出去。一系油压减振器由于其特殊的工作环境，只受垂向力的作用。针对减振器螺栓出现故障现象，技术人员根据经验采取更换性能等级更高的螺栓的措施。 本文基于VDI2230 标准对更换后的螺栓进行强度校核， 计算结果表明更换后的螺栓符合机车运行工况的要求。 为现场螺栓的选择提供了校核方法。