王 利，代英男，康 銘，張德偉，楊 宇

(遼寧忠旺集團(tuán)有限公司，遼寧 遼陽(yáng) 111003)

鋁及鋁合金具有密度低、比強(qiáng)度高、成形加工性能好、可再生重復(fù)回收利用、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，備受人們的重視，被公認(rèn)為汽車輕量化的理想材料[1-2]。鋁合金客車車身設(shè)計(jì)時(shí)要求連接部位具有較高的承載能力，傳統(tǒng)的鋁合金焊接工藝容易出現(xiàn)焊接裂紋、母材強(qiáng)度弱化和異種金屬不易連接等問(wèn)題，而環(huán)槽鉚釘在客車鋁合金車身連接中具有操作方便、效率高、抗震性好、強(qiáng)度高、無(wú)熱影響及工作環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛采用[3-4]?！惰F路貨車專用拉鉚釘及鉚接技術(shù)條件》規(guī)定LMTP套環(huán)和LMTF套環(huán)均可與LMC鉚釘配合使用，但是對(duì)于各自鉚接后的強(qiáng)度分析尚無(wú)數(shù)據(jù)。

本文選取《鐵路貨車專用拉鉚釘及鉚接技術(shù)條件》規(guī)定的LMC頭型鉚釘，分別與LMTP-T8-G和LMTF-T8-G套環(huán)鉚接配合，通過(guò)分析軸向拉脫力和剪切力對(duì)比不同類型套環(huán)對(duì)鉚接強(qiáng)度的影響。

1 環(huán)槽鉚釘分類及鉚接原理

通常一個(gè)完整的環(huán)槽鉚釘鉚接結(jié)構(gòu)由被連接件、環(huán)槽鉚釘和套環(huán)組成。根據(jù)《鐵路貨車專用拉鉚釘及鉚接技術(shù)條件》規(guī)定，常用的環(huán)槽鉚釘根據(jù)頭型和鉚接的方式不同，可以分為L(zhǎng)MY、LMP和LMC三種形式，與LMY、LMP和LMC環(huán)槽鉚釘配合的套環(huán)共有LMTP、LMTF和LMTH三種形式。

在開(kāi)展鉚接作業(yè)時(shí)，需要根據(jù)鉚接厚度和連接強(qiáng)度要求選取不同規(guī)格的鉚釘，并在被連接件開(kāi)設(shè)連接孔，將環(huán)槽鉚釘穿入連接孔后將套環(huán)套在環(huán)槽鉚釘桿部，再采用專用鉚釘槍將環(huán)槽尾部抓牢，將套環(huán)壓入鉚釘環(huán)形溝槽上并拉斷鉚釘。鉚接原理主要是通過(guò)對(duì)鉚釘?shù)睦贡贿B接件相互擠壓在一起，同時(shí)套環(huán)在鉚釘?shù)姆忾]槽區(qū)域內(nèi)變形，套環(huán)光滑內(nèi)壁被擠壓到鉚釘環(huán)槽內(nèi)形成互鎖，使鉚釘、套環(huán)和被連接件成為一體。環(huán)槽鉚釘應(yīng)用示例見(jiàn)圖1。

圖1 環(huán)槽鉚釘應(yīng)用示例

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

軸向拉脫試驗(yàn)采用LMC-T8-28-G鉚釘，直徑為φ8 mm，允許鉚接厚度范圍27～30.2 mm；剪切試驗(yàn)采用LMC-T8-10-G鉚釘，直徑為φ8 mm，允許鉚接厚度范圍7.9～11.1 mm。LMTP-T8-G和LMTF-T8-G套環(huán)可與直徑φ8 mm鉚釘配合使用，鉚釘和套環(huán)材質(zhì)均為鋼，鉚釘和套環(huán)出廠檢驗(yàn)各項(xiàng)指標(biāo)符合《鐵路貨車專用拉鉚釘及鉚接技術(shù)條件》。

2.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用HUCK 256鉚槍完成鉚接，鉚接過(guò)程中鉚槍需與面板保持垂直，無(wú)傾斜。鉚釘插入釘孔進(jìn)行拉鉚時(shí)，鉚釘頭與表面平齊，不能凸出和凹進(jìn)，不能歪斜或有間隙。LMC-T8-28-G鉚接軸向拉脫試板總厚度28 mm，LMC-T8-10-G鉚接剪切試板總厚度10 mm。參考GB/T 3098.18—2004《緊固件機(jī)械性能盲鉚釘試驗(yàn)方法》開(kāi)展力學(xué)試驗(yàn)，鉚接后的產(chǎn)品如圖2所示[5]。

