李小彭,李加勝,安鐮錘,王 蕾

(1.東北大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院,遼寧 沈陽(yáng) 110819; 2.承德石油高等?？茖W(xué)校工業(yè)技術(shù)中心，河北 承德 067000)

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扭矩對(duì)鋼軌接頭螺栓疲勞壽命的影響分析

李小彭1,李加勝1,安鐮錘1,王 蕾2

(1.東北大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院,遼寧 沈陽(yáng) 110819; 2.承德石油高等專科學(xué)校工業(yè)技術(shù)中心，河北 承德 067000)

鋼軌接頭螺栓的疲勞失效與斷裂使鐵路運(yùn)輸?shù)目煽啃?、安全性下?是阻礙高速鐵路發(fā)展的重要因素.因此,研究鋼軌螺栓的疲勞性能具有重要的現(xiàn)實(shí)意義.首先通過(guò)預(yù)緊力矩與預(yù)緊力的轉(zhuǎn)換公式,把預(yù)加載的螺栓力矩轉(zhuǎn)換成預(yù)緊力,研究了在不同預(yù)緊扭矩作用下,預(yù)緊扭矩對(duì)鋼軌接頭螺栓疲勞失效特性的影響;其次通過(guò)理論計(jì)算,選擇出最佳螺栓扭矩.最后在鋼軌接頭螺栓的三維實(shí)體模型基礎(chǔ)上,施加已計(jì)算出的最佳預(yù)緊扭矩,用ANSYS Workbench疲勞分析模塊對(duì)螺栓進(jìn)行疲勞壽命估算.以上研究都說(shuō)明鋼軌接頭螺栓最大的變形發(fā)生在螺母與鋼軌夾板接觸處的第一圈螺紋牙處.

鋼軌接頭螺栓; 螺栓扭矩; 疲勞失效; 有限元; 壽命估算

在實(shí)際工程中,構(gòu)件可能會(huì)由在各種載荷的作用下而產(chǎn)生局部破壞,其中因?yàn)榻蛔冚d荷而產(chǎn)生的疲勞破壞占據(jù)了50%—90%[1-2].機(jī)械零件在變應(yīng)力作用下,經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后會(huì)在局部應(yīng)力區(qū)形成微裂紋,微裂紋逐漸擴(kuò)展至最后斷裂的現(xiàn)象稱為疲勞破壞.疲勞失效始于熱點(diǎn)的一個(gè)小裂紋,而該熱點(diǎn)的拉伸應(yīng)力處于最大值.一旦裂紋生成并擴(kuò)展,應(yīng)力集中可能進(jìn)一步增加,其結(jié)果是使裂紋更加迅速擴(kuò)展[3].據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì),在機(jī)械構(gòu)件和零件的斷裂事故中有80%歸屬于疲勞破壞,因此疲勞計(jì)算在機(jī)械零件失效中有重要的地位.

隨著最近幾年我國(guó)工業(yè)的迅速發(fā)展,鐵路運(yùn)輸在我國(guó)交通運(yùn)輸中起著越來(lái)越重要的作用.鋼軌接頭螺栓作為鋼軌與鋼軌連接的重要部件,在拉伸、彎曲以及沖擊載荷的作用下,螺栓將產(chǎn)生螺桿的拉伸、螺栓和螺母的螺紋磨損以及在墊板和鋼軌、墊板和螺栓頭、墊板和螺母之間摩擦表面的磨損,并產(chǎn)生松動(dòng),造成螺栓預(yù)緊力的減小,甚至出現(xiàn)疲勞斷裂[4].螺栓的失效將會(huì)對(duì)機(jī)車的運(yùn)行帶來(lái)安全隱患.本文首先研究了螺栓預(yù)緊扭矩對(duì)螺栓疲勞特性的影響,并計(jì)算出最佳預(yù)緊扭矩,以提高螺栓疲勞強(qiáng)度和使用壽命;其次應(yīng)用有限元分析方法對(duì)鋼軌接頭螺栓進(jìn)行了疲勞壽命估算.

