加載速率對動車組Huck鉚釘剪切性能影響的研究

王永巖，張向峰，閆蕾蕾

(青島科技大學機電工程學院，山東 青島 266061)

【新材料】

加載速率對動車組Huck鉚釘剪切性能影響的研究

王永巖，張向峰，閆蕾蕾

(青島科技大學機電工程學院，山東 青島 266061)

針對動車組速度不斷提高而造成的Huck鉚釘在運行中頻繁斷裂的問題，應用萬能材料力學試驗機對Huck鉚釘鉚接件在不同的加載速率下進行鉚釘剪切試驗，研究加載速率對其剪切力學性能的影響。通過對比3組不同加載速率下的Huck鉚釘的剪切試驗數據以及鉚接件載荷-位移曲線，得出隨著加載速率的增加，Huck鉚釘的彈性起點平均載荷值、塑性起點平均載荷值以及彈性區間均減小而剛度有所增加等規律。試驗結果表明，當采用的Cr12MoV冷作模具鋼洛氏硬度值HRC范圍在40～50之間時，鉚釘孔幾乎不變形且鉚接試件在動態載荷下不易斷裂。本文獲取的相關結論對Huck鉚釘在動車組上的設計與改進將起到重要的參考作用。

Huck鉚釘；加載速率；剪切性能

焊接、鉚接以及螺栓連接是動車組零部件連接中的三大主要形式。長期以來，焊接是其中最主要的連接形式。但是，焊接過程容易產生殘余應力以及構件變形，尤其是對相對較薄的鋼板來說，焊接變形較大。普通鉚釘或螺栓等緊固件，連接可靠性相對較低，后期維護成本高。與普通鉚釘和螺栓等緊固件不同，Huck鉚釘是利用胡克原理，通過專用氣動拉鉚槍，在拉力的作用下，拉伸鉚釘栓桿，推動擠壓套環，將套環擠壓到環槽的栓桿上，從而產生永不松動的特性，防松性好、連接強度高，在動車組上應用日趨廣泛[1-2]。

隨著動車組的不斷提速，軌道不平順引起的動態力學性能問題顯得尤為突出。在周期檢修中發現，列車的鉚接結構中的Huck鉚釘經常出現斷裂脫落，嚴重影響了列車高速行駛的安全性。因此，有必要對Huck鉚釘的動態特性進行研究。本文應用300 kN萬能材料力學試驗機，在不同的加載速率下對動車組用的Huck鉚釘進行剪切試驗研究，分析加載速率對Huck鉚釘剪切性能的影響，為動車組Huck鉚釘的應用以及鉚接件改進提供參考依據[3-5]。

圖1 Huck鉚釘結構圖Fig.1 Structure diagram of Huck rivet

1 試件及試件夾具

1.1 試件結構及性能參數

本次Huck鉚釘動態剪切試驗采用美國進口SUS304牌號不銹鋼的M4Huck鉚釘，其夾緊力為8 030 N, 拉伸力為16 680 N。Huck鉚釘的結構如圖1所示。

1.2 試件夾具結構形式

圖2 折彎板結構圖Fig.2Structure diagram of bending plate

圖3 鉚接試樣結構圖Fig.3Structure diagram of the rivet sample

1.3 試件夾具性能要求

考慮到折彎板孔徑對鉚釘的剪切性能有一定的影響[8]，因此在進行鉚接件的動態拉伸試驗過程中，應盡量保證折彎板鉚釘孔不變形。本試驗通過控制折彎板的硬度值來確保鉚釘孔的變形程度，硬度越高，鉚釘孔的變形程度越低，但是高硬度值的折彎板脆性較高，在動態拉伸試驗過程中容易發生斷裂。

本文以Cr12MoV冷作模具鋼的洛氏硬度值為參考指標，取3組不同的洛氏硬度值的試件夾具進行試驗，采用位移加載控制方法，加載速率為2.5 mm/min，直至鉚釘被剪斷停止試驗，圖4a、b和c給出了不同洛氏硬度值的試件夾具試驗后的效果圖。

