曲振洋

摘 要：高速动车组车下悬挂部件的可靠性直接影响车辆运营的安全。本文根据车下悬挂部件的设计要求为基础，从螺栓强度校核和有限元分析到安装结构的设计等方面进行了全面的分析，总结出悬挂部件聯接螺栓的选型及强度要求、温度性能要求、防腐防松性能指标等因素，都是设计悬挂部件螺栓的关键点。

关键词：悬挂部件；螺栓；强度校核；有限元分析

随着国家对高速铁路网的大规模投资建设，我国的高速铁路网的发展日新月异。同时，作为高速铁路网的运输载体—高速动车组也越来越大规模应用，成为客运列车的主流车型，并且按照发展要求，速度在不断提升，运载量不断增大，其载客营运的安全性和可靠性，越来越受到大家的关注。高速动车组作为国家重点的高科技产品，结构复杂，精度要求很高，车体悬挂部件繁多，尤其是车外底架部位，更是一列高速动车组的大脑和核心部位。高速动车组在运行时，由于受到各个方向加速度载荷的作用，对车下悬挂部件的可靠性要求很高，经过国内外长期的研究实践，应用最为广泛的是使用螺栓将悬挂部件和底架连接，因此，在设计之初，对螺栓连接的可靠性分析，就显得尤为重要。

1 螺栓联接结构分析

1.1 国内外对螺栓联接结构强度分析方法

目前，国内外主要有两种方法进行强度分析：一种是传统的理论计算；一种是有限元分析研究。理论计算一般基于《机械设计手册》，按照手册中的计算公式和数据表格，根据需要选取计算。有限元分析研究方面，有的将螺栓简化成梁单元进行分析，这种方法没有考虑预紧力和连接件之间的接触情况，适用于结构模型大，螺栓数量多的强度计算，有的考虑了整体模型结构但是螺栓联接接触计算的精确性不足，有的将螺栓采用三维实体单元模拟，进行接触非线性计算，考虑螺栓与连接件之间的接触问题，考虑摩擦力作用，计算精度较高。

现在，大多数企业已经将上述两种方法有效结合，按照悬挂部件不同的吊装位置和结构，综合考虑：基体本身的强度、安装座强度、安装座与基体的连接强度以及结构减振等，凭借经验并参考国内外类似结构进行设计，而结构设计的合理性、可靠性还需要通过强度仿真分析和试验等手段作为设计依据。

1.2 螺栓连接结构分析

车下悬挂部件重量一般有几顿重，车辆在运行中，如果采用刚性联接方式，会使螺栓受力强度很大，极易断裂失效，导致悬挂部件脱落。因此，联接多选用弹性连接方式，通过弹性橡胶件吊装在车体底架边梁型腔内，并设置了横向止档与纵向止档。纵向止档安装螺栓多采用M30的大尺寸螺栓，增加连接强度，并在螺栓上施加紧固力矩500Nm。螺栓的安装位置和排布数量，根据每个悬挂部件的要求，具体确定。

1.3 运行载荷工况分析

根据EN12663-1-2010标准对所设计的悬挂部件结构施加纵向、横向、垂向加速度，并根据不同载荷设计不同的载荷工况。采用仿真分析和理论计算相结合的方法，先对悬挂部件结构建立有限元模型，施加载荷后，提取出螺栓承受载荷，再对螺栓强度进行理论校核。8.8级螺栓的许用拉应力为640MPa，许用剪切应力312MPa，许用挤压应力512MPa，疲劳许用应力250MPa。将悬挂部件的螺栓有限元应力数值与8.8级螺栓许用应力对比，只要不大于8.8级螺栓的许用应力值，螺栓选型即为合格。

2 动车组运营中外界环境对螺栓联接的要求

2.1 温度指数性能要求

我国国土复员辽阔，高速铁路网四通八达，南北温差巨大，对动车组的要求非常高，尤其是吊装联接结构的设计更高，动车组要适应-40℃～+40℃的温度条件，车外吊装螺栓除了应具备较高的强度外，还应具有较好的温差适应性。通常情况下高强度螺栓的碳含量较高，这有利于提高材料的强度，同时会减小材料的冲击韧性。而一些合金元素如Cr、Ni等的加入，有利于提高材料的韧性。韧脆转变温度是衡量材料韧性的另一个重要指标。它指的是由韧性断裂向脆性断裂转变的临界温度。在ISO898-1-2009标准中已明确规定了-20℃时Kv2≥27J，而对-40℃时的冲击功值并无相关要求。因此要适应-40℃的运营条件，应合理选择螺栓材料，并对螺栓低温冲击功、韧脆转变温度等技术指标重新明确。能够满足以上条件的螺栓材质通常有30CrNiMo8、42CrMo4等。

2.2 防腐性能要求

用于常温环境下的高强度螺栓材质通常为碳钢，使用前需要进行表面处理。转向架、车钩均安装在车外，常年暴露在空气中，服役环境恶劣，其安装用螺栓均使用达克罗进行防腐处理，例如DAC500B.达克罗具有超强的耐蚀、无氢脆等优良性能已广泛应用于动车组紧固件表面处理。但由于达克罗中含有对环境和人体有害的铬离子，在一些欧洲国家已逐步被“交美特”所取代。

2.3 防松性能要求

悬挂部件防松原理及措施主要有：一种是螺栓通过套筒与放置在底架边梁上的滑块连接，螺栓紧固前，会在螺纹表面涂MoS2润滑脂，有利于提高扭矩系数。这样做是为了减小螺纹的摩擦力，使螺纹拧紧时达到规定的预紧力；另一种是适当增加螺栓有效长度，即可获得更大的弹性变形量。在螺栓屈服之前，其发生的变形为弹性变形，而弹性变形量越大，获得的预紧力就越大，防松效果越好。另外，考虑维修拆修方便，一般是通过不考虑打胶或涂抹凝固剂的方式保证防松。

3 结论

本文根据高速动车组悬挂部件运营实际需求，研究分析螺栓联接结构的可靠性和实用性。1）通过对悬挂部件的螺栓强度校核，螺栓各项应力指标应均小于许用极限，强度才能满足要求。这表明根据悬挂部件自身特点，吊装螺栓选型、螺栓位置及数量设计的合理性。这是设计悬挂部件联接结构的基础条件。2）在具体设计初期阶段，对悬挂部件的联接螺栓选择，要考虑各个方面的因素，如温度、防腐等处理方式，尤其在温差较大、高寒高湿度的地区，特别要关注其性能指标。3）悬挂部件安装时，必须考虑螺栓联接的防松方法和措施，采用本文描述的方法，能够大大提高其防松性能。

参考文献：

[1]金鑫.高速检测列车车体及固结结构的强度研究[D].北京：北京交通大学，2012.

[2]英国标准学会.BSEN12663-1：2010铁路车辆车体的结构要求（第一部分：机车和客车车辆）[S].[英国]：[s.n.]，2010.

[3]赵勇，杨刚雷，尚海红等.螺栓联接的防松[J].煤矿机械，2009，30（12）：163-165.