某城軌列車牽引變流器安裝螺栓強度分析

潘虹宇，方 吉，薛寧鑫，張岱霖，謝素明

(1.大連交通大學機車車輛工程學院，遼寧 大連 116028；2.中車長春軌道客車股份有限公司，遼寧 長春 130062)

0 引言

螺栓聯接因連接可靠、安裝和拆卸方便等優點在軌道車輛結構之間的連接中應用廣泛。目前我國機械類產品的螺栓強度校核，普遍采用機械設計手冊中經驗公式進行校核[1-3]。通過對比德國工程師協會負責編寫的VDI 2230標準與機械設計手冊可以看出，VDI 2230標準中所考慮的細節比機械設計手冊中要詳細得多[4-5]，為了使得軌道車輛結構螺栓聯接的強度評估更可靠，需要將VDI 2230標準引入到城軌列車車下牽引變流器的聯接螺栓的評估中來。近些年國內外相關學者利用VDI 2230標準對聯接螺栓的強度進行了評估。

在國內，劉賢超等[6]采用接觸非線性靜強度理論對鐵路罐車進行有限元計算并運用VDI 2230標準對鐵路罐車端部支座聯接螺栓強度校核分析。陸軍等[7]基于VDI 2230標準從螺栓受力分析，表面壓力負載等多方面對匈牙利電力機車鉤緩裝置的螺栓安裝結構進行強度校核。李曉峰等[8]通過機械設計方法、VDI 2230標準和非線性有限元法三種方法，對動車組設備艙地板滑道與吊梁處聯接螺栓進行強度校核，分析了三種評估方法的特點。在國外，Dario Croccolo等[9]通過對VID2230標準和其他標準或指南進行分析討論，得出了選擇合適的高強度螺栓聯接的評估方法。László Molnár等[10]考慮了螺栓聯接分析模型結構的真實特征，討論了數值模擬和應力分析的問題，分別闡述了應用彈性和較彈塑性材料規律的解析量綱計算方法，檢驗了螺栓聯接計算中的誤差大小。Bruno Marbacher[11]基于VDI2230標準討論了螺栓夾緊部件的結構對螺栓裝配的影響，提出在螺栓聯接結構必須進行評估和測試以確保其在應用中是安全可靠的。

為了縮短建模時間及減小工作量，大部分研究人員基本都是采用簡化模擬模型[12-13]。但一般的簡化模擬模型僅包含需要校核螺栓強度的設備，并未考慮其他大質量設備以及地板變形對所需校核的設備安裝螺栓強度的影響。

為了可靠評估某城軌列車車下牽引變流器的聯接螺栓強度，本文分別建立了三種不同簡化程度的有限元模擬模型，對比分析了不同模型對螺栓工作載荷的影響，同時也考慮了被考察設備周圍位置存在的大質量設備和地板變形對螺栓強度的影響。為了縮短螺栓強度校核周期，運用Python語言開發了基于VDI 2230標準的螺栓強度評估軟件，對牽引變流器的聯接螺栓強度就行評估，并給出改進方案，為我國軌道車輛結構螺栓聯接的設計提供技術支持。

1 牽引變流器安裝螺栓強度評估模型

某城軌列車車下牽引變流器的聯接螺栓結構如圖1所示。該牽引變流器采用8個M16×60的8.8級高強度螺栓固定在車體地板的C型滑槽上。

VDI 2230 標準中的強度評估公式中考慮了螺栓的柔度、被夾緊件的柔度及變形、螺栓與被夾緊件之間的摩擦，螺栓預緊力的損失等，而這些都可以通過螺栓的型號和被加緊件的基本參數經過計算來獲得，另外還需提供一個最重要的參數即螺栓的工作載荷。由于螺栓聯接的局部細節參數都在評估公式中得以考慮，因此建立有限元模型時可以簡化螺栓連接的局部細節，一般情況下采用梁單元模擬螺栓聯接即可，通過提取有限元仿真計算結果中梁單元的受力即可獲得螺栓的工作載荷。

為了提高效率通常情況下校核軌道車輛附屬件聯接螺栓強度的仿真模型需要簡化，最常用方式是將車體地板截取一部分并于附屬件結構一并進行建模。圖2所示為常用簡化模型，其中單元數為593687，節點數為560277；該車底架吊掛設備牽引變流器安裝位置附近存在一個質量為3噸的牽引變壓器，如圖4所示，由于該設備質量較大，在沖擊載荷作用下可能對車體地板的變形有影響，從而影響到牽引變流器工作載荷的分布，本文建立了局部簡化模型，如圖3所示，其中單元數為355305，節點數為332004；另外為了考察整車車體結構剛度及地板變形對聯接螺栓工作載荷的影響，建立如圖4所示的整車有限元模型，其中單元數為2604701，節點數為2373656。其中圖2和圖3兩種簡化模型是截取自圖4整車模擬模型，保證了三種模擬模型網格精度的一致性。

2 計算載荷工況

由于牽引變流器本身不承受外界載荷直接作用，只是在列車受到沖擊或振動情況下承受加速度載荷作用，因此本次計算工況采用EN12663標準中規定的沖擊加速度工況，如表1。