(1)硬度值HRC范圍在35 ～ 40左右(圖4a)。在該范圍內，試件夾具鉚釘孔處由于材料過軟，在鉚接件的動態拉伸過程中，因Huck鉚釘與鉚釘孔接觸應力較大，易發生擠壓屈服，導致鉚釘孔被擠壓變形，但鉚釘孔周邊無明顯裂紋產生，試件夾具不易斷裂。

(2)硬度值HRC范圍在40 ～ 50左右(圖4b)。在該范圍內，通過試驗發現，試件夾具在動態拉伸后，鉚釘孔處幾乎不變形，且在多次動態拉伸過程中，試件夾具不發生斷裂。

(3)硬度值HRC范圍在50 ～ 60左右(圖4c)。在該范圍內鉚接件的動態拉伸過程中，鉚釘孔不發生變形，但是由于材料硬度過高，塑性較低，導致試件夾具在動態拉伸過程中鉚釘孔周易產生裂紋，持續加載，試件夾具易斷裂。

綜上分析，本文采用洛氏硬度值HRC為45的Cr12MoV材料冷作模具鋼進行試驗。

圖4 不同硬度值試件夾具效果圖Fig.4 Design sketch of test pieces with different hardness

2 試驗方案及結果分析

2.1 試驗方案

?參見習近平《決勝全面建成小康社會 奪取新時代中國特色社會主義偉大勝利》，人民出版社2017年版，第24、49、31頁。

參照國標GB/T3098.18—2004[7]，應用美國美特斯公司生產的300 kN萬能材料力學試驗機，對圖3所示的鉚接試樣分別在2.5 mm/min、5 mm/min以及10 mm/min的不同加載速率下進行拉伸試驗。采用成組法，每個速率水平下取3個試件，通過萬能材料力學試驗機夾頭夾持圖3所示鉚接試樣距兩端1/3處，夾持過程中保持鉚接試樣相對于試驗臺的垂直角度，盡量減小由于裝夾不正而導致鉚釘承受附加彎矩作用而影響試驗結果的準確性，詳見圖5。

圖5 試驗機及鉚接試樣夾持圖Fig.5Photos of test machine and riveting sample clamp

2.2 試驗分析

本文取彈性階段起點載荷值，塑性階段起點載荷值，彈、塑性階段起點差值以及Huck鉚釘最大抗剪力作為研究加載速率對Huck鉚釘剪切性能影響的參考參數，3組試件的參考參數試驗數據見表1。

表1 Huck鉚釘鉚接試樣在不同加載速率下測試結果

圖6 彈性起點載荷平均值與加載速率關系曲線Fig.6Relation curve between average load value of elastic starting point and loading rates

圖7 塑性起點載荷平均值與加載速率關系曲線Fig.7Relationship curve between average load value of plastic starting point and loading rates

2.2.1 加載速率對Huck鉚釘彈性起點影響

通過表1給出的試驗數據,結合圖6所示的彈性起點載荷平均值與加載速率的關系曲線，可以看出隨著加載速率的增加，Huck鉚釘的彈性起點載荷值呈單調降低趨勢。加載速率為2.5 mm/min時，彈性起點載荷平均值為5 571.1 N；當加載速率增加至10 mm/min，彈性起點載荷平均值降至4 486.5 N，相比下降19.5%。

2.2.2 加載速率對Huck鉚釘塑性起點影響

對比表1給出的3種不同加載速率下Huck鉚釘的塑性起點載荷平均值，可以發現Huck鉚釘塑性起點平均載荷值隨加載速率的增加而減小，加載速率為2.5 mm/min時，塑性起點載荷平均值為13 418.9 N；當加載速率增加至10 mm/min，塑性起點載荷平均值降至9 668.2 N，相比下降27.9%。通過圖7也可明顯看出塑性起點平均載荷值與加載速率的關系。

2.2.3 加載速率對Huck鉚釘彈性區間影響

彈、塑性起點差值，即彈性區間與加載速率的關系可以從表1以及圖8中看出。由表1可見，當加載速率分別為2.5、5、10 mm/min時，Huck鉚釘的彈、塑性起點平均差值分別為7 847.8 N、7712.2 N和5 181.7 N，下降33.9%。圖8給出了彈、塑性起點平均差值與加載速率的關系曲線，可以看出彈、塑性起點平均差值隨加載速率單調遞減。

