某城轨列车牵引变流器安装螺栓强度分析

潘虹宇，方 吉，薛宁鑫，张岱霖，谢素明

(1.大连交通大学机车车辆工程学院，辽宁 大连 116028；2.中车长春轨道客车股份有限公司，辽宁 长春 130062)

0 引言

螺栓联接因连接可靠、安装和拆卸方便等优点在轨道车辆结构之间的连接中应用广泛。目前我国机械类产品的螺栓强度校核，普遍采用机械设计手册中经验公式进行校核[1-3]。通过对比德国工程师协会负责编写的VDI 2230标准与机械设计手册可以看出，VDI 2230标准中所考虑的细节比机械设计手册中要详细得多[4-5]，为了使得轨道车辆结构螺栓联接的强度评估更可靠，需要将VDI 2230标准引入到城轨列车车下牵引变流器的联接螺栓的评估中来。近些年国内外相关学者利用VDI 2230标准对联接螺栓的强度进行了评估。

在国内，刘贤超等[6]采用接触非线性静强度理论对铁路罐车进行有限元计算并运用VDI 2230标准对铁路罐车端部支座联接螺栓强度校核分析。陆军等[7]基于VDI 2230标准从螺栓受力分析，表面压力负载等多方面对匈牙利电力机车钩缓装置的螺栓安装结构进行强度校核。李晓峰等[8]通过机械设计方法、VDI 2230标准和非线性有限元法三种方法，对动车组设备舱地板滑道与吊梁处联接螺栓进行强度校核，分析了三种评估方法的特点。在国外，Dario Croccolo等[9]通过对VID2230标准和其他标准或指南进行分析讨论，得出了选择合适的高强度螺栓联接的评估方法。László Molnár等[10]考虑了螺栓联接分析模型结构的真实特征，讨论了数值模拟和应力分析的问题，分别阐述了应用弹性和较弹塑性材料规律的解析量纲计算方法，检验了螺栓联接计算中的误差大小。Bruno Marbacher[11]基于VDI2230标准讨论了螺栓夹紧部件的结构对螺栓装配的影响，提出在螺栓联接结构必须进行评估和测试以确保其在应用中是安全可靠的。

为了缩短建模时间及减小工作量，大部分研究人员基本都是采用简化模拟模型[12-13]。但一般的简化模拟模型仅包含需要校核螺栓强度的设备，并未考虑其他大质量设备以及地板变形对所需校核的设备安装螺栓强度的影响。

为了可靠评估某城轨列车车下牵引变流器的联接螺栓强度，本文分别建立了三种不同简化程度的有限元模拟模型，对比分析了不同模型对螺栓工作载荷的影响，同时也考虑了被考察设备周围位置存在的大质量设备和地板变形对螺栓强度的影响。为了缩短螺栓强度校核周期，运用Python语言开发了基于VDI 2230标准的螺栓强度评估软件，对牵引变流器的联接螺栓强度就行评估，并给出改进方案，为我国轨道车辆结构螺栓联接的设计提供技术支持。

1 牵引变流器安装螺栓强度评估模型

某城轨列车车下牵引变流器的联接螺栓结构如图1所示。该牵引变流器采用8个M16×60的8.8级高强度螺栓固定在车体地板的C型滑槽上。

VDI 2230 标准中的强度评估公式中考虑了螺栓的柔度、被夹紧件的柔度及变形、螺栓与被夹紧件之间的摩擦，螺栓预紧力的损失等，而这些都可以通过螺栓的型号和被加紧件的基本参数经过计算来获得，另外还需提供一个最重要的参数即螺栓的工作载荷。由于螺栓联接的局部细节参数都在评估公式中得以考虑，因此建立有限元模型时可以简化螺栓连接的局部细节，一般情况下采用梁单元模拟螺栓联接即可，通过提取有限元仿真计算结果中梁单元的受力即可获得螺栓的工作载荷。

为了提高效率通常情况下校核轨道车辆附属件联接螺栓强度的仿真模型需要简化，最常用方式是将车体地板截取一部分并于附属件结构一并进行建模。图2所示为常用简化模型，其中单元数为593687，节点数为560277；该车底架吊挂设备牵引变流器安装位置附近存在一个质量为3吨的牵引变压器，如图4所示，由于该设备质量较大，在冲击载荷作用下可能对车体地板的变形有影响，从而影响到牵引变流器工作载荷的分布，本文建立了局部简化模型，如图3所示，其中单元数为355305，节点数为332004；另外为了考察整车车体结构刚度及地板变形对联接螺栓工作载荷的影响，建立如图4所示的整车有限元模型，其中单元数为2604701，节点数为2373656。其中图2和图3两种简化模型是截取自图4整车模拟模型，保证了三种模拟模型网格精度的一致性。

2 计算载荷工况

由于牵引变流器本身不承受外界载荷直接作用，只是在列车受到冲击或振动情况下承受加速度载荷作用，因此本次计算工况采用EN12663标准中规定的冲击加速度工况，如表1。

