黄竹安

（中车南京浦镇车辆有限公司，江苏南京 210031）

0.引言

本文主要基于转向架抗侧滚扭杆的吊杆安装螺栓折断故障进行分析，通过相关调研分析认为：螺栓折断与车辆找平状态不佳有关，找平后左右两侧空簧高度差甚至高达10mm，此时螺栓易发生松动，继而承受剪切载荷，在其他因素的耦合作用下导致螺栓折断故障。

以下将详细分析吊杆安装螺栓的受力并提出建议。

1.结构简介

吊杆用于连接抗侧滚扭杆与车体，配合抗侧滚扭杆抑制车体的侧滚倾斜运动，吊杆螺栓的安装扭矩设计为173N·m，如图1所示。

图1 结构示意图

2.车辆上下体侧滚角度计算

2.1 重力倾角附加系数计算

考虑车辆在侧倾力矩产生倾角后，由于重力的分量和弹性悬挂会使得车辆会在此基础上有一额外的附加倾斜角[1]。通过式（1）～（3）计算重力倾角附加系数S3=0.219。

式中：np—车辆一侧轴箱数量，取4；ns—车辆转向架数量，取2；Mc3—车体在满员载荷下重量kg，取52155kg；hsc3—车体在满员载荷下的重心距轨面高度m，取 2.097m；hcp0,3—一系支撑面在满员载荷下距轨面高度m，取 0.907m；hcs0,3—二系支撑面在满员载荷下距轨面高度m，取 0.94m；Kφp0,3—整车一系在满员载荷下的抗侧滚刚度 N.m/rad，计算为 7.2MN.m/rad；Kφs0,3—整车二系在满员载荷下的抗侧滚刚度N.m/rad，计算为4.536MN.m/rad；Cp0,3—每轴箱一系在满员载荷下的垂向刚度N/m，取0.9MN/m；Cs0,3—每转向架一侧二系在满员载荷下的垂向刚度N/m，取 0.384MN/m；Kφn—每转向架扭杆抗侧滚刚度N.m/rad，取1.5MN.m/rad；bp—一系弹簧横向跨距m，取2m；bs—二系弹簧横向跨距m，取2m。

2.2 模拟运营工况侧滚角度计算

车体侧滚角度利用式（4）计算，γn=36.9mrad。

式中：αys—欠超高引起的离心加速度m/s2，考虑105mm欠超高为0.804 m/s2；αydn—运营线路不平顺引起的横向加速度m/s2，取Ⅲ级限度0.15g为1.47 m/s2。[2]

3.吊杆受力分析计算

3.1 左右空簧高度差影响的吊杆垂向力

左右空簧高度差引起抗侧滚扭杆的垂向位移为Z2，造成扭转角度为δ2，则可得出因吊杆不调平造成每个扭杆吊杆承受的垂向力FZ1通过式（5）计算。

式中：La为扭杆吊杆横向跨距m，取1.12m。

3.2 线路运行时通过扭杆吊杆承受的垂向力

模拟运营工况中车体与构架之间产生的角度（γn）最大为36.9mrad（不含吊杆不调平引起的倾斜角δ1），此时引起的吊杆垂向力由式（6）计算，Fz2=49.42kN。

3.3 车辆平衡状态需要的最大吊杆垂向力

由上两部分引起的侧滚角度需要用吊杆垂向力来平衡，因此吊杆需要提供的垂向力为：

3.4 吊杆螺栓受力计算

车辆在运行过程中，吊杆会因车体与转向架转角产生倾斜，上下节点形成偏移。采用图纸模拟得出，吊杆上下节点最大纵向偏移57mm，横向偏移100mm，合成后相对偏移115mm。

吊杆及其节点受力如图2所示，吊杆上下节点位移产生横向分力FL与FZ夹角与α1相等。

图2 吊杆及其节点受力图

则螺栓松动的临界状态下，螺栓所需的剩余预紧力FSX利用式10计算，式中μ为安装面之间摩擦系数，取0.3；我们设定一个扭矩安全系数σ以评价螺栓额外受力前后的剩余预紧力关系，利用式（11）计算。

吊杆的连接螺栓为M16的10.9级高强度螺栓，紧固扭矩为173N·m，经计算单个螺栓预紧力FS0=54kN[3]，车辆运行后取80%的剩余扭矩。

3.5 计算结果汇总

扭矩安全系数的计算结果汇总如表1所示，可以看出随着找平后空簧高度差的增加，吊杆螺栓的扭矩安全系数逐步降低。

表1 找平后空簧高度差与扭矩安全系数关系

4.总结及建议

通过上述分析计算可以发现，车辆找平状态不佳时会使吊杆螺栓的扭矩系数降低，当车辆左右空簧高度差达到8mm时，吊杆螺栓的扭矩安全系数已经不足1，则螺栓松动的风险将会大大增加。而螺栓折断除了本身制造问题外，一般是先发生松动后，产生剪切载荷后发生断裂，故本文根据分析结果提出了如下建议：

（1）适当增加螺栓紧固力矩，进一步增加螺栓防松安全裕量。

（2）吊杆安装时两侧不会完全水平，在一侧贴靠时，另一侧会有间隙，此时应该采用加垫方式来消除间隙而不是使用螺栓紧固的方式来消除间隙，同时控制加垫数量，以避免初始扭矩的损失。