1 扭矩對(duì)螺栓疲勞壽命的影響

螺栓在裝配聯(lián)接時(shí)必須要擰緊,預(yù)緊的目的是為了增強(qiáng)聯(lián)接的緊密性和可靠性,從而防止受載后被連接件間發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)或縫隙.大量經(jīng)驗(yàn)證明:適當(dāng)選擇比較大的預(yù)緊力對(duì)連接件的疲勞強(qiáng)度以及螺紋聯(lián)接的可靠性是有利的.然而過(guò)大的預(yù)緊力將會(huì)導(dǎo)致整個(gè)的聯(lián)接結(jié)構(gòu)尺寸增大,也可能會(huì)使連接件在偶然過(guò)載或裝配時(shí)被拉斷.因此,為了保證連接件既有一定的預(yù)緊力,又不使螺紋連接件過(guò)載,對(duì)螺栓的預(yù)緊的控制十分重要.常用的控制預(yù)緊力的方法有[5]:扭矩控制法、轉(zhuǎn)角控制法、屈服點(diǎn)控制法、伸長(zhǎng)量控制法等,因此有必要研究預(yù)緊扭矩對(duì)螺栓壽命的影響.

1.1 預(yù)緊扭矩與預(yù)緊力的換算

擰緊螺母時(shí),加在扳手上的擰緊扭矩T等于用克服螺紋副間的摩擦扭矩T1和螺母環(huán)形端面與承受面上的摩擦扭矩T2,即

(1)

(2)

(3)

則

(4)

式中:Qp為螺栓預(yù)緊力;d2為螺紋中徑;φ為螺紋升角;φv為螺紋當(dāng)量摩擦角;fc為被連接件支撐面與螺母之間的摩擦系數(shù);D0為螺母環(huán)形支承面的直徑;d0為螺紋孔的直徑.

對(duì)于鋼軌接頭螺栓M24的粗牙普通螺紋剛強(qiáng)度螺栓,螺紋升角φ=2.48°,螺紋中徑d2=0.9d(d為螺栓的公稱直徑);螺旋副的當(dāng)量摩擦角φv= arctan1.115f(f為螺紋副間的摩擦系數(shù)，在無(wú)潤(rùn)滑時(shí)f≈0.1～0.2);螺母環(huán)形支承面的外徑D0≈1.5d;螺栓孔直徑d0≈1.1d;支承面與螺母間的摩擦系數(shù)fc=0.15.將上述各參數(shù)代入式(4)，得:

T=0.2Qpd

(5)

1.2 螺栓扭矩對(duì)螺栓疲勞特性的影響

根據(jù)我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)《GB5098—85 鋼軌用高強(qiáng)度接頭螺栓、螺母》中的規(guī)定,采用60 kg·m-1的鋼軌時(shí)，其軌枕間距為55 cm，接頭螺栓材料為20MnTiB，彈性模量為210 Gpa,屈服強(qiáng)度為940 Mpa,泊松比為0.28,抗拉強(qiáng)度為1040 Mpa.以螺栓桿的長(zhǎng)度為135 mm、螺距為3 mm、帶螺紋部分的公稱直徑為24 mm、無(wú)螺紋部分桿徑的長(zhǎng)度為22.051 mm,螺母的旋合長(zhǎng)度為24 mm的鋼軌鋪設(shè)的線路上的螺栓連接組合作為計(jì)算模型.

螺栓與螺母選用PLANE182單元,本單元含有4個(gè)節(jié)點(diǎn),每個(gè)節(jié)點(diǎn)中有2個(gè)自由度:節(jié)點(diǎn)x和y方向的平移.本單元具有超彈性、塑性、應(yīng)力剛度、大變形和大應(yīng)變的能力,并具有力-位移混合公式的能力可以模擬接近不可壓縮的彈塑性材料和完全不可壓縮超彈性材料的變形.

選擇CONTA172和TARGE169單元來(lái)定義螺栓和螺母螺紋接觸面,其中CONTA172作為接觸面,TARGE169作為目標(biāo)面,而這兩個(gè)單元都沒(méi)有厚度.接觸面和目標(biāo)面的性質(zhì)差別較小,接觸面是硬度較低的實(shí)體表面,目標(biāo)面通常是硬度較高的實(shí)體表面.這種接觸單元可以支持低階和高階單元,并且能夠模擬有摩擦的和大滑動(dòng)的大變形,可以為工程模擬提供很好的接觸效果[6].

根據(jù)鋼軌螺栓實(shí)際工作的狀態(tài),給螺栓的有限元模型加上載荷和邊界約束,在螺栓與鋼軌夾板連接處施加x方向約束,螺栓軸線施加y方向約束,在螺母上施加y方向的約束.分別取螺栓預(yù)緊扭矩T=700,802,900 N·m,通過(guò)式(5)轉(zhuǎn)換成均布載荷P=181.43,207.86,233.26 Mpa,計(jì)算鋼軌螺栓螺紋的形量.螺栓的合位移等值線圖和螺栓等效應(yīng)力等值線圖如圖1所示.