表1 冲击载荷计算工况

3 牵引变流器安装螺栓工作载荷对比分析

螺栓的工作载荷有螺栓所受的轴向力、剪切力和扭矩。整车模拟模型计算结果中提取的工作载荷如表2所示。经过数据对比发现在载荷工况5条件下，三个模型对应的工作载荷差别比较大，其中，轴向力对比见图5，剪切力对比见图6，扭矩对比见图7。

表2 整车模拟模型工作载荷汇总

从图5、图6、图7可以看出，整车模拟模型提取的轴向力和扭矩是三个模型中最大的，其中常用简化模型提取的工作载荷最小；局部简化模型对应的载荷较整车模拟模型的工作载荷略小。为了查明常用简化模型和整车模拟模型的工作载荷差异较大的原因，对三个模型的车体地板变形进行了详细的分析。图8-图10给出了三个模型地板垂向相对位移。

从图8-图10位移云图可以看出，常用简化模型因忽略了牵引变压器的载荷作用，车体地板垂向最大变形只有0.595 mm。局部简化模型因模型中考虑了牵引变压器的载荷作用，车体地板也产生了局部变形(2.702 mm)。整车模拟模型车地板由于牵引变压器的载荷作用，使得牵引变流器安装位置的车底架产生了较大局部垂向变形(3.37 mm)。通过位移分析可以看出，车下设备之间存在相互影响，尤其是质量较大的设备，他们之间可能存在相互影响，建议在建立简化模型过程中，质量较大的部件需要同时考虑到有限元模型中，才能获得较准确的工作载荷。

4 基于VDI 2230标准的螺栓评估软件开发

VDI 2230标准提供了螺栓强度评估过程，需要引入大量的计算参数和公式，步骤繁琐且手工计算耗时费力且容易出错。为了提高螺栓强度评估的效率，本文运用Python语言来实现，开发了基于VDI 2230标准的螺栓强度评估软件，软件评估流程如图11所示。该软件可以具有多螺栓多工况批量处理等功能，方便快捷，同时为了方便该软件的工程应用，软件设置了如图12所示的操作界面，另外为评估结果的可视化显示设置了相关界面，图13为滑移系数显示界面。

5 牵引变流器安装螺栓强度校核

牵引变流器安装螺栓的初始设计参数主要依据GB/T 5782—2000标准、ISO 4032标准和VDI 2230等标准进行选取，表3列出了部分主要参数。

表3 牵引变流器安装螺栓部分主参数

利用本文开发的螺栓评估软件计算输出部分螺栓校核所需参数如柔度、载荷系数和变形锥角度等参数如表4所示。

根据VDI 2230标准中对螺栓的强度基本要求如下。

1)工作应力安全系数

(1)

2)表面应力系数

(2)

3)滑移安全系数

(3)

4)防止剪切安全系数

(4)

经过VDI联接螺栓强度评估软件评估牵引变流器安装螺栓的强度结果如表5所示。

表5 牵引变流器安装螺栓评估结果

根据公式(1)至公式(4)螺栓安全系数的评价标准，从表5可以看出工作应力安全系数不满足设计要求。由公式(1)可以得出影响工作应力安全评估的主要因素有：螺栓材料的屈服强度RP0.2min和螺栓的直径、工作载荷。其中工作载荷主要与牵引变流器的质量及结构刚度有关，该结构由设备功能及空间等因素决定，结构改进工作量比较大，而提高螺栓直径会增加结构总质量，因此，最简单易行的改进方式是选取强度等级更高材料的螺栓。鉴于此，本文提出将螺栓强度等级由8.8级改为10.9级作为改进方案，经过VDI 2230标准，对改进方案的评估结果如表6所示。

从表6可以看出，工作应力安全系数随螺栓强度的提高而增大，6个工况下工作应力安全系数均大于1.0，满足VDI 2230标准要求，其余各项指标也满足VDI 2230标准要求，为某城轨车辆牵引变流器安装螺栓联接的方案改进提供技术支持。

表6 改进方案评估结果

6 结论

本文以某城轨列车车下牵引变流器的联接螺栓为研究对象，经载荷工况模拟分析及螺栓强度评估得出主要结论如下：

1)通过本文的三种不同简化模型的牵引变流器的联接螺栓工作载荷分析结果可以看出，有限元模拟模型的简化方式会对螺栓工作载荷的分布存在影响，尤其是存在安装位置密集的质量较大的设备时，建模过程中需要考虑大质量设备对车体地板变形的影响，从而获得更贴近实际的工作载荷。

2)基于Python语言编译的螺栓联接强度评估软件，可以实现轨道车辆安装设备螺栓强度的快速评估，为我国轨道车辆结构螺栓联接的设计提供技术支持。

3)通过对牵引变流器安装螺栓强度评估结果可以看出该安装螺栓未达到强度设计要求；本文综合考虑了经济性和自重等因素，提出了通过提高螺栓强度等级的改进方案，通过VDI 2230标准的验算证明了该改进方案的有效性。