鐵路貨車專用拉鉚銷的研制

劉 宇，伏 凱，趙祥云

（眉山南車緊固件科技有限公司，四川 眉山 620010）

0 引言

鐵路貨車基礎制動裝置是鐵路貨車的重要組成部分，是鐵路貨車安全運行的重要保證。在鐵路貨車基礎制動裝置既有質量問題中，有很大部分是連接失效問題，由于連接失效造成基礎制動裝置脫落、丟失等故障，嚴重威脅鐵路貨車的行車安全。

拉鉚銷是利用拉鉚技術與圓銷結構相結合的方式實現鉸接連接功能的一種新型連接件，在研制過程中需要對拉鉚銷結構尺寸進行設計，并保證各項力學性能符合技術要求。本文以DMXP20-40-T12為例，采用有限元分析方法對安裝使用過程中金屬塑性成形的應力、應變、行程載荷等各項力學性能進行分析計算情況，并對產品結構尺寸進行優化，經計算表面拉鉚銷各項力學性能符合技術要求，可以開展樣件試制試驗工作。

1 拉鉚銷的有限元分析

1.1 有限元模型構建及參數設定

圖1為拉鉚銷、墊圈和套環及鉚接器槍頭和卡爪的FEM 圖，鉚接時鉚接器槍頭軸向相對運動并擠壓套環變形，套環被擠壓到拉鉚銷的環型槽中形成連接，拉脫時拉脫板軸向相對運動并對拉鉚銷頭部和墊圈施力，迫使套環從拉鉚銷環形槽中脫出，由于在鉚接過程和拉脫過程中套環和拉鉚銷環槽受到較大的變形和應力，因此對其采取局部細化網格提高模擬精度[1，2]。

在拉鉚銷有限元過程中采用剪切摩擦模型，冷擠壓摩擦系數取0.08。鉚接器和拉脫板移動速度分別設置為10mm/s，最小網格為0.05～0.07mm，單步設置為0.02mm。

圖1 有限元分析圖Fig.1 FEA analysis

1.2 有限元分析結果

（1）鉚接過程有限分析。圖2 中為三種不同型號拉鉚銷鉚接過程行程—載荷曲線圖，可以看出隨著鉚接器載荷的增加，套環逐漸變形，鉚接過程行程與載荷呈近似線形關系，到鉚接距離為11.3mm時，鉚接力達到最大值38.2kN，最終需要的鉚接力小于短尾保證載荷，因此短尾部分結構強度可以承受鉚接過程力學性能要求，設計合理。拉鉚銷的最大等效應力為982MPa，出現在環槽的頂部；套環的最等效應力為763MPa，出現在與拉鉚銷環形槽接觸處，如圖3所示。

圖2 鉚接過程行程—載荷曲線Fig.2 Stroke-load curve of analysis during riveting

圖3 鉚釘和套環應力分布云圖Fig.3 Stress analysis for the pin&collar

（2）拉脫過程有限分析。拉鉚銷拉脫為套環的法蘭面受到向外的軸向力時，沿著拉鉚銷軸向方向使套環與銷分離的過程。在拉脫過程中，已擠壓到拉鉚銷環槽內的金屬產生破壞變形。通過有限元分析可以得出，套環（或拉鉚銷）在軸向發生位移為1.17mm時，拉脫力達到最大，其值為92.1kN，如圖4所示。整個拉脫過程中，鉚釘的最大等效應力為1100MPa，套環最大的等效應力為837MPa， 如圖5所示。

圖4 拉脫過程行程—載荷曲線Fig.4 Stroke-load curve of analysis during breaking

圖5 鉚釘和套環拉脫應力云圖Fig.5 Stress clouds of the pin&collar during breaking

2 拉鉚銷的加工工藝

鉚釘坯料成型可選用熱鍛成型或冷鐓成型。熱鍛成型：一般的鍛壓設備可以滿足要求，一次性投入小，但需要進行加熱，配件有氧化、脫碳，操作人員作業環境差等缺點；而冷鐓成型采用自動方式供給盤料，包括切斷在內的各個成形工序全是自動化的，設備一次性投入大，但由于采用盤圓料，料頭損耗少，材料的利用率高，常溫條件下進行成型，能改善金屬的機械性能，提高產品表面的光潔度和制造精度，冷鐓加工具有生產效率高，材料利用率高，提高零件疲勞性能等方面的優異特性[3,4]。

常用的熱處理設備有箱式爐、井式爐、可控氣氛網帶爐等。可控氣氛網帶爐一次性投入大，但整個熱處理過程操作簡單，熱處理質量容易控制，經發藍處理后工件出爐及為成品，增大生產效率，生產成本降低，是批量生產拉鉚釘的最佳選擇。為了增強拉鉚釘的耐腐蝕性能，延長使用壽命，拉鉚釘需要進行表面處理。常見的拉鉚釘表面處理方式主要有發藍、鍍鋅鈍化、鍍鎳、多元共滲或達克羅處理等[5]。