(1) 從螺栓的合位移等值線圖中可以看出,螺母與支撐面接觸處的第一個(gè)螺紋牙變形最大,然后各圈螺紋牙變形依次遞減.因?yàn)槁菁y受載時(shí),螺栓受拉,螺距增大,而螺母受壓,螺距減小,螺距的變化差靠旋合各圈螺紋牙的變形來(lái)補(bǔ)償,這與實(shí)際螺紋牙間的變形情況相符合.

(2) 對(duì)螺栓施加預(yù)緊扭矩T=400,500,600 N·m所產(chǎn)生的螺栓螺紋最大的變形量分別為ε=0.010 7,0.013 5,0.016 2 mm,螺紋的變形隨著預(yù)緊扭矩的不斷增大而增大,當(dāng)螺紋的變形足夠大時(shí),螺紋將失效,從而降低螺栓的疲勞壽命.

(3) 在施加3種預(yù)緊力矩的情況下,螺栓的根部所產(chǎn)生的應(yīng)力增大,且螺紋根部應(yīng)力的增大也是螺栓出現(xiàn)疲勞斷裂的主要原因,故通過(guò)合理的控制螺栓預(yù)緊力矩來(lái)減小螺紋根部的應(yīng)力,是提高螺栓抗疲勞的有效措施.

圖1 均布載荷P=181.43,207.86,233.26 Mpa時(shí)螺栓的合位移等值線圖和等效應(yīng)力等值線圖Fig.1 Isoline of bolt displacement and bolt equivalent stress with uniform load P=181.43,207.86,233.26 Mpa

2 鋼軌螺栓最佳預(yù)緊扭矩的確定

本文所用鋼軌接頭螺栓為10.9級(jí),公稱直徑d=24 mm,螺距p=3 mm,牙型角α=60°

(1) 外螺紋的應(yīng)力計(jì)算直徑ds計(jì)算:根據(jù)螺紋的公稱直徑d、螺距p,得：

DS=d-0.938 2d=21.185 4mm

(2) 預(yù)緊應(yīng)力σy計(jì)算:根據(jù)螺栓的性能等級(jí)(保證應(yīng)力σp)及螺母(或內(nèi)螺紋)的強(qiáng)度情況確定,當(dāng)螺母的強(qiáng)度與螺栓相匹配時(shí),可按螺栓的保證應(yīng)力σp來(lái)確定預(yù)緊應(yīng)力σy

螺栓的保證應(yīng)力σp,見(jiàn)表1.

本文取σy=0.6 N·mm-2,σp=0.6×830=498 N·mm-2.

(3) 預(yù)緊力Fy計(jì)算:根據(jù)螺紋的應(yīng)力計(jì)算直徑DS、預(yù)緊應(yīng)力σy,確定

(4) 螺栓的預(yù)緊力矩的推導(dǎo)及力矩值修正計(jì)算

摩擦力臂rf取決于螺紋的特征參數(shù)(直徑d、螺距p、牙型角α),螺栓頭部與支承面之間的結(jié)合尺寸(近似用扳手尺寸S和螺栓螺紋直徑替代)以及材料之間的摩擦系數(shù)(螺栓頭螺母與支承面之間的摩擦系數(shù)μ1,螺紋之間的有效摩擦系數(shù)μ2)等,摩擦力臂rf的計(jì)算如下:

通常情況下,s≈1.5d，α=60°，p≈0.1d,于是:

rf=0.54(μ1+0.03)d+0.63dμ2=4.600 8mm

預(yù)緊力矩Ty等于預(yù)緊力Fy和摩擦力臂rf的乘積:

Ty=rfFy=807N·m

故鋼軌接頭螺栓的最佳預(yù)緊力矩Ty=807 N·m,才不會(huì)使螺栓由于預(yù)緊力矩過(guò)大使螺紋牙變形量過(guò)大,致使螺栓疲勞失效,并且在螺栓螺紋根部半徑最大的情況下,使螺栓的應(yīng)力集中降到最低.

