球面接觸面積對扣件T形螺栓應力的影響

王敏，李子睿，馬曉華

(1．北京城建設計發展集團股份有限公司，北京100081;2．中國鐵道科學研究院，北京100081)

球面接觸面積對扣件T形螺栓應力的影響

王敏1，李子睿2，馬曉華1

(1．北京城建設計發展集團股份有限公司，北京100081;2．中國鐵道科學研究院，北京100081)

利用有限元方法建立數值計算模型，模擬北京地鐵14號線扣件系統T形螺栓的實際工作狀態，并通過改變螺栓軸向約束面積模擬球面的實際接觸面積，分析T形螺栓在不同邊界條件下螺栓根部的最大等效應力分布，對比T形螺栓屈服極限應力，分析不同約束面積對T形螺栓強度的影響。根據數值計算結果得出結論:隨著軸向約束面積的減小，T形螺栓根部最大等效應力逐漸增大，當軸向約束面積小于球面1/3時，螺栓根部最大等效應力超過螺栓強度極限，此時螺栓發生屈服破壞。

T形螺栓;約束面積;球面接觸面積;應力;有限元

扣件系統是軌道結構中重要的組成部分，扣件系統零部件失效對軌道結構穩定性、行車安全性有著顯著的影響。目前國內外學者對于軌道扣件系統的研究大多針對彈條扣壓力、彈條彈程、墊板剛度等，同時還對扣件系統整體疲勞特性進行了分析，得到了大量研究成果［1-3］。T形螺栓最早作為機械聯結部件的一部分，在機械領域的研究取得了長足的進步，技術較為成熟，因此在軌道扣件系統的研究中并未將T形螺栓的研究作為重點。但由于機械領域中螺栓的工作狀態和軌道扣件系統中螺栓的工作狀態不完全相同，因此將機械領域的研究成果完全套用于軌道扣件系統中是不合適的。

北京地鐵14號線園博園—大瓦窯區間發生了大量的DTⅦ-2型扣件T形螺栓斷裂事故，危及行車安全，同時也增大了運營單位養護維修的工作量。本文從這一工程實際問題出發，采用有限元分析方法，建立T形螺栓數值計算模型，分析在T形螺栓頭部球面的實際接觸面積與設計情況不符的情況下，T型螺栓根部(即螺桿與螺栓頭部接觸部位的外徑)的最大等效應力的變化規律。

1 T形螺栓有限元模型

DTⅦ-2型扣件T形螺栓的主要作用是聯結彈條與鐵墊板。在安裝過程中，T形螺栓頭部四周卡在鐵墊板梅花孔上，并通過螺母將彈條中肢下壓擰緊，如圖1所示。列車垂向動荷載通過彈條加載-卸載的過程作用在T形螺栓上。

T形螺栓頭部的球面與鐵墊板梅花孔頂面接觸，在設計中要求二者球面完全貼合，但在實際工程中由于生產、安裝誤差，導致T形螺栓頭部的球面與鐵墊板頂面的接觸并非完全貼合。

在有限元模型中可采用不同大小的軸向約束來體現這一不良接觸。因此，僅采用單一的T形螺栓部件，通過邊界條件的設置即可模擬T形螺栓實際的工作狀態［4-5］。本文所建立的T形螺栓有限元模型如圖2所示。T形螺栓的材料參數見表1［6-7］。

圖1 T形螺栓安裝示意

圖2 T形螺栓有限元模型

表1 T形螺栓材料參數

2 計算荷載

T形螺栓所受的荷載包括螺栓的預緊軸向力P、彈條的動態荷載F和鐵墊板的軸向約束力N，如圖3所示。

圖3 T形螺栓受力示意

扣件安裝時，在螺栓擰緊力矩的作用下會向T形螺栓施加預緊靜荷載。按照設計要求，DTⅦ-2型扣件作用在T形螺栓上的扭矩為90～110 N·m。林水福等［6］根據機械設計原理推導出螺栓擰緊力矩-預緊軸向力的關系為

式中:M為螺栓擰緊力矩;P為螺栓的預緊軸向力;R為螺栓外徑;r為螺栓內徑;f為螺母與被聯結件支撐面間的摩擦系數;d2為螺紋中徑;λ為螺紋升角，tgλ= t/(πd2)，t為螺距;ρ為螺旋副的當量摩擦角，tgρ為螺旋副的當量摩擦系數，tgρ=f'/cosβ，β為螺紋半角，三角型螺紋β=30°;f'為螺旋副間的摩擦系數。

