鋼軌打磨車隔離變壓器安裝螺栓強度分析

陽清泉，吳 勇，黃細友，劉元平，陶 澤

（中車株洲電機有限公司，湖南 株洲412001）

機車車輛運行過程中，工況復雜，變壓器安裝時應選取合適的螺栓，以保證變壓器在機車運行時保持平穩及緊固。文章對鋼軌打磨車隔離變壓器的安裝螺栓靜強度和疲勞強度進行計算和校核，確認產品在極端的工作條件下能夠正常工作。

1 螺栓技術參數

隔離變壓器安裝于車體下方，靠螺栓將其與車體連接在一起，防止出現滑動或相互脫開。選擇螺栓時需考慮車輛的運行條件，螺栓的強度必須滿足不同載荷情況下的應力要求；對于動態或靜態負載的螺栓連接的功能而言，應存在一定的預緊力，螺栓的擰緊力矩必須保證變壓器在機車運行過程中不發生滑動。

隔離變壓器安裝螺栓組的分布及加速度方向如圖1 所示，其縱向，橫向與垂向加速度分別如圖1中ax，ay與az，圖中1-8 標識為螺栓安裝位置。

圖1 變壓器螺栓分布及加速度方向圖

隔離變壓器的質量為3550kg，螺栓組所在平面與變壓器重心在垂直方向上的距離為345mm，螺栓中心與結合面對稱軸縱向距離均為841mm，螺栓中心與結合面對稱軸橫向最遠距離為256+120=376mm。變壓器安裝螺栓技術參數如表1 所示：

2 載荷條件

根據IEC61373-2010《軌道交通—機車車輛設備沖擊和振動試驗》的規定，牽引變壓器共受到以下3 種沖擊超常載荷工況，這3 種載荷工況是：

（1）垂向3g 加速度；

（2）橫向3g 加速度；

（3）縱向5g 加速度；

根據EN12663-1：2010《鐵路應用—鐵路車輛車體結構要求》的規定，牽引變壓器運用加速度載荷為：

（4）縱向加速度 ax=0．2g

（5）橫向加速度 ay=0．15g

（6）垂向加速度 az=1±0．15g

3 判斷依據

根據有關載荷是否為靜態負載或疲勞負載（運用載荷）確定相應的許用安全系數：在沖擊載荷工況下，允許應力與計算應力的比值應大于或等于S1（S1=1．15）。

在運用載荷工況下，允許應力與計算應力的比值應大于或等于S2（S2=1．5）。

其中：σS為材料屈服強度，N/mm2。σ 為計算應力，N/mm2。

4 計算公式

螺栓的總拉力：

式中：P0為預緊力；P 為工作載荷；KC—螺栓的相對剛度系數，取值0．25。

螺栓預緊力：

式中：T 為擰緊力矩；K 為擰緊力矩系數，取值0．28。

傾覆力矩對螺栓產生的載荷：

式中：M 為傾覆力矩；Li為各個螺栓的力臂。

螺栓殘余預緊力為：

螺栓的摩擦力：

式中：Kn為可靠性系數，取1．2；f 為連接摩擦副摩擦系數，取0．3；n 為螺栓個數；i 為摩擦面數量。

螺栓的拉應力：

5 隔離變壓器安裝螺栓強度校核

螺栓強度計算包括：靜止時的強度校核、考核沖擊載荷時的強度校核以及運用中的疲勞強度校核。

5.1 靜止時的螺栓強度校核

自身重力給單個螺栓的力：P=mg/n=3550×9．8／8＝4348．8N

螺栓的預緊力：

螺栓總拉力與應力：

根據EN12663 標準校核：

因此螺栓強度滿足要求。

5.2 考核沖擊載荷時的強度校核

縱向加速度產生的力：Fx=max=3550×5×9．8=173950N。

橫向加速度產生的力：Fy=may=3550×3×9．8=104370N。

垂向加速度產生的力：Fz=maz=3550×3×9．8=104370N。

根據螺栓安裝狀態可知，螺栓縱向加速度與橫向加速度產生傾覆力矩作用到螺栓軸向方向，垂向加速度產生的力與螺栓預緊力方向一致。設定縱向加速度向右，橫向加速度向外，采用公式（3）分別計算出縱向和橫向加速度對螺栓的最大載荷。

縱向加速度的影響對螺栓的最大載荷：

橫向加速度的影響對螺栓的最大載荷：

垂向加速度對螺栓的載荷：

隔離變壓器安裝螺栓在水平面以中心對稱布置。隔離變壓器不產生滑移的條件，軸向力產生的摩擦力大于水平安裝面內的合力。利用公式（1）與公式（4）（5）的轉換計算螺栓組的摩擦力為：

橫向與縱向的合力：

可知，橫縱向力的合力小于螺栓組的摩擦力，即F＜F’，因此螺栓預緊是安全的，結合面不會產生相對滑移。

由于垂向加速度向下將增大螺栓的拉力，因此設定螺栓垂向加速度向下進行分析。3 個方向的加速度對螺栓的載荷方向一致時，其螺栓拉力最大：

螺栓的最大總拉力：Pmax=P0＋KcPmax=158390.6N

螺栓軸向最大拉應力為：

根據EN12663 標準校核：

因此螺栓強度滿足要求。

5.3 螺栓疲勞強度校核

縱向加速度產生的力：Fx=max=3550×0.3×9.7=6958N。

橫向加速度產生的力：Fy=may=3550×0.15×9.8=5218.5N。

垂向加速度產生的力：Fz=maz=3550×1.15×9.8=40008.5N。

縱向加速度對螺栓的最大載荷：

橫向向加速度對螺栓的最大載荷：

垂向加速度對螺栓的最大載荷：

3 個方向的加速度對螺栓的載荷方向一致時，螺栓拉力最大，其載荷進行合成為：

螺栓的最大總拉力：

螺栓軸向最大拉應力為：

根據EN12663 標準校核：

因此螺栓的疲勞強度滿足要求。

6 結 語

綜上所述，隔離變壓器在運用載荷和沖擊載荷的作用下，均滿足最大拉應力小于相應許用應力、最大疲勞應力小于相應許用疲勞應力的要求，滿足EN12663 標準規定安全運用要求。