扭矩對鋼軌接頭螺栓疲勞壽命的影響分析

李小彭,李加勝,安鐮錘,王 蕾

(1.東北大學 機械工程與自動化學院,遼寧 沈陽 110819; 2.承德石油高等專科學校工業技術中心，河北 承德 067000)

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扭矩對鋼軌接頭螺栓疲勞壽命的影響分析

李小彭1,李加勝1,安鐮錘1,王 蕾2

(1.東北大學 機械工程與自動化學院,遼寧 沈陽 110819; 2.承德石油高等專科學校工業技術中心，河北 承德 067000)

鋼軌接頭螺栓的疲勞失效與斷裂使鐵路運輸的可靠性、安全性下降,是阻礙高速鐵路發展的重要因素.因此,研究鋼軌螺栓的疲勞性能具有重要的現實意義.首先通過預緊力矩與預緊力的轉換公式,把預加載的螺栓力矩轉換成預緊力,研究了在不同預緊扭矩作用下,預緊扭矩對鋼軌接頭螺栓疲勞失效特性的影響;其次通過理論計算,選擇出最佳螺栓扭矩.最后在鋼軌接頭螺栓的三維實體模型基礎上,施加已計算出的最佳預緊扭矩,用ANSYS Workbench疲勞分析模塊對螺栓進行疲勞壽命估算.以上研究都說明鋼軌接頭螺栓最大的變形發生在螺母與鋼軌夾板接觸處的第一圈螺紋牙處.

鋼軌接頭螺栓; 螺栓扭矩; 疲勞失效; 有限元; 壽命估算

在實際工程中,構件可能會由在各種載荷的作用下而產生局部破壞,其中因為交變載荷而產生的疲勞破壞占據了50%—90%[1-2].機械零件在變應力作用下,經過一段時間后會在局部應力區形成微裂紋,微裂紋逐漸擴展至最后斷裂的現象稱為疲勞破壞.疲勞失效始于熱點的一個小裂紋,而該熱點的拉伸應力處于最大值.一旦裂紋生成并擴展,應力集中可能進一步增加,其結果是使裂紋更加迅速擴展[3].據相關統計,在機械構件和零件的斷裂事故中有80%歸屬于疲勞破壞,因此疲勞計算在機械零件失效中有重要的地位.

隨著最近幾年我國工業的迅速發展,鐵路運輸在我國交通運輸中起著越來越重要的作用.鋼軌接頭螺栓作為鋼軌與鋼軌連接的重要部件,在拉伸、彎曲以及沖擊載荷的作用下,螺栓將產生螺桿的拉伸、螺栓和螺母的螺紋磨損以及在墊板和鋼軌、墊板和螺栓頭、墊板和螺母之間摩擦表面的磨損,并產生松動,造成螺栓預緊力的減小,甚至出現疲勞斷裂[4].螺栓的失效將會對機車的運行帶來安全隱患.本文首先研究了螺栓預緊扭矩對螺栓疲勞特性的影響,并計算出最佳預緊扭矩,以提高螺栓疲勞強度和使用壽命;其次應用有限元分析方法對鋼軌接頭螺栓進行了疲勞壽命估算.

1 扭矩對螺栓疲勞壽命的影響

螺栓在裝配聯接時必須要擰緊,預緊的目的是為了增強聯接的緊密性和可靠性,從而防止受載后被連接件間發生相對滑動或縫隙.大量經驗證明:適當選擇比較大的預緊力對連接件的疲勞強度以及螺紋聯接的可靠性是有利的.然而過大的預緊力將會導致整個的聯接結構尺寸增大,也可能會使連接件在偶然過載或裝配時被拉斷.因此,為了保證連接件既有一定的預緊力,又不使螺紋連接件過載,對螺栓的預緊的控制十分重要.常用的控制預緊力的方法有[5]:扭矩控制法、轉角控制法、屈服點控制法、伸長量控制法等,因此有必要研究預緊扭矩對螺栓壽命的影響.

1.1 預緊扭矩與預緊力的換算

擰緊螺母時,加在扳手上的擰緊扭矩T等于用克服螺紋副間的摩擦扭矩T1和螺母環形端面與承受面上的摩擦扭矩T2,即

(1)

(2)

(3)

則

(4)

式中:Qp為螺栓預緊力;d2為螺紋中徑;φ為螺紋升角;φv為螺紋當量摩擦角;fc為被連接件支撐面與螺母之間的摩擦系數;D0為螺母環形支承面的直徑;d0為螺紋孔的直徑.