由式(1)得出

鋼對鋼的摩擦系數在無潤滑時取值為0.15，有潤滑時取值為0.05～0.10，而T形螺栓測試時未涂油，因此摩擦系數f取0.15。T形螺栓為三角形螺紋的M22×2.5，d2=20 mm，R=11 mm，r=9 mm，螺距t= 3 mm。在設計扭矩M=100 N·m時，預緊軸向力計算得:

由此可知，計算模型中T形螺栓上應施加29.308 kN的預緊軸向靜拉力。

車輪傳遞到鋼軌上的載荷可分為橫向荷載和垂向荷載。在垂向荷載作用下軌下墊板壓縮而產生垂向動位移，鋼軌位置下降，與鋼軌接觸的彈條邊肢也隨之下降，此時彈條為動態卸載狀態，對螺栓的作用力減小;在橫向荷載作用下鋼軌發生傾翻，內側軌底產生向上位移，此時彈條隨鋼軌位移而產生形變，這一過程中彈條處于加載階段，對螺栓的作用力增大。動荷載F的變化范圍為－0.223～2.259 kN，在標準安裝狀態下N=P+F，由此可知螺栓受到軸向約束力的最小值為29.085 kN，最大值為31.567 kN。

3 計算結果與分析

有限元模型中按1/3球面軸向約束、2/3球面軸向約束和全球面軸向約束來模擬實際工作過程T形螺栓頭部球面與鐵墊板頂面的各種接觸形式。不同約束面積下T形螺栓根部等效應力值讀取位置如圖4所示，各點等效應力值如圖5所示。

圖4 螺栓根部等效應力值讀取位置

圖5 不同約束面積下螺栓根部等效應力曲線

由圖5可知，不同球面約束面積下T形螺栓根部最大等效應力分布趨勢基本相同。

1)總體來看，隨著軸向約束面積減小，螺栓根部最大等效應力逐漸增大，螺栓軸向約束面積對螺栓根部最大等效應力有較大影響;

2)在同一約束面積下，螺栓根部最大等效應力由螺栓根部的橫對稱軸向兩側呈先增大后減小的變化趨勢。不同約束面積下曲線走勢相同，且最大值出現的位置相同。與現場實際破壞螺栓相對比可知，該點與螺栓根部裂紋源位置基本吻合。

3)T形螺栓軸向約束面積小于球面1/3時，在螺栓根部等效應力峰值已超過T形螺栓材料的屈服極限235 MPa，此時螺栓發生屈服破壞。

4 結論

1)T形螺栓球面約束面積大小對T形螺栓根部應力分布有較大的影響。隨著軸向約束面積減小，螺栓根部最大等效應力逐漸增大。

2)T形螺栓軸向約束面積小于球面1/3時，在螺栓根部最大等效應力峰值已超過T型螺栓材料的屈服極限235 MPa，此時螺栓已經發生屈服破壞。

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Influence of Sphere Contact Area on Stress of T-shape Bolt in Fastener

WANG Min1，LI Zirui1，MA Xiaohua2
(1．Beijing Urban Construction Design＆Development Group Co．，Ltd．，Beijing 100081，China; 2．China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

T he numerical calculation model was established by using the finite element method to simulate the T-shape bolt actual working state of fastening system in Beijing metro line No．14，the maximum equivalent stress distribution of T-shape bolt root under different boundary conditions was studied through simulating the actual sphere contact area which was changed with bolt axial restraint area，and influence of different restraint area on the strength of T-shape bolt was analyzed by comparing the yield ultimate stress of T-shape bolt．T he numerical calculation results show that the maximum equivalent stress of T-shape bolt root increases gradually with the decrease of the axial restraint area，the maximum equivalent stress of T-shape bolt root is beyond the bolt strength limit when the axial restraint area is less than one third of the sphere area and the yield failure of bolt happens at the same time．

T-shape bolt;Restraint area;Sphere contact area;Stress;Finite element

U213．5+3

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2016．12．27

1003-1995(2016)12-0102-03

(責任審編周彥彥)

2016-06-06;

2016-09-05

王敏(1991—)，男，助理工程師，碩士。