3 鋼軌接頭螺栓的疲勞壽命估算結(jié)果與分析

建立螺紋根部半徑為0.4 mm、施加已計(jì)算得出的最佳預(yù)緊扭矩的鋼軌接頭螺栓的三維實(shí)體模型,把該模型導(dǎo)入ANSYS Workbench中,對(duì)螺栓進(jìn)行材料屬性的設(shè)置、接觸對(duì)建立、網(wǎng)格劃分、邊界條件及載荷加載得到螺栓的有限元模型.然后通過(guò)ANSYS Workbench疲勞分析模塊計(jì)算得到螺栓的疲勞壽命分布如圖2所示以及螺栓的安全系數(shù)如圖3所示.

表1 螺栓的保證應(yīng)力σp

由圖3可得,鋼軌接頭螺栓低壽命區(qū)發(fā)生部位在螺母支撐面第一圈螺紋的根部圓角處，以及光桿與螺帽的過(guò)渡處,最小壽命為62554次循環(huán);螺紋應(yīng)力分布不均,螺紋根部應(yīng)力集中嚴(yán)重.從圖6可得,螺栓的安全系數(shù)較低處發(fā)生在螺栓螺紋根部.

圖2 螺栓疲勞壽命Fig 2 Fatigue life of rail bolt

圖3 螺栓的安全系數(shù)Fig 3 Safety factor of rail bolt

4 結(jié)論

(1) 通過(guò)預(yù)緊力矩與預(yù)緊力的轉(zhuǎn)換公式,把預(yù)加載的螺栓力矩T=700,800,900 N·m轉(zhuǎn)換成預(yù)緊力,來(lái)分析螺栓扭矩對(duì)螺栓螺紋的影響.分析結(jié)果顯示.隨著螺栓扭矩的增大,螺栓的螺紋變形將逐漸增大,最大的變形發(fā)生在螺母與鋼軌夾板接觸處第一圈螺紋牙處,螺紋的變形隨著旋合數(shù)的增加而逐漸減小,所以并不是預(yù)緊扭矩越大越好,應(yīng)選擇最佳螺栓扭矩.

(2) 由分析可得,并不是螺栓預(yù)緊扭矩越大越好,過(guò)大的預(yù)緊扭矩將使螺紋牙變形過(guò)大,降低螺紋牙的連接強(qiáng)度,降低螺栓的疲勞壽命;過(guò)小的預(yù)緊扭矩將不能使鋼軌接頭和鋼軌夾板很好地連接,通過(guò)理論推導(dǎo)得到了鋼軌接頭螺栓的最佳預(yù)緊扭矩為807 N·m,使螺栓既能有足夠的預(yù)緊扭矩使鋼軌夾板和鋼軌很好地連接,又能使螺栓的變形最小且螺紋根部應(yīng)力集中降到最低,從而提高螺栓的疲勞壽命.

(3) 分析結(jié)果表明,螺栓的最小壽命發(fā)生在螺母支撐面第一圈螺紋根部圓角處，為62 554次.因此,對(duì)于振動(dòng)引起的螺栓松動(dòng)問(wèn)題的解決就是,需要定期對(duì)螺栓進(jìn)行預(yù)緊及維護(hù).

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Impact analysis of torques on fatigue life of rail joint bolts

LI Xiao-peng1,LI Jia-sheng1,AN Lianchui1,WANG Lei2

(1.School of Mechanical Engineering & Automation,Northeastern University,Shenyang 1108194,China;2.lndustrial Technology Cener,Chengde Petrorum College,Chengde 067000,China)

Due that the fatigue failure and rail joint bolt breakage decrease the railway transport reliability and safety,the fatigue property of rail bolt impacts significantly on high-speed railway development.Firstly,the pre-loading bolt torque is converted into pre-tightening force via transformation formula of tightening torque and pre-tightening force by investigating the tightening torque into rail joint bolt fatigue failure under different pre-tension actions.Secondly,the preferred bolt torque is selected by theoretical calculations.Finally,based on three-dimensional solid model of rail joint bolt,the fatigue life is estimated using ANSYS WorkbenchTM fatigue analysis module.Therefore,it is indicated that the maximum bolt deformation occurs at contact areas of the first lap thread between nuts and rail plywood.

rail joint bolt; bolt torque; fatigue failure; finite element; life prediction

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51275079)；遼寧省百千萬(wàn)人才工程培養(yǎng)經(jīng)費(fèi)資助項(xiàng)目(2014921018).

李小彭(1976-),男,教授,博士.E-mail:xpli@me.neu.edu.cn

TH 123

A

1672-5581(2016)02-00104-05