對于鋼軌接頭螺栓M24的粗牙普通螺紋剛強度螺栓,螺紋升角φ=2.48°,螺紋中徑d2=0.9d(d為螺栓的公稱直徑);螺旋副的當量摩擦角φv= arctan1.115f(f為螺紋副間的摩擦系數，在無潤滑時f≈0.1～0.2);螺母環形支承面的外徑D0≈1.5d;螺栓孔直徑d0≈1.1d;支承面與螺母間的摩擦系數fc=0.15.將上述各參數代入式(4)，得:

T=0.2Qpd

(5)

1.2 螺栓扭矩對螺栓疲勞特性的影響

根據我國標準《GB5098—85 鋼軌用高強度接頭螺栓、螺母》中的規定,采用60 kg·m-1的鋼軌時，其軌枕間距為55 cm，接頭螺栓材料為20MnTiB，彈性模量為210 Gpa,屈服強度為940 Mpa,泊松比為0.28,抗拉強度為1040 Mpa.以螺栓桿的長度為135 mm、螺距為3 mm、帶螺紋部分的公稱直徑為24 mm、無螺紋部分桿徑的長度為22.051 mm,螺母的旋合長度為24 mm的鋼軌鋪設的線路上的螺栓連接組合作為計算模型.

螺栓與螺母選用PLANE182單元,本單元含有4個節點,每個節點中有2個自由度:節點x和y方向的平移.本單元具有超彈性、塑性、應力剛度、大變形和大應變的能力,并具有力-位移混合公式的能力可以模擬接近不可壓縮的彈塑性材料和完全不可壓縮超彈性材料的變形.

選擇CONTA172和TARGE169單元來定義螺栓和螺母螺紋接觸面,其中CONTA172作為接觸面,TARGE169作為目標面,而這兩個單元都沒有厚度.接觸面和目標面的性質差別較小,接觸面是硬度較低的實體表面,目標面通常是硬度較高的實體表面.這種接觸單元可以支持低階和高階單元,并且能夠模擬有摩擦的和大滑動的大變形,可以為工程模擬提供很好的接觸效果[6].

根據鋼軌螺栓實際工作的狀態,給螺栓的有限元模型加上載荷和邊界約束,在螺栓與鋼軌夾板連接處施加x方向約束,螺栓軸線施加y方向約束,在螺母上施加y方向的約束.分別取螺栓預緊扭矩T=700,802,900 N·m,通過式(5)轉換成均布載荷P=181.43,207.86,233.26 Mpa,計算鋼軌螺栓螺紋的形量.螺栓的合位移等值線圖和螺栓等效應力等值線圖如圖1所示.

(1) 從螺栓的合位移等值線圖中可以看出,螺母與支撐面接觸處的第一個螺紋牙變形最大,然后各圈螺紋牙變形依次遞減.因為螺紋受載時,螺栓受拉,螺距增大,而螺母受壓,螺距減小,螺距的變化差靠旋合各圈螺紋牙的變形來補償,這與實際螺紋牙間的變形情況相符合.

(2) 對螺栓施加預緊扭矩T=400,500,600 N·m所產生的螺栓螺紋最大的變形量分別為ε=0.010 7,0.013 5,0.016 2 mm,螺紋的變形隨著預緊扭矩的不斷增大而增大,當螺紋的變形足夠大時,螺紋將失效,從而降低螺栓的疲勞壽命.

(3) 在施加3種預緊力矩的情況下,螺栓的根部所產生的應力增大,且螺紋根部應力的增大也是螺栓出現疲勞斷裂的主要原因,故通過合理的控制螺栓預緊力矩來減小螺紋根部的應力,是提高螺栓抗疲勞的有效措施.

圖1 均布載荷P=181.43,207.86,233.26 Mpa時螺栓的合位移等值線圖和等效應力等值線圖Fig.1 Isoline of bolt displacement and bolt equivalent stress with uniform load P=181.43,207.86,233.26 Mpa

2 鋼軌螺栓最佳預緊扭矩的確定

本文所用鋼軌接頭螺栓為10.9級,公稱直徑d=24 mm,螺距p=3 mm,牙型角α=60°

(1) 外螺紋的應力計算直徑ds計算:根據螺紋的公稱直徑d、螺距p,得：

DS=d-0.938 2d=21.185 4mm

(2) 預緊應力σy計算:根據螺栓的性能等級(保證應力σp)及螺母(或內螺紋)的強度情況確定,當螺母的強度與螺栓相匹配時,可按螺栓的保證應力σp來確定預緊應力σy

螺栓的保證應力σp,見表1.

本文取σy=0.6 N·mm-2,σp=0.6×830=498 N·mm-2.

