轨道交通车辆车下设备箱联接螺栓校核

张申林等在 1998 年对螺栓联接强度计算中的常见问题进行了讨论，并对计算螺栓拉伸强度的载荷系数法进行了改进。陈真，杜静等人在风电机组螺栓联接安全校核中，基于VDI2230 准则第1 部分 分析了螺栓联接的偏心夹紧和偏心加载模型，把VDI2230 准则第1 部分介绍的计算方法与常规计算方法进进行了分析对比，验证了VDI2230 准则第1 部分介绍的计算方法的可靠性。目前我国在螺栓强度的理论研究技术方面己经比较成熟，但在使用VDI2230 高强度螺栓联接系统计算方法校核螺栓强度方面，目前在风机螺栓联接方面使用较广，在轨道交通车辆联接螺栓强度分析方面使用较少。针对轨道交通车辆大量使用螺栓联接的情况，本文选取车下设备箱和车体底架螺栓组联接结构为研究对象，对其联接螺栓强度进行了分析和研究。该方法对轨道交通车辆联接螺栓及相应的螺栓联接结构的设计具有指导意义。

为了获取极端情况下的螺栓载荷，在静强度有限元模型的基础上，所有接触面的摩擦系数被设为 0，分析得到各个工况下的螺栓载荷。最大轴向力 FAmax=1395.3N，最大横向力为 FQmax=2559.86N ；绕螺栓轴线的最大扭矩 MYmax=7078.6Nmm，；求得极限状态下最小夹紧力FKerf=13854.83N。

1 螺栓弹性变形Δs

某轨道交通车下设备箱螺栓为 M1 6 × 1 6 0 ，强度等级为 8.8 级，尺寸示意图如图1.1 所示。

2 被夹紧件的弹性变形δP

在 M1 6 × 1 6 0 螺栓连接结构中，被夹紧件共由六层材料构成，厚度分别为 2 . 5 m m 、 6 0 m m 、 5 0 m m 、 1 2 m m 、 6 m m 和 2 . 5 m m ，其弹性模量范围为 69000 MPa 至 。根据表1.5 数据，该连接结构的各几何参数如螺栓直径 d 为 1 6 m m 、孔径 为 1 8 m m 、垫圈直径DA 为 等，最终计算得出被夹紧件的弹性变形量 为 。

3 相对刚度系数 Ψ

螺栓与被连接件的相对轴向刚度系数为：

P/（ dP+d S）=0.3171

4 载荷导入系数n

由于计算直接提取的是螺栓连接结构的受载，因此可认为螺栓连接为同心夹紧与加载，即 ，根据 VDI2230 图 5.2/4 的图解说明，可求解出M1 6 × 1 6 0 螺栓连接结构的 。结合 VDI2230 图 5.2/9， M1 6 × 1 6 0 螺栓连接结构的连接类型为 SV4。将相应值带入表 5.2.1 线性插值后得到对应的 。

所以考虑载荷导入系数n 后的轴向载荷分配系数为：

R4 ：确定由嵌入导致的预紧力损失 FZ 和热膨胀导致的预紧力损失ΔFVth

若不考虑热膨胀对预紧力产生的影响，则由嵌入导致的预紧力损失量FZ 的计算式如下。

FZ=fZ/（ P）

式中，fZ——螺栓连接嵌入量，由VDI2230 表5.4/1 求解。

最小装配预紧力的计算公式为：

FMmin=FKerf+（1-Φn）×FAmax+FZ+ΔFVth=19335.47N （ΔFVth=0）

最大装配预紧力计算公式为：

FMmax=αA×FMmin=34803.83N

R7 ：根据螺栓材料和直径确定许用装配应力 σred，M 和许用装配预紧 力 FMzul

许用装配应力为：

式中，v——为防止螺栓界面完全塑性变形而引入屈服应力的利用系数，通常 v = 0 . 9 ；

Rp0.2min— 螺栓材料的屈服强度，此处取值 σred，Mzul=576MPa

5 螺栓连接的强度校核与安全性分析

在进行 M1 6 × 1 6 0 规格的 8.8 级螺栓连接强度分析过程中，首先通过VDI2230 标准确定许用装配预紧力为 82900N，该数值显著高于连接中计算得到的最大所需预紧力34803.83N，说明选用的螺栓在强度上是充分的。在校核工作应力时，结合螺栓承受的最大轴向载荷与扭矩作用，得出其拉扭组合应力为 551.26MPa，占螺栓许用应力的 8 6 . 1 3 % ，未超出允许极限，符合使用要求。在应力变动较小的工况下，交变应力仅为 0.96MPa，远低于许用疲劳应力46.22MPa，也从疲劳角度证明了连接结构的可靠性。此外，在螺栓头部接触面处的最大表面压力为 5 8 0 . 5 9 M P a ，仍小于材料的许用挤压应力630MPa，连接表面在装配过程中不会发生压溃失效，安全裕度充足。

6 滑移与剪切校核及扭紧力矩控制分析

对于高强度螺栓连接结构，还需评估其抗滑移与抗剪切能力。在本结构中，螺栓最小剩余预紧力为 40574.92N，结合接触面摩擦系数、横向载荷和扭矩影响，得到传递外载荷所需的最小夹紧力为明显低于该值，进而计算出滑移安全系数为 2.93，远高于标准要求的 1.0，说明该连接在工作状态下不会发生滑移。与此同时，螺栓受剪载荷为 12.73MPa，远小于材料抗剪强度 416MPa，抗剪安全系数达 32.68，也远高于最低标准 1.1，连接的抗剪性能充分满足工作要求。在螺栓扭紧力矩设计中，通过设定合理的螺纹及头部摩擦系数，结合等效摩擦直径控制拧紧过程的力矩，可有效防止因预紧不足或过大而引发的连接松动或材料破坏，进一步确保了装配精度与安全性。整体来看，该螺栓连接设计在强度、疲劳、抗滑移及剪切等各方面均满足标准，具有良好的工程应用可靠性。

7 结论

在静强度、疲劳强度工 况下，车下设备箱上采用的 8.8 级 M16 螺栓的静强度、疲劳强度、剪切强度、承载面挤压强度和抗滑移满足要求。

参考文献

[1] 张申林，冯守卫．关于螺栓联接强度计算中的几个问题．机械科学与技术．1998，17（3）：378-382

[2] 陈真，杜静等．采用 VDI2230 的风力发电机组塔筒法兰联接处螺栓强度分析．现代制造工程．2011（05）

[3] VDI2230 Part1.Systematic calculation of High Duty Bolt ed Joints，Joints with One Cylindrical bolt， Verein Deutscher Ingenieure， Dusseldorf.