表1 沖擊載荷計算工況

3 牽引變流器安裝螺栓工作載荷對比分析

螺栓的工作載荷有螺栓所受的軸向力、剪切力和扭矩。整車模擬模型計算結果中提取的工作載荷如表2所示。經過數據對比發現在載荷工況5條件下，三個模型對應的工作載荷差別比較大，其中，軸向力對比見圖5，剪切力對比見圖6，扭矩對比見圖7。

表2 整車模擬模型工作載荷匯總

從圖5、圖6、圖7可以看出，整車模擬模型提取的軸向力和扭矩是三個模型中最大的，其中常用簡化模型提取的工作載荷最?。痪植亢喕Ｐ蛯妮d荷較整車模擬模型的工作載荷略小。為了查明常用簡化模型和整車模擬模型的工作載荷差異較大的原因，對三個模型的車體地板變形進行了詳細的分析。圖8-圖10給出了三個模型地板垂向相對位移。

從圖8-圖10位移云圖可以看出，常用簡化模型因忽略了牽引變壓器的載荷作用，車體地板垂向最大變形只有0.595 mm。局部簡化模型因模型中考慮了牽引變壓器的載荷作用，車體地板也產生了局部變形(2.702 mm)。整車模擬模型車地板由于牽引變壓器的載荷作用，使得牽引變流器安裝位置的車底架產生了較大局部垂向變形(3.37 mm)。通過位移分析可以看出，車下設備之間存在相互影響，尤其是質量較大的設備，他們之間可能存在相互影響，建議在建立簡化模型過程中，質量較大的部件需要同時考慮到有限元模型中，才能獲得較準確的工作載荷。

4 基于VDI 2230標準的螺栓評估軟件開發

VDI 2230標準提供了螺栓強度評估過程，需要引入大量的計算參數和公式，步驟繁瑣且手工計算耗時費力且容易出錯。為了提高螺栓強度評估的效率，本文運用Python語言來實現，開發了基于VDI 2230標準的螺栓強度評估軟件，軟件評估流程如圖11所示。該軟件可以具有多螺栓多工況批量處理等功能，方便快捷，同時為了方便該軟件的工程應用，軟件設置了如圖12所示的操作界面，另外為評估結果的可視化顯示設置了相關界面，圖13為滑移系數顯示界面。

5 牽引變流器安裝螺栓強度校核

牽引變流器安裝螺栓的初始設計參數主要依據GB/T 5782—2000標準、ISO 4032標準和VDI 2230等標準進行選取，表3列出了部分主要參數。

表3 牽引變流器安裝螺栓部分主參數

利用本文開發的螺栓評估軟件計算輸出部分螺栓校核所需參數如柔度、載荷系數和變形錐角度等參數如表4所示。

根據VDI 2230標準中對螺栓的強度基本要求如下。

1)工作應力安全系數

(1)

2)表面應力系數

(2)

3)滑移安全系數

(3)

4)防止剪切安全系數

(4)

經過VDI聯接螺栓強度評估軟件評估牽引變流器安裝螺栓的強度結果如表5所示。

表5 牽引變流器安裝螺栓評估結果

根據公式(1)至公式(4)螺栓安全系數的評價標準，從表5可以看出工作應力安全系數不滿足設計要求。由公式(1)可以得出影響工作應力安全評估的主要因素有：螺栓材料的屈服強度RP0.2min和螺栓的直徑、工作載荷。其中工作載荷主要與牽引變流器的質量及結構剛度有關，該結構由設備功能及空間等因素決定，結構改進工作量比較大，而提高螺栓直徑會增加結構總質量，因此，最簡單易行的改進方式是選取強度等級更高材料的螺栓。鑒于此，本文提出將螺栓強度等級由8.8級改為10.9級作為改進方案，經過VDI 2230標準，對改進方案的評估結果如表6所示。

從表6可以看出，工作應力安全系數隨螺栓強度的提高而增大，6個工況下工作應力安全系數均大于1.0，滿足VDI 2230標準要求，其余各項指標也滿足VDI 2230標準要求，為某城軌車輛牽引變流器安裝螺栓聯接的方案改進提供技術支持。

表6 改進方案評估結果

6 結論

本文以某城軌列車車下牽引變流器的聯接螺栓為研究對象，經載荷工況模擬分析及螺栓強度評估得出主要結論如下：

1)通過本文的三種不同簡化模型的牽引變流器的聯接螺栓工作載荷分析結果可以看出，有限元模擬模型的簡化方式會對螺栓工作載荷的分布存在影響，尤其是存在安裝位置密集的質量較大的設備時，建模過程中需要考慮大質量設備對車體地板變形的影響，從而獲得更貼近實際的工作載荷。

2)基于Python語言編譯的螺栓聯接強度評估軟件，可以實現軌道車輛安裝設備螺栓強度的快速評估，為我國軌道車輛結構螺栓聯接的設計提供技術支持。

3)通過對牽引變流器安裝螺栓強度評估結果可以看出該安裝螺栓未達到強度設計要求；本文綜合考慮了經濟性和自重等因素，提出了通過提高螺栓強度等級的改進方案，通過VDI 2230標準的驗算證明了該改進方案的有效性。