動車組客室門連接螺栓疲勞強度分析

摘要：門系統是動車組列車的主要組成部件之一，對列車運行穩定性有著重要影響。車門與動車車體之間通過螺栓連接，螺栓一旦發生故障，將直接導致車門故障甚至脫落，對社會財產和人身安全造成難以預估的影響。現以車體和車門連接螺栓為研究對象，建立螺栓有限元模型，仿真獲得車門運行過程中螺栓所受最大載荷，通過計算螺栓強度、交變載荷、表面接觸壓力、防滑可靠性等參數對螺栓強度進行校核。計算結果表明，動車組客室門安裝螺栓強度符合標準要求，可為動車組車門安裝螺栓選擇及螺栓強度校核提供參考。

關鍵詞：動車組;客室門;螺栓;有限元;強度校核

0 引言

螺栓是動車組組件中的重要零部件，主要起到連接和緊固等作用[1]。一旦螺栓發生斷裂事故，被連接部件將無法正常工作，甚至帶來安全隱患，因此對動車組上的螺栓進行疲勞強度校核對于保障列車的安全可靠性具有十分重要的意義[2]。

許多學者對動車組螺栓可靠性展開了研究，如王冬[3]研究動車組用螺栓是否存在可以重復使用的可能，對螺栓的機械性能、反復加載、鍍層耐腐蝕性、疲勞壽命等展開多項試驗。李曉峰等人[4]研究了設備艙底板滑道與吊梁連接處螺栓，開展了靜強度和疲勞強度校核研究，分析了評估方法的特點。文強等人[5]為了保證動車組設備安裝的可靠性，研究了設備安裝用螺栓預緊的扭力要求，探究了具體的預緊方法、螺栓強度的核算、預緊力的控制等，為螺栓強度校核提供了理論依據。

目前，對于動車組螺栓的研究還未涉及客室門螺栓，如何運用相關理論更加科學、高效地開展客室門中零部件的可靠性驗證工作成為目前迫切需要解決的問題。

動車組的客室門主要由門框、承載驅動單元、門扇、門控器和電氣部件等組成[6]。其中，承載驅動機構通過螺栓和車體進行連接，一旦螺栓發生故障，車門會發生脫落，無法正常工作[7]。鑒于螺栓的工作環境和狀態，其對自身的疲勞強度具有一定的要求[8]。因此，本文基于有限元分析方法對車體與客室門螺栓連接部件進行疲勞強度校核計算，結果表明所選用的螺栓符合質量要求，為客室門螺栓的可靠性研究提供了理論依據。

1 客室門螺栓參數

動車組列車客室門主要結構包括承載機構、驅動機構、鎖閉機構、支撐組件等，承載驅動機構和車體之間通過4個螺栓連接，如圖1所示。

螺栓型號為M12×35-A2-70，最小抗拉強度為700 MPa，根據標準DIN 25201-2，計算得螺紋預緊力為127 N·m，螺栓其他相關尺寸如表1所示。

2 仿真模型與受力分析

基于有限元分析軟件對門系統運行狀態下的螺栓受力情況進行仿真分析。

2.1? ? 模型約束及載荷

對螺栓組件進行建模，如圖2所示。根據結構和工作特點添加約束，如圖3所示。

在模型中添加門系統在運動過程中所受載荷，門系統自重通過設置密度后自動生成。根據《鐵路應用 鐵道車輛車體的結構要求》（EN 12663-1—2010）中客車P-Ⅱ型要求，門系統受到3個方向沖擊時，加速度載荷共有6種組合方式，如表2所示。

