動車組設備安裝用螺栓扭矩計算及強度校核

文強， 張博言

（南車青島四方機車車輛股份有限公司，山東青島266111）

動車組設備安裝用螺栓扭矩計算及強度校核

文強， 張博言

（南車青島四方機車車輛股份有限公司，山東青島266111）

為了保證設備安裝的可靠性，對動車組設備安裝用的螺栓預緊有非常嚴格的扭力要求。較詳細地計算和研究了動車組設備安裝中螺栓螺紋聯接的預緊方法、螺栓強度的核算、預緊力的控制等，為螺栓連接強度的校核提供了理論依據。

預緊力；扭矩系數；軸向靜載荷

0 引言

由于高速動車組結構的特殊性，動車組主要的大型電器設備（如主變壓器、牽引變流器、制動控制裝置等）均采用螺栓連接方式吊掛安裝在車底。為保證這些大型設備間安裝的可靠性，對其所使用的螺栓均有嚴格的扭矩要求。螺栓若緊固扭矩不足，會造成設備與安裝梁間有相對位移，造成螺栓受變應力而拉斷；若預緊扭矩過大，則螺栓螺紋會由彈性變形發展成塑性變形，甚至超出螺栓的許用應力而使螺栓擰斷。因此確定合適的螺栓扭矩值，保證螺栓有足夠的連接強度，是動車組設備安裝可靠的關鍵。

1 螺栓扭矩計算

螺栓聯接的扭矩計算，主要是根據聯接的類型、聯接的裝配情況(是否預緊)和受載狀態等條件，確定螺栓的受力，然后按相應的強度條件計算螺栓可用的緊固扭矩范圍值。

動車組車下設備安裝方式為螺栓緊固吊掛，排除因安裝不良等原因造成的其他外力因素，實際螺栓受力為軸向靜載荷，即設備的重量。設備安裝時，先用液壓小車等起重設備將要安裝的設備托起到安裝高度，安裝螺栓，推開起重設備，再緊固螺栓。

圖1 受軸向承重載荷作用前受力圖

圖2 受軸向承重載荷作用后受力圖

對螺栓在此過程中的受力狀態進行分析如圖1、圖2所示。在移開起重設備前，即螺栓還未承受設備重量時，給螺栓施加一定的預緊力FP，設備與安裝梁的接合面受螺栓施加的壓力FP作用，螺栓只受預緊力作用；移去起重設備后，在軸向承重載荷FC的作用下，兩接合面有分離趨勢，該處壓力由FP減為FP′，稱為殘余預緊力，并同時也作用于螺栓。

由分析可知，螺栓所受總拉力F0應為軸向承重載荷FC與殘余預緊力FP′之和，即

其中：F0為螺栓所受軸向總載荷，N；FC為螺栓所受軸向承重載荷，N；FP為預緊力，N；FP′為殘余預緊力，N；λ為相對剛度（查表獲得，金屬為0.2～0.3）；K0為殘余預緊力系數（軸向靜載荷一般連接為0.2～0.6，重要連接為1.5～1.8）；G為設備總重量，N；n為螺栓個數。

在施工中常用扭力扳手對螺栓進行緊固。為便于施工中的應用，將上述螺栓所用預緊力換算成扭矩值，即：

其中：K為扭矩系數，目前施工規范中規定扭矩系數K= 0.11～0.15，標準偏差≤0.01；D為螺栓公稱直徑，mm。

理論分析和使用實踐證明，適當選用較大的預緊力對螺栓聯接的可靠性和螺栓的疲勞強度都是有利的，但過大的預緊力會導致螺栓和聯接的尺寸增大，實際生產中可根據產品要求和實踐選擇經驗數據值。一般受軸向工作載荷作用的鋼螺栓的預緊力可參考表1的數值確定。對于重要聯接和有特殊要求的螺栓，則應根據其使用實踐確定，并在裝配圖或安裝作業指導書中標注出，以便安裝時進行控制。

表1 部分螺栓預緊力值 kN

2 螺栓強度校核

螺栓聯接的強度校核，主要是根據前面計算出的螺栓施加的載荷值，按相應的強度條件計算螺栓危險截面的應力值，計算螺栓所受的應力值是否在強度安全范圍內。

式中：d1為螺栓小徑，mm，可查表獲得；σS為螺栓屈服強度，MPa，可查表獲得；SS為安全系數，可查表2；［σ］為許用應力。

表2 預緊螺栓的安全系數SS值

因此，要使螺栓的強度滿足要求，應保證σ≤［σ］。這是個比較大的范圍。在實際生產施工中，為了充分發揮螺栓的工作能力，保證緊固的可靠性，通常可根據各類設備的使用要求，使螺栓緊固后的應力達到以下值：對于一般機械，σ=（0.5～0.7）σS；對于鋼結構高強度螺栓，σ=（0.75～0.85）σS；對于航天航空緊固件，σ≈0.35σS。

在動車組中，由于結構的特殊性，為了滿足安裝的需求，在國標緊固件不適合使用時，常需要部分自行設計的特殊緊固件。在這些非標準緊固件構成的聯接中，除了要按上述校核螺栓的強度外，還需要校核螺紋牙的強度。

螺紋牙破壞多為發生剪切和擠壓彎曲破壞。螺桿受軸向載荷F0，螺桿與螺母的旋合圈數為z，假設螺紋各圈所受應力平均分布，則每圈螺紋所承受的載荷為F0/z，作用于螺紋中徑圈上。則可得：

螺紋所受彎曲應力σb=Mσ/Sσ。

而實際中螺紋的受力分布是相當不均勻的。在開始的3圈螺紋承受了大部分的軸向力，約為總拉伸力的60%，而第1圈則承受了總力的25%～30%左右，從第l圈到第5圈承受了總拉伸力的80%，到第10圈時負荷趨于零。這就是經常發現在螺紋第1圈處容易斷裂的原因。因此在計算螺紋的應力時，必須考慮螺紋各圈載荷不均的因素，將平均分布應力除以載荷不均系數KZ來彌補螺紋在前3圈負荷的不均勻性。上述螺紋受力應為：

KZ可按表3取值。表中d為螺紋公稱直徑。

由式（11）、式（12）可得，若設計螺紋滿足強度要求，則需滿足：

其中：［τ］為許用切應力，MPa；［σb］為許用彎曲應力，MPa。

表3 載荷不均系數

3 結語

通過螺栓受力及扭矩的計算，求得設備螺栓安裝時的最佳受力扭矩，便于螺栓緊固及強度校核工作的順利進行，能夠有效保證螺紋連接的安全性能，提高動車組設備安裝的可靠性，降低事故的發生。

［1］ 徐灝.機械設計手冊［M］.北京：機械工業出版社，2003.

［2］ 劉政，尹剛強，石樹智.論水泵裝配中的螺栓強度及預緊方法［J］.通用機械，2006（4）：71-73.

［3］ 童輝云，包珺.螺栓聯接的可靠性研究［J］.船電技術，2011（7）：39-41.

［4］ GB/T 16823.2-1997螺紋緊固件緊固通則［S］.北京：中國標準出版社，1997.

［5］ 任麗華.螺紋擰緊扭矩的理論分析［J］.煤礦機械，2006，27（7）：67-69.

（編輯：立 明）

TH 114

B

1002－2333（2014）04－0229－02

文強（1986—），男，助理工程師，主要從事高速動車組制造工藝研發工作。

2013-11-25