2.1 工藝路線

拉鉚銷工藝路線：原材料→下料→鐓鍛→滾絲→網帶爐熱處理→性能檢測→探傷→常溫發黑→上油→入庫。套環路線：原材料→套環鐓鍛→熱處理→表面處理→入庫。墊圈工藝路線：原材料→墊片沖壓（板材落料）→熱處理（含發黑）→性能檢測→上油→入庫。

2.2 工藝過程

拉鉚銷和套環的成型是采用鐓鍛機鐓鍛成型，拉鉚銷采用熱鐓鍛成型，套環采用冷鐓鍛成型。拉鉚銷制絲滾絲機滾絲。拉鉚銷熱處理為網帶式連續熱處理爐，有碳勢控制氣氛保護裝置，且表面需要在發黑槽中完成。套環和墊圈熱處理裝備為熱處理爐。拉鉚銷需要通過磁粉探傷檢查是否有裂紋缺陷。

3 拉鉚銷的試驗

3.1 鉚接力試驗

選擇質量合格的拉鉚銷、套環和墊圈組裝好后，與鉚接槍筒按照鉚接位置安放在微機控制電液伺服萬能試驗機的壓頭下；開啟試驗機，緩慢平穩的對試樣施加載荷，直至拉鉚銷套環完全變形到位，使用載荷—伸長曲線的最高峰值作為拉鉚銷套環鉚接力，圖6 是拉鉚銷鉚接試驗行程載荷曲線，表1為鉚接試驗分析數據。

3.2 短尾保證載荷試驗

圖6 鉚接試驗-行程載荷曲線Fig.6 Stroke-load curve of testing during riveting

表1 鉚接試驗分析數據Tab.1 Data analysis of the testing

短尾保證載荷試驗是拉鉚銷尾部短尾結構斷裂所需要的最大載荷，選擇質量合格的拉鉚銷在短尾保證載荷工裝上安裝好后（圖7），將工裝安放在萬能試驗機的兩個夾頭之間，并使工裝中心線與試驗機夾頭中心線對齊并夾緊工裝；開啟試驗機，緩慢平穩的對試樣施加載荷，直至拉鉚銷尾部短尾結構斷裂，使用載荷—伸長曲線的最高峰值作為結構失效載荷—短尾保證載荷。圖8為拉鉚銷短尾保證載荷試驗行程載荷曲線，表2 是短尾保證載荷試驗分析數據。

圖7 短尾保證載荷試驗夾具圖Fig.7 Clamp for proof load test

圖8 短尾保證載荷試驗-行程載荷曲線Fig.8 Stroke-load curve of proof load testing

表2 短尾保證載荷試驗分析數據Tab.2 Comparison data from proof load test and analysis of bobtail

3.3 拉脫力試驗

選擇質量合格的拉鉚銷、墊圈和套環在拉脫工裝上鉚接（圖9）合格后，將工裝安放在微機控制電液伺服萬能試驗機的兩個夾頭之間，并使工裝中心線與試驗機夾頭中心線對齊并夾緊工裝；開啟試驗機，緩慢平穩的對試樣施加載荷，直至拉鉚銷和套環軸向完全脫離，使用曲線的第一個峰值作為結構失效載荷—拉脫力。最大載荷為拉脫力，圖10 是拉鉚銷鉚接后拉脫試驗行程載荷曲線，表3 是拉脫試驗分析數據。

圖9 拉脫力試驗夾具圖Fig.9 Clamp for breaking test

圖10 拉脫試驗-行程載荷曲線Fig.10 Stroke-load curve of testing during breaking

表3 拉脫試驗分析數據Tab.3 Comparison data from breaking test and analysis

4 應用

拉鉚銷主要應用在鐵路貨車的車體基礎制動和轉向架基礎制動中，車體基礎制動裝置中制動缸前、后杠桿與閘調器及上拉桿，制動缸后杠桿與制動缸后支點座，閘調器與控制杠桿，手制動拉桿與鏈蹄環，手制動動滑輪、定滑輪等位置裝用拉鉚銷；轉向架基礎制動裝置中固定杠桿支點與固定杠桿支點座，固定杠桿、游動杠桿與制動梁支柱，固定杠桿、游動杠桿與中（下）拉桿間裝用專用拉鉚銷；柔性支點內的鏈蹄環間裝用專用拉鉚銷。

公司組織人員先后走訪了沈陽、濟南、武漢、蘭州、西安、成都等鐵路局，對裝用拉鉚銷的鐵路貨車進行追蹤調研，通過調研發現拉鉚銷運用狀況良好，無脫落、裂損、折斷或丟失現象，有效的解決了鐵路貨車基礎制動裝置防脫、防盜問題，并在70t級及以上鐵路貨車上批量裝車運用。

[1]劉建生，陳慧琴，郭曉霞.金屬加工[M].冶金上業出版社，2003.

[2]李尚健.金屬塑性成形過程模擬[M].機械工業出版社，1999.

[3]崔兆永.鐵路貨車專用拉鉚釘制造工藝與質量控制系統研究[D].山東大學，2009.

[4]楊樹森，等.拉鉚釘及其在鐵路車輛中的應用[J].鐵道車輛，2006，12.

[5]American Iron and Steel Institute(1997).1996 Edition of the Specification for the Design of Cold-formed Steel Structural Members,Washington.D.C,USA.