動車組車下鉚接結構分析及狀態評估

李孝勇　萬國強　李來彬

摘 要：文章針對動車組車下鉚接結構進行結構分析，對已運用10年的動車組用結構件進行分解研究，評估其運用狀態。

關鍵詞：鉚接結構；動車組；失效分析；疲勞試驗

1 概述

鉚接結構作為一種有效的機械連接形式，在機械結構中被廣泛應用[1]。由于鉚接結構具有良好的安裝性能、防松性能、特有的抗剪力和高夾緊力[2]、低檢修、免維護性等特點，在高速動車組領域得到了廣泛應用。高速動車組是一個復雜的系統工程，輪軌耦合及高速運行產生的氣動載荷對車下鉚接結構影響較大，在動車組高速運行時，若鉚接結構存在失效，會造成飛濺，容易擊傷人或擊打到其他設備，甚至會造成設備脫落，釀成嚴重后果。為保障列車的安全、可靠運營，消除安全隱患，需對高速動車組車下鉚接結構進行結構分析及狀態監控。

2 車下鉚接結構的應用

（1）設備安裝用鉚接結構如圖1所示、管線支架鉚接結構。

（2）設備艙底板用鉚接結構如圖2所示。

3 鉚接結構分析

（1）安裝設備用鉚接結構，鉚釘承受橫向剪切、結構共振等復合載荷，可能會使基體安裝孔變形，從而導致鉚釘傾斜，引起設備異常振動；鉚釘承受垂向拉伸載荷也可能改變鎖緊環與鉚釘圓弧凹槽密貼程度，導致預緊力的下降。

（2）設備艙底板組裝大量采用鉚接結構，由于此結構直接暴露在車輛底部，受結構共振、氣動載荷的影響，可能會使鉚釘產生疲勞斷裂，導致鉚釘脫落。

4 研究的內容及方法

4.1 對車下鉚接結構分解研究

對已經運用10年的鉚接結構進行分解檢查，以換氣裝置逆變器用鉚接結構作為試驗樣件如圖3所示。

4.1.1 研究方法

自鉚釘套環與墊塊的交界處將鉚釘切斷，鉚釘自動從孔內脫出，對鉚接母材、鉚接件、墊片、鉚釘、鉚釘套環周邊進行形貌觀察，對橫梁安裝孔和過渡梁安裝孔進行圓度檢測，對各部件進行探傷。以研究各安裝部件是否存在裂紋，各安裝面是否存在相互運動產生的摩擦痕跡，各安裝孔圓度是否存變橢圓的跡象，以判斷鉚接結構是否失效或存在失效趨勢。

4.1.2 研究過程

（1）通過對各部件形貌檢測，各接觸面之間未見明顯的微動磨損形貌，證明各部件之間的緊固狀態良好。

（2）由于設備過渡支架與橫梁對使用安全影響最大，故僅對兩者的孔尺寸進行計量，評估是否存在塑性變形。測量結果見表1。數據顯示兩個孔的直徑都不均勻，圓度不均勻；由于鉚釘孔呈腰鼓形（中間粗、兩端細），這種形狀也不太可能是工作時磨損所致?？讏A度不均勻應不是工作過程中發生的變形，可能與加工有關。

（3）將各部件沿軸向剖切成兩半，進行熒光檢測，未發現裂紋顯示。

（4）采用體視顯微鏡，對七部件的孔內壁形貌進行觀察，各部件形貌均不符合典型的微動磨損特征。

（5）對鉚釘表面進行熒光檢測，未發現裂紋。用體視顯微鏡觀察，其表面未見明顯損傷。

4.1.3 小結

根據以上檢測結果，各接觸面之間未見明顯的微動磨損形貌，鉚釘孔圓度測量不均勻，無損檢測未見裂紋，孔內壁無微動損特征，鉚釘表面形貌正常且未見損傷。證明鉚接結構無失效特征，目前狀態良好。

4.2 設備艙底板研究

系統了解其鉚接結構的性能，對設備艙底板用鉚釘進行了機械性能檢測和疲勞試驗驗證。

4.2.1 機械性能檢測

選取在設備艙底板中應用較為廣泛的鉚釘（不銹鋼鉚C6L90-U8-3），進行拉伸試驗與剪切試驗，測試結果見表2。

根據檢測結果，樣件的最小抗剪切載荷為12.65KN大于標準規定值12.25KN，最小抗拉力載荷為17.68KN是標準規定值的1.4倍，試驗結果表明此種鉚釘本身的機械性能符合要求。

4.2.2 鉚接結構疲勞試驗

疲勞試驗子樣件選取典型鉚接結構，共計8個子樣件。采用MTS810材料試驗機，進行拉伸疲勞試驗[3]，采用對稱循環進行加載試驗，即循環應力比為r=-1。子樣件材質為不銹鋼（SUS304，厚度3mm），采用鉚釘C6L90-U8-3（不銹鋼），鉚釘套環3LC-2CU-8（不銹鋼），試驗現場圖見圖4，試驗數據見表3。

試驗中對疲勞試驗次數超過200萬次的工件按照200萬次記錄，數據見表3，結果表明，設備艙底板用鉚接的疲勞斷裂次數隨拉伸力的增加而減少，在拉伸力達到2KN時，疲勞斷裂次數出現銳減。但工件5的試驗結果與相近工況的試驗結過果差別很大，結合樣件斷口的形貌，分析為施工不規范導致，表明施工的差異性對鉚接性能的影響很大。

4.2.3 小結

結合鉚釘的機械性能和疲勞試驗結果，鉚接結構的斷裂形式表現為鉚接件首先發生變形斷裂，證明鉚釘的強度滿足設備艙運用要求。另外，觀察鉚釘斷裂部位的鉚接件母材，無1例母材裂紋，說明結構強度滿足運用要求。

5 結束語

經過以上車下鉚接結構的研究，結果表明設備安裝用鉚接結構安全可靠，運用狀態良好。設備艙用鉚接結構的強度設計滿足要求，設計安全可靠。證明車下鉚接結構的設計滿足動車組運用要求，且運用狀態良好。

參考文獻

[1]張洪雙.鉚接工藝參數分析[J].機械設計與制造，2011（6）：241-243.

[2]肖貴.哈克拉鉚釘技術在車輛中的應用[J].科技經濟市場，2010（7）：20.

[3]吳志偉.拉鉚釘工藝在客車車身輕量化中的應用[J].產業與科技論壇，2015，14（8）：68-69.

作者簡介：李孝勇（1983-），男，中車青島四方機車車輛股份有限公司技術中心，從事動車組的研發設計工作。