2.2.4 加載速率對Huck鉚釘抗剪強度影響

由表1的試驗數據結合圖9所示的最大抗剪力與加載速率的關系曲線，可以看出鉚釘的最大抗剪力約為20 kN,與加載速率無明顯規律可循，可認為鉚釘的抗剪強度在10 mm/min的加載速率之內，幾乎不受加載速率的影響。

圖8 彈、塑性起點差值與加載速率關系曲線Fig.8Relationship curve between the difference of elastic and plastic origin points and loading rates

圖9 最大抗剪力與加載速率關系曲線Fig.9Relationship curve between maximum shear stress and loading rates

2.2.5 加載速率對Huck鉚釘剛度影響

圖10 不同加載速率下Huck鉚釘鉚接試樣拉伸性能曲線Fig.10 Tensile property curves of riveting sample of Huck rivet with different loading rates

圖10給出了3種不同加載速率下，Huck鉚釘鉚接試樣的拉伸性能曲線。從圖中可以明顯看出，隨著加載速率的增加，Huck鉚釘的線彈性階段的斜率增大，即鉚釘的剛度增加。與此同時，Huck鉚釘的最大抗剪力幾乎保持不變，大約在20 kN左右，與圖9給出的關系曲線相吻合。此外，Huck鉚釘最大抗剪力對應的位移值隨加載速率的增加而減小。

2.2.6 破壞模式

根據試驗發現，不同加載速率下，鉚釘的斷裂失效方式大致相同，均是在兩折彎板試件夾具接觸面處的剪切面發生斷裂，而鉚釘頭部與折彎板試件夾具接觸面以及套環端面與折彎板試件夾具接觸面無明顯裂紋。從圖11的鉚釘斷裂失效圖可以看出，鉚釘的斷口較為平整，斷面收縮較小，可知Huck鉚釘的塑性變形能力較低[9-15]。

圖11 鉚釘失效圖Fig.11 Failure diagram of the rivet

3 結論

本文通過對不同洛氏硬度的Cr12MoV冷作模具鋼折彎板夾具進行試驗分析，發現在洛氏硬度值HRC 40 ～ 50范圍內進行Huck鉚釘動態剪切試驗，折彎板鉚釘孔變形最小。選取3種不同加載速率對Huck鉚釘進行剪切性能研究，發現隨著加載速率的增加，Huck鉚釘的彈性起點平均載荷值、塑性起點平均載荷值以及彈、塑性起點平均差值均呈現單調遞減趨勢，而加載速率對Huck鉚釘的最大抗剪力影響不大。另外，通過不同加載速率下的Huck鉚釘鉚接試樣的拉伸性能曲線對比研究，得出隨著加載速率的增加，Huck鉚釘的剛度增加，并且最大抗剪力對應的位移值呈現減小趨勢。

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Impact of loading rate on shear property of Huck rivet of EMUs

WANG Yong-yan, ZHANG Xiang-feng, YAN Lei-lei

(School of Mechanical and Electrical Engineering, Qingdao University of Science & Technology, Qingdao 266061,China)

∶ For the issue of continual speed increase of EMUs caused frequent Huck rivet rapture, we employ universal mechanical testing machine to perform rivet shear test for riveting components of Huck rivet with different loading rates to investigate the impact of loading rate on its shear mechanical property. Through the comparison of the shear test data and the load-displacement curve of Huck rivet of three different loading rates, we discover that average load value of elastic and plastic starting points and elastic scope of Huck rivet all decrease with the increase of loading rate, but its stiffness increases. Test results show that Huck rivet is not distorted and rivet hole is not apt to break when the HRC of Cr12MoV Cold Working Die steel is within the scope of 40～50. The relevant conclusion will provide significant reference for the design and improvement of Huck rivet of the EMUs.

∶Huck rivet; loading rate; shear property

10.3976/j.issn.1002-4026.2016.06.010

2016-06-16

教育部科技發展中心項目(20133719110005)

王永巖(1956—)，男，博士，教授，研究方向為振動與控制、結構仿真預測以及力學。E-mail：wangyongyan168@163.com

TB302.2

A

1002-4026(2016)06-062-06