扶手連接軸結(jié)構(gòu)緊固螺栓失效淺析

常虹 任明 葛萬(wàn)明

中車(chē)南京浦鎮(zhèn)車(chē)輛有限公司，中國(guó)·江蘇 南京 210000

1 引言

地鐵車(chē)輛客室扶手是內(nèi)裝的重要組成部分，也是乘客乘車(chē)時(shí)接觸最多的區(qū)域，其裝配的質(zhì)量將直接影響車(chē)輛的運(yùn)營(yíng)及乘客的安全。論文主要介紹扶手連接軸形式的連接原理，及連接中螺栓的失效原因及優(yōu)化措施。

2 扶手連接原理

整體扶手形式如圖1所示，扶手桿采用304L 不銹鋼管，在扶手桿對(duì)接處，連接軸置于相鄰扶手內(nèi)部，連接軸外徑比扶手桿內(nèi)徑小0.5mm。

圖1 整體扶手形式

如圖2所示，連接軸斷面呈“C”型，連接軸開(kāi)有通長(zhǎng)槽口結(jié)構(gòu)，連接軸上半結(jié)構(gòu)帶有兩個(gè)M6 的內(nèi)螺紋孔。安裝過(guò)程中，螺栓旋入連接軸的螺紋內(nèi)，螺栓尾部抵在連接軸開(kāi)槽平面上，使得連接軸的開(kāi)槽角度變大，進(jìn)而連接軸與扶手桿內(nèi)壁存在摩擦副，通過(guò)摩擦副的作用“抱緊”扶手，如圖3所示。

圖2 連接軸結(jié)構(gòu)

圖3 連接軸與扶手連接狀態(tài)

3 連接失效形式

沿扶手軸向拉動(dòng)扶手，扶手桿與連接軸間摩擦副存在滑動(dòng)，即出現(xiàn)扶手桿松脫現(xiàn)象。為滿足扶手桿與連接軸不松脫，摩擦副間需要較大的靜摩擦力，進(jìn)而需要更大的正壓力[1]。實(shí)際安裝中，分別選用8.8 級(jí)-M6 螺栓及A2-70-M6 螺栓進(jìn)行緊固，在施加標(biāo)準(zhǔn)扭矩時(shí)，扶手均出現(xiàn)松脫現(xiàn)象，當(dāng)施加扭矩13Nm 時(shí)，扶手不松脫，但螺栓及連接軸存在以下失效形式，具體如表1所述。

表1 8.8 級(jí)-M6 螺栓及A2-70-M6 螺栓對(duì)比

失效1：碳鋼螺栓斷裂失效，斷裂位置在螺栓頭部下方嚙合螺紋第1 扣螺紋處，如圖4所示。

失效2：不銹鋼螺栓失效分兩種：50%的螺栓螺紋損壞，螺桿出現(xiàn)頸縮但未斷裂；50%的螺栓螺桿斷裂。失效位置皆在螺栓頭部下方嚙合螺紋第1 扣螺紋處，如圖4所示。

圖4 螺栓示意圖

失效3：連接軸螺紋存在損壞現(xiàn)象，如圖5所示。

圖5 左側(cè)螺栓無(wú)法旋入，連接軸內(nèi)螺紋損壞

4 失效形式原因分析

在實(shí)際安裝中，為達(dá)到扶手不松脫，螺栓緊固扭矩在13Nm 以上，遠(yuǎn)大于螺栓允許施加扭矩值（如表2所示），初步分析過(guò)扭應(yīng)是造成螺栓與連接軸失效的根本原因。

表2 螺栓允許施加扭矩值

4.1 螺栓強(qiáng)度校核

將受力情況進(jìn)行簡(jiǎn)化，取單個(gè)螺栓受力情況，如圖6所示，扶手與連接軸間的正壓力設(shè)為F0，即螺栓受到的預(yù)緊力，扶手桿受外部拉力設(shè)為F。連接軸外壁與扶手內(nèi)壁間摩擦系數(shù)設(shè)為μ，扶手與連接軸間的最大靜摩擦力Fmax=F0*μ，查詢材質(zhì)屬性，取μ=0.15。

圖6 單個(gè)螺栓受力情況

實(shí)際安裝中，每個(gè)扶手松脫現(xiàn)象，皆是在人雙手緊握扶手，整個(gè)身體猛然向后，給扶手的一個(gè)橫向沖力產(chǎn)生的，扶手的松脫是一個(gè)沖量過(guò)程，根據(jù)沖量與動(dòng)量的關(guān)系可知：mV1-mV2=Ft,其中m 取平均人體重60kg，晃動(dòng)時(shí)的瞬間速度取3m/s，即V1=3m/s，V2=0，扶手產(chǎn)生縫隙時(shí)間t 取0.1s，從而得出F=（mV1-mV2）/t=1800N。

要想保證扶手不松脫，需滿足F ≤Fmax，即F ≤F0×μ，從而得出F0≥F/μ，即F0≥12000N。

在連接軸與扶手內(nèi)壁“頂住”后，螺栓尾部與連接軸間的摩擦副作用，使得螺栓尾部“鎖死”，在扭矩作用下，螺栓除了受壓應(yīng)力，還受到扭轉(zhuǎn)應(yīng)力。根據(jù)第四強(qiáng)度理論，螺栓預(yù)緊狀態(tài)下的計(jì)算應(yīng)力為：

