动车组车下铆接结构分析及状态评估

2017-02-18 16:31李孝勇万国强李来彬
科技创新与应用 2017年3期
关键词:失效分析动车组

李孝勇 万国强 李来彬

摘 要:文章针对动车组车下铆接结构进行结构分析,对已运用10年的动车组用结构件进行分解研究,评估其运用状态。

关键词:铆接结构;动车组;失效分析;疲劳试验

1 概述

铆接结构作为一种有效的机械连接形式,在机械结构中被广泛应用[1]。由于铆接结构具有良好的安装性能、防松性能、特有的抗剪力和高夹紧力[2]、低检修、免维护性等特点,在高速动车组领域得到了广泛应用。高速动车组是一个复杂的系统工程,轮轨耦合及高速运行产生的气动载荷对车下铆接结构影响较大,在动车组高速运行时,若铆接结构存在失效,会造成飞溅,容易击伤人或击打到其他设备,甚至会造成设备脱落,酿成严重后果。为保障列车的安全、可靠运营,消除安全隐患,需对高速动车组车下铆接结构进行结构分析及状态监控。

2 车下铆接结构的应用

(1)设备安装用铆接结构如图1所示、管线支架铆接结构。

(2)设备舱底板用铆接结构如图2所示。

3 铆接结构分析

(1)安装设备用铆接结构,铆钉承受横向剪切、结构共振等复合载荷,可能会使基体安装孔变形,从而导致铆钉倾斜,引起设备异常振动;铆钉承受垂向拉伸载荷也可能改变锁紧环与铆钉圆弧凹槽密贴程度,导致预紧力的下降。

(2)设备舱底板组装大量采用铆接结构,由于此结构直接暴露在车辆底部,受结构共振、气动载荷的影响,可能会使铆钉产生疲劳断裂,导致铆钉脱落。

4 研究的内容及方法

4.1 对车下铆接结构分解研究

对已经运用10年的铆接结构进行分解检查,以换气装置逆变器用铆接结构作为试验样件如图3所示。

4.1.1 研究方法

自铆钉套环与垫块的交界处将铆钉切断,铆钉自动从孔内脱出,对铆接母材、铆接件、垫片、铆钉、铆钉套环周边进行形貌观察,对横梁安装孔和过渡梁安装孔进行圆度检测,对各部件进行探伤。以研究各安装部件是否存在裂纹,各安装面是否存在相互运动产生的摩擦痕迹,各安装孔圆度是否存变椭圆的迹象,以判断铆接结构是否失效或存在失效趋势。

4.1.2 研究过程

(1)通过对各部件形貌检测,各接触面之间未见明显的微动磨损形貌,证明各部件之间的紧固状态良好。

(2)由于设备过渡支架与横梁对使用安全影响最大,故仅对两者的孔尺寸进行计量,评估是否存在塑性变形。测量结果见表1。数据显示两个孔的直径都不均匀,圆度不均匀;由于铆钉孔呈腰鼓形(中间粗、两端细),这种形状也不太可能是工作时磨损所致。孔圆度不均匀应不是工作过程中发生的变形,可能与加工有关。

(3)将各部件沿轴向剖切成两半,进行荧光检测,未发现裂纹显示。

(4)采用体视显微镜,对七部件的孔内壁形貌进行观察,各部件形貌均不符合典型的微动磨损特征。

(5)对铆钉表面进行荧光检测,未发现裂纹。用体视显微镜观察,其表面未见明显损伤。

4.1.3 小结

根据以上检测结果,各接触面之间未见明显的微动磨损形貌,铆钉孔圆度测量不均匀,无损检测未见裂纹,孔内壁无微动损特征,铆钉表面形貌正常且未见损伤。证明铆接结构无失效特征,目前状态良好。

4.2 设备舱底板研究

系统了解其铆接结构的性能,对设备舱底板用铆钉进行了机械性能检测和疲劳试验验证。

4.2.1 机械性能检测

选取在设备舱底板中应用较为广泛的铆钉(不锈钢铆C6L90-U8-3),进行拉伸试验与剪切试验,测试结果见表2。

根据检测结果,样件的最小抗剪切载荷为12.65KN大于标准规定值12.25KN,最小抗拉力载荷为17.68KN是标准规定值的1.4倍,试验结果表明此种铆钉本身的机械性能符合要求。

4.2.2 铆接结构疲劳试验

疲劳试验子样件选取典型铆接结构,共计8个子样件。采用MTS810材料试验机,进行拉伸疲劳试验[3],采用对称循环进行加载试验,即循环应力比为r=-1。子样件材质为不锈钢(SUS304,厚度3mm),采用铆钉C6L90-U8-3(不锈钢),铆钉套环3LC-2CU-8(不锈钢),试验现场图见图4,试验数据见表3。

试验中对疲劳试验次数超过200万次的工件按照200万次记录,数据见表3,结果表明,设备舱底板用铆接的疲劳断裂次数随拉伸力的增加而减少,在拉伸力达到2KN时,疲劳断裂次数出现锐减。但工件5的试验结果与相近工况的试验结过果差别很大,结合样件断口的形貌,分析为施工不规范导致,表明施工的差异性对铆接性能的影響很大。

4.2.3 小结

结合铆钉的机械性能和疲劳试验结果,铆接结构的断裂形式表现为铆接件首先发生变形断裂,证明铆钉的强度满足设备舱运用要求。另外,观察铆钉断裂部位的铆接件母材,无1例母材裂纹,说明结构强度满足运用要求。

5 结束语

经过以上车下铆接结构的研究,结果表明设备安装用铆接结构安全可靠,运用状态良好。设备舱用铆接结构的强度设计满足要求,设计安全可靠。证明车下铆接结构的设计满足动车组运用要求,且运用状态良好。

参考文献

[1]张洪双.铆接工艺参数分析[J].机械设计与制造,2011(6):241-243.

[2]肖贵.哈克拉铆钉技术在车辆中的应用[J].科技经济市场,2010(7):20.

[3]吴志伟.拉铆钉工艺在客车车身轻量化中的应用[J].产业与科技论坛,2015,14(8):68-69.

作者简介:李孝勇(1983-),男,中车青岛四方机车车辆股份有限公司技术中心,从事动车组的研发设计工作。

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