(a)LMTP套環(huán)軸向拉脫;(b)LMTF套環(huán)軸向拉脫;(c)LMTP套環(huán)剪切;(d)LMTF套環(huán)剪切

共制備LMC-T8-28-G 軸向拉脫接頭20件，其中LMC鉚釘與LMTF-T8-G、LMTP-T8-G型套環(huán)配合的軸向拉脫接頭各10件，分別標(biāo)記為1#～10#；同樣制備LMC-T8-10-G 剪切接頭10件，其中LMC鉚釘與LMTF-T8-G、LMTP-T8-G型套環(huán)配合的剪切接頭各5件，分別標(biāo)記為1#～5#。采用電子萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)對(duì)軸向拉脫接頭和剪切接頭施加載荷直至接頭破壞，加載速度為7 mm/s，記錄破壞時(shí)的載荷值。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 配合不同套環(huán)鉚接性能對(duì)比

軸向拉脫力測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1和表2，LMTF、LMTP套環(huán)與LMC鉚釘配合均符合《鐵路貨車專用拉鉚釘及鉚接技術(shù)條件》技術(shù)要求，但LMTF套環(huán)與LMC鉚釘配合后的軸向拉脫力明顯高于LMTP套環(huán)與LMC鉚釘配合的軸向拉脫力，鉚釘與LMTF套環(huán)、LMTP套環(huán)配合后的剪切力基本接近，剪切力測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3、表4、圖3和圖4。

表1 與LMTF套環(huán)配合軸向拉脫力

表2 與LMTP套環(huán)配合軸向拉脫力

表3 與LMTF套環(huán)配合剪切力

表4 與LMTP套環(huán)配合剪切力

3.2 數(shù)值模擬分析

利用Catia軟件及環(huán)槽鉚釘鉚接過(guò)程建立三維模型，根據(jù)軸對(duì)稱特點(diǎn)對(duì)鉚接模型進(jìn)行對(duì)稱分析，得出如圖5所示的載荷-位移曲線及受力云圖。從曲線圖中分析可知，配合LMTF型套環(huán)的環(huán)槽鉚釘軸向承載能力優(yōu)于配合LMTP型套環(huán)的環(huán)槽鉚釘，與軸向拉脫試驗(yàn)結(jié)果相吻合。分析原因?yàn)榄h(huán)槽鉚接承載能力主要是徑向抗膨脹能力和軸向抗剪切能力，在嚙合部分相同的情況下，其承載能力主要取決于套環(huán)的結(jié)構(gòu)形式，LMTF型套環(huán)在徑向增加了加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，提高了徑向抗膨脹能力從而提升了承載能力，同時(shí)在承受相同軸向拉脫載荷時(shí)LMTF型套環(huán)引起的應(yīng)變均勻，LMTP型套環(huán)與被連接件貼合處應(yīng)變較大，因此更容易發(fā)生開(kāi)裂失效。所以LMTP套環(huán)與LMC鉚釘配合后的軸向拉脫力低于LMTF套環(huán)與LMC鉚釘配合的軸向拉脫力[6]。

圖3 軸向拉脫載荷

圖4 剪切載荷

3.3 結(jié)果討論

根據(jù)《鐵路貨車專用拉鉚釘及鉚接技術(shù)條件》的規(guī)定，LMTP-T8-G套環(huán)高度8.85～9.65 mm，LMTF-T8-G套環(huán)高度10.01～10.83 mm，但是LMTF-T8-G鉚釘法蘭面內(nèi)孔倒角1.58～2.39 mm，導(dǎo)致可供連接的有效高度為7.62～9.25 mm。兩種套環(huán)鉚接后與鉚釘配合部分承載面積接近，但是由于LMTF套環(huán)具有的法蘭面使其在與被鉚接件貼合部分具有更大的承載面積，承受相同軸向載荷時(shí)表現(xiàn)出更大的承載能力，LMTF套環(huán)軸向拉脫力平均值高于LMTP套環(huán)軸向拉脫力平均值6%，而剪切力基本相同，因此在承受較大軸向載荷的應(yīng)用場(chǎng)合，選擇LMTF 套環(huán)安全系數(shù)更高[7]。

(a)載荷曲線;(b)受力云圖

4 結(jié)論

1)采用LMTP套環(huán)、LMTF套環(huán)分別和LMC鉚釘配合的鉚接接頭軸向拉脫強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度均符合《鐵路貨車專用拉鉚釘及鉚接技術(shù)條件》；

2)LMTF套環(huán)和LMC鉚釘配合的鉚接接頭軸向拉脫強(qiáng)度高于LMTP套環(huán)和LMC鉚釘配合的鉚接接頭軸向