(3) 預緊力Fy計算:根據螺紋的應力計算直徑DS、預緊應力σy,確定

(4) 螺栓的預緊力矩的推導及力矩值修正計算

摩擦力臂rf取決于螺紋的特征參數(直徑d、螺距p、牙型角α),螺栓頭部與支承面之間的結合尺寸(近似用扳手尺寸S和螺栓螺紋直徑替代)以及材料之間的摩擦系數(螺栓頭螺母與支承面之間的摩擦系數μ1,螺紋之間的有效摩擦系數μ2)等,摩擦力臂rf的計算如下:

通常情況下,s≈1.5d，α=60°，p≈0.1d,于是:

rf=0.54(μ1+0.03)d+0.63dμ2=4.600 8mm

預緊力矩Ty等于預緊力Fy和摩擦力臂rf的乘積:

Ty=rfFy=807N·m

故鋼軌接頭螺栓的最佳預緊力矩Ty=807 N·m,才不會使螺栓由于預緊力矩過大使螺紋牙變形量過大,致使螺栓疲勞失效,并且在螺栓螺紋根部半徑最大的情況下,使螺栓的應力集中降到最低.

3 鋼軌接頭螺栓的疲勞壽命估算結果與分析

建立螺紋根部半徑為0.4 mm、施加已計算得出的最佳預緊扭矩的鋼軌接頭螺栓的三維實體模型,把該模型導入ANSYS Workbench中,對螺栓進行材料屬性的設置、接觸對建立、網格劃分、邊界條件及載荷加載得到螺栓的有限元模型.然后通過ANSYS Workbench疲勞分析模塊計算得到螺栓的疲勞壽命分布如圖2所示以及螺栓的安全系數如圖3所示.

表1 螺栓的保證應力σp

由圖3可得,鋼軌接頭螺栓低壽命區發生部位在螺母支撐面第一圈螺紋的根部圓角處，以及光桿與螺帽的過渡處,最小壽命為62554次循環;螺紋應力分布不均,螺紋根部應力集中嚴重.從圖6可得,螺栓的安全系數較低處發生在螺栓螺紋根部.

圖2 螺栓疲勞壽命Fig 2 Fatigue life of rail bolt

圖3 螺栓的安全系數Fig 3 Safety factor of rail bolt

4 結論

(1) 通過預緊力矩與預緊力的轉換公式,把預加載的螺栓力矩T=700,800,900 N·m轉換成預緊力,來分析螺栓扭矩對螺栓螺紋的影響.分析結果顯示.隨著螺栓扭矩的增大,螺栓的螺紋變形將逐漸增大,最大的變形發生在螺母與鋼軌夾板接觸處第一圈螺紋牙處,螺紋的變形隨著旋合數的增加而逐漸減小,所以并不是預緊扭矩越大越好,應選擇最佳螺栓扭矩.

(2) 由分析可得,并不是螺栓預緊扭矩越大越好,過大的預緊扭矩將使螺紋牙變形過大,降低螺紋牙的連接強度,降低螺栓的疲勞壽命;過小的預緊扭矩將不能使鋼軌接頭和鋼軌夾板很好地連接,通過理論推導得到了鋼軌接頭螺栓的最佳預緊扭矩為807 N·m,使螺栓既能有足夠的預緊扭矩使鋼軌夾板和鋼軌很好地連接,又能使螺栓的變形最小且螺紋根部應力集中降到最低,從而提高螺栓的疲勞壽命.

(3) 分析結果表明,螺栓的最小壽命發生在螺母支撐面第一圈螺紋根部圓角處，為62 554次.因此,對于振動引起的螺栓松動問題的解決就是,需要定期對螺栓進行預緊及維護.

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Impact analysis of torques on fatigue life of rail joint bolts

LI Xiao-peng1,LI Jia-sheng1,AN Lianchui1,WANG Lei2

(1.School of Mechanical Engineering & Automation,Northeastern University,Shenyang 1108194,China;2.lndustrial Technology Cener,Chengde Petrorum College,Chengde 067000,China)

Due that the fatigue failure and rail joint bolt breakage decrease the railway transport reliability and safety,the fatigue property of rail bolt impacts significantly on high-speed railway development.Firstly,the pre-loading bolt torque is converted into pre-tightening force via transformation formula of tightening torque and pre-tightening force by investigating the tightening torque into rail joint bolt fatigue failure under different pre-tension actions.Secondly,the preferred bolt torque is selected by theoretical calculations.Finally,based on three-dimensional solid model of rail joint bolt,the fatigue life is estimated using ANSYS WorkbenchTM fatigue analysis module.Therefore,it is indicated that the maximum bolt deformation occurs at contact areas of the first lap thread between nuts and rail plywood.

rail joint bolt; bolt torque; fatigue failure; finite element; life prediction

國家自然科學基金資助項目(51275079)；遼寧省百千萬人才工程培養經費資助項目(2014921018).

李小彭(1976-),男,教授,博士.E-mail:xpli@me.neu.edu.cn

TH 123

A

1672-5581(2016)02-00104-05