2.2? ? 螺栓受力情況分析

運行仿真，計算吊架安裝孔處的螺栓最大承載力，如表3所示。

從表3中可以看出，螺栓受到的載荷情況為：最大軸向載荷FAmax=1 023 N;最大橫向載荷Fτmax=463.12 N。

3 螺栓強度校核

根據仿真所得螺栓所受載荷情況，對螺栓疲勞強度進行校核。主要校核參數包括：極限尺寸、安裝預緊力、螺栓強度、交變載荷、表面壓力和防滑可靠性等。因承載驅動機構為中心對稱安裝，且剛度較大，螺栓可看作同心緊固及同心負荷，無須對極限尺寸進行校核。

3.1? ? 最小緊固力計算

動車組客室門螺栓連接形式為對稱緊固，所受載荷為同心載荷，根據VDI 2230 5.4.1，Ssym=0，a=0，最小緊固力Fkerf計算公式如下：

根據表3可知Fτmax=463.13 N，代入公式（1）計算得到Fkerf=2 315 N。

3.2? ? 螺栓彈性變形和載荷系數

螺栓彈性變形δs是各個部分變形的疊加，計算公式如下：

3.3? ? 安裝預緊力校核

3.4? ? 螺栓強度評估

螺栓承受的最大組合應力為：

經計算，σred，B=356.3 N/mm2。A2-70螺栓的屈服強度RP0.2=450 MPa。由此可得到安全系數SF=RP0.2/σred，B≈1.26，該數值大于標準值1.0，因此螺栓性能滿足疲勞強度要求。

3.5? ? 交變載荷評估

動車組列車客室門螺栓所受載荷為同心加載，螺栓連續交變載荷計算公式如下：

3.7? ? 防滑可靠性評估

根據VDI 2230標準規定，連接件之間的剩余壓緊力FKRmin應該大于能夠確保連接件保持固態穩定所需的最小壓緊力Fkerf，即防滑系數需要大于1。

通過對動車組客室門螺栓進行強度校核，可知螺栓安裝預緊力、螺栓強度、交變載荷、表面壓力和防滑可靠性等參數均滿足標準要求。

4 結論

本文基于有限元分析軟件獲得門系統運行狀態下的螺栓所受最大載荷，對螺栓強度進行校核，結論如下：在動車組列車運行工況下，客室門螺栓強度、交變載荷、表面接觸壓力、防滑可靠性等均符合質量要求。

本文基于多個標準對螺栓性能進行了全面科學的校核，為動車組客室門的安裝調試提供了理論依據，本文使用的校核流程也同樣適用于其他組件的螺栓校核，因而具有一定的借鑒意義。

[參考文獻]

[1] FAN R R，ZOU H，SUN S G，et al.Research of installation stress of EMU aluminum alloy beam and its connecting structure[J].Journal of Physics：Conference Series，2020，1637（1）：12-37.

[2] LI Y N，LI Y，XIE S M.The several analysis methods of railway vehicles bolt coupling strength[C]//Proceedings of 2017 International Conference on Applied Mathematics，Modeling and Simulation （AMMS2017），2017：469-474.

[3] 王冬.動車組用螺栓重復使用可行性探討[J].城市軌道交通研究，2021，24（2）：46-50.

[4] 李曉峰，孫瑞，顏楷晨.標準化動車組設備艙螺栓強度分析方法[J].大連交通大學學報，2020，41（1）：29-34.

[5] 文強，張博言.動車組設備安裝用螺栓扭矩計算及強度校核[J].機械工程師，2014（4）：229-230.

[6] 高爽，路飛.CRH380B型動車組塞拉門常見故障及處理方法[J].鐵道機車與動車，2021（2）：43-45.

[7] 呂志成，王劍.高速動車組車下螺栓連接結構疲勞強度分析[J].農業裝備與車輛工程，2019，57（5）：33-36.

[8] 李婭娜，李躍，謝素明.基于VDI 2230標準的動車組枕梁聯接螺栓強度分析[J].大連交通大學學報，2019，40（2）：51-56.

收稿日期：2021-06-03

作者簡介：單玉兵（1974—），男，江蘇高郵人，高級工程師，研究方向：機械工程（軌道交通）。