高速動車組車下懸掛部件聯接結構及應用分析

曲振洋

摘 要：高速動車組車下懸掛部件的可靠性直接影響車輛運營的安全。本文根據車下懸掛部件的設計要求為基礎，從螺栓強度校核和有限元分析到安裝結構的設計等方面進行了全面的分析，總結出懸掛部件聯接螺栓的選型及強度要求、溫度性能要求、防腐防松性能指標等因素，都是設計懸掛部件螺栓的關鍵點。

關鍵詞：懸掛部件；螺栓；強度校核；有限元分析

隨著國家對高速鐵路網的大規模投資建設，我國的高速鐵路網的發展日新月異。同時，作為高速鐵路網的運輸載體—高速動車組也越來越大規模應用，成為客運列車的主流車型，并且按照發展要求，速度在不斷提升，運載量不斷增大，其載客營運的安全性和可靠性，越來越受到大家的關注。高速動車組作為國家重點的高科技產品，結構復雜，精度要求很高，車體懸掛部件繁多，尤其是車外底架部位，更是一列高速動車組的大腦和核心部位。高速動車組在運行時，由于受到各個方向加速度載荷的作用，對車下懸掛部件的可靠性要求很高，經過國內外長期的研究實踐，應用最為廣泛的是使用螺栓將懸掛部件和底架連接，因此，在設計之初，對螺栓連接的可靠性分析，就顯得尤為重要。

1 螺栓聯接結構分析

1.1 國內外對螺栓聯接結構強度分析方法

目前，國內外主要有兩種方法進行強度分析：一種是傳統的理論計算；一種是有限元分析研究。理論計算一般基于《機械設計手冊》，按照手冊中的計算公式和數據表格，根據需要選取計算。有限元分析研究方面，有的將螺栓簡化成梁單元進行分析，這種方法沒有考慮預緊力和連接件之間的接觸情況，適用于結構模型大，螺栓數量多的強度計算，有的考慮了整體模型結構但是螺栓聯接接觸計算的精確性不足，有的將螺栓采用三維實體單元模擬，進行接觸非線性計算，考慮螺栓與連接件之間的接觸問題，考慮摩擦力作用，計算精度較高。

現在，大多數企業已經將上述兩種方法有效結合，按照懸掛部件不同的吊裝位置和結構，綜合考慮：基體本身的強度、安裝座強度、安裝座與基體的連接強度以及結構減振等，憑借經驗并參考國內外類似結構進行設計，而結構設計的合理性、可靠性還需要通過強度仿真分析和試驗等手段作為設計依據。

1.2 螺栓連接結構分析

車下懸掛部件重量一般有幾頓重，車輛在運行中，如果采用剛性聯接方式，會使螺栓受力強度很大，極易斷裂失效，導致懸掛部件脫落。因此，聯接多選用彈性連接方式，通過彈性橡膠件吊裝在車體底架邊梁型腔內，并設置了橫向止檔與縱向止檔。縱向止檔安裝螺栓多采用M30的大尺寸螺栓，增加連接強度，并在螺栓上施加緊固力矩500Nm。螺栓的安裝位置和排布數量，根據每個懸掛部件的要求，具體確定。

1.3 運行載荷工況分析

根據EN12663-1-2010標準對所設計的懸掛部件結構施加縱向、橫向、垂向加速度，并根據不同載荷設計不同的載荷工況。采用仿真分析和理論計算相結合的方法，先對懸掛部件結構建立有限元模型，施加載荷后，提取出螺栓承受載荷，再對螺栓強度進行理論校核。8.8級螺栓的許用拉應力為640MPa，許用剪切應力312MPa，許用擠壓應力512MPa，疲勞許用應力250MPa。將懸掛部件的螺栓有限元應力數值與8.8級螺栓許用應力對比，只要不大于8.8級螺栓的許用應力值，螺栓選型即為合格。

2 動車組運營中外界環境對螺栓聯接的要求

2.1 溫度指數性能要求

我國國土復員遼闊，高速鐵路網四通八達，南北溫差巨大，對動車組的要求非常高，尤其是吊裝聯接結構的設計更高，動車組要適應-40℃～+40℃的溫度條件，車外吊裝螺栓除了應具備較高的強度外，還應具有較好的溫差適應性。通常情況下高強度螺栓的碳含量較高，這有利于提高材料的強度，同時會減小材料的沖擊韌性。而一些合金元素如Cr、Ni等的加入，有利于提高材料的韌性。韌脆轉變溫度是衡量材料韌性的另一個重要指標。它指的是由韌性斷裂向脆性斷裂轉變的臨界溫度。在ISO898-1-2009標準中已明確規定了-20℃時Kv2≥27J，而對-40℃時的沖擊功值并無相關要求。因此要適應-40℃的運營條件，應合理選擇螺栓材料，并對螺栓低溫沖擊功、韌脆轉變溫度等技術指標重新明確。能夠滿足以上條件的螺栓材質通常有30CrNiMo8、42CrMo4等。

2.2 防腐性能要求

用于常溫環境下的高強度螺栓材質通常為碳鋼，使用前需要進行表面處理。轉向架、車鉤均安裝在車外，常年暴露在空氣中，服役環境惡劣，其安裝用螺栓均使用達克羅進行防腐處理，例如DAC500B.達克羅具有超強的耐蝕、無氫脆等優良性能已廣泛應用于動車組緊固件表面處理。但由于達克羅中含有對環境和人體有害的鉻離子，在一些歐洲國家已逐步被“交美特”所取代。

2.3 防松性能要求

懸掛部件防松原理及措施主要有：一種是螺栓通過套筒與放置在底架邊梁上的滑塊連接，螺栓緊固前，會在螺紋表面涂MoS2潤滑脂，有利于提高扭矩系數。這樣做是為了減小螺紋的摩擦力，使螺紋擰緊時達到規定的預緊力；另一種是適當增加螺栓有效長度，即可獲得更大的彈性變形量。在螺栓屈服之前，其發生的變形為彈性變形，而彈性變形量越大，獲得的預緊力就越大，防松效果越好。另外，考慮維修拆修方便，一般是通過不考慮打膠或涂抹凝固劑的方式保證防松。

3 結論

本文根據高速動車組懸掛部件運營實際需求，研究分析螺栓聯接結構的可靠性和實用性。1）通過對懸掛部件的螺栓強度校核，螺栓各項應力指標應均小于許用極限，強度才能滿足要求。這表明根據懸掛部件自身特點，吊裝螺栓選型、螺栓位置及數量設計的合理性。這是設計懸掛部件聯接結構的基礎條件。2）在具體設計初期階段，對懸掛部件的聯接螺栓選擇，要考慮各個方面的因素，如溫度、防腐等處理方式，尤其在溫差較大、高寒高濕度的地區，特別要關注其性能指標。3）懸掛部件安裝時，必須考慮螺栓聯接的防松方法和措施，采用本文描述的方法，能夠大大提高其防松性能。

參考文獻：

[1]金鑫.高速檢測列車車體及固結結構的強度研究[D].北京：北京交通大學，2012.

[2]英國標準學會.BSEN12663-1：2010鐵路車輛車體的結構要求（第一部分：機車和客車車輛）[S].[英國]：[s.n.]，2010.

[3]趙勇，楊剛雷，尚海紅等.螺栓聯接的防松[J].煤礦機械，2009，30（12）：163-165.