即螺栓危險(xiǎn)截面的強(qiáng)度應(yīng)力：

其中，要保證扶手不松脫，F(xiàn)0 ≥12000N，螺紋小徑d1=5.0mm，代入式中，可得：σca ≥795MPa。

螺栓危險(xiǎn)截面的強(qiáng)度條件需滿足：

碳鋼8.8 級(jí)螺栓極限應(yīng)力σlim為800MPa，A2-70 不銹鋼螺栓極限應(yīng)力σlim為700MPa，可知，碳鋼螺栓和不銹鋼螺栓的許用強(qiáng)度[σ]小于795MPa。因此，由于螺栓過(guò)載，出現(xiàn)斷裂、頸縮等失效現(xiàn)象。

4.2 螺栓失效位置分析

螺紋嚙合過(guò)程中，第1 扣螺紋受力最大，以后每扣受力非線性遞減，如圖7所示，所以在拆裝過(guò)程中，螺栓失效位置皆在螺栓頭部下方旋合螺紋第1 扣螺紋處。

圖7 螺栓失效位置分析

4.3 碳鋼螺栓與不銹鋼螺栓失效對(duì)比

在實(shí)際拆裝過(guò)程中，碳鋼螺栓過(guò)扭后很容易斷裂，而不銹鋼螺栓斷裂情況相對(duì)少一些，以下從屈強(qiáng)比方面進(jìn)行簡(jiǎn)單闡述。

8.8 級(jí)碳鋼螺栓斷裂強(qiáng)度為800MPa，屈服強(qiáng)度為640MPa，屈強(qiáng)比為0.8。A2-70 不銹鋼螺栓斷裂強(qiáng)度為700MPa，屈服強(qiáng)度為450MPa，屈強(qiáng)比為0.6。

在螺紋嚙合過(guò)程中，由于不銹鋼螺栓屈強(qiáng)比較低，螺栓發(fā)生塑性變形后，能夠有較多時(shí)間將螺紋受力向后面幾扣螺紋進(jìn)行傳導(dǎo)，而碳鋼螺栓屈強(qiáng)比較高，發(fā)生塑性變形后，較快地達(dá)到強(qiáng)度極限，所以出現(xiàn)斷裂的情況較多，而不銹鋼螺栓出現(xiàn)斷裂的情況相對(duì)少一些[2]。

4.4 連接軸失效

連接軸無(wú)需考慮斷裂的情況發(fā)生，僅考慮是否容易發(fā)生塑性變形。連接軸的屈服強(qiáng)度極限在235MPa 左右，數(shù)值較小，很容易發(fā)生塑性變形，發(fā)生螺紋損壞現(xiàn)象。

5 優(yōu)化措施

5.1 增大連接軸與扶手間的摩擦系數(shù)

根據(jù)Fmax=F0*μ 可知，在Fmax不變的情況下，增大μ，則F0則變小，螺栓受力變小，螺栓不容易出現(xiàn)斷裂等失效。增大連接軸與扶手內(nèi)壁的摩擦系數(shù)，可采用連接軸外壁滾花、倒刺處理，或者在連接軸外壁增加摩擦系數(shù)大的材料，如橡膠等。

5.2 提高螺栓剛度等級(jí)

根據(jù)強(qiáng)度校核可知，提高σlim，可以承受更大的實(shí)際應(yīng)力σca。提高螺栓強(qiáng)度極限，可選用10.9 級(jí)碳鋼螺栓、直徑等級(jí)更大的螺栓，或合金高強(qiáng)度螺栓。

同時(shí)，需要相應(yīng)增加連接軸內(nèi)螺紋強(qiáng)度等級(jí)，連接軸可采取屈服強(qiáng)度極限更大的材料制作并攻絲處理，或在連接軸內(nèi)嵌與螺栓等級(jí)相應(yīng)的螺母。

5.3 更改結(jié)構(gòu)

由于依靠螺栓的緊固來(lái)保證扶手不松脫，螺栓承受應(yīng)力較大，對(duì)于普通M6 螺栓較難達(dá)到，可增加彈簧銷(xiāo)、鍵連接結(jié)構(gòu)，如圖8所示。

圖8 更改結(jié)構(gòu)

6 結(jié)語(yǔ)

論文以地鐵項(xiàng)目扶手連接軸結(jié)構(gòu)螺栓失效為研究對(duì)象，通過(guò)螺栓強(qiáng)度校核發(fā)現(xiàn)主要原因是螺栓強(qiáng)度無(wú)法滿足要求，并由此提出以下優(yōu)化措施：①增加扶手與連接軸間摩擦系數(shù)；②選用強(qiáng)度極限更大的緊固件；③扶手與連接軸間增加彈簧銷(xiāo)、鍵連接等。

通過(guò)對(duì)不銹鋼及碳鋼螺栓失效位置及失效形式進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)以下現(xiàn)象：①?lài)Ш下菁y第1 扣受力最大從而此位置失效；②A2-70 螺栓屈強(qiáng)比較低，斷裂情況較少，8.8 級(jí)螺栓屈強(qiáng)比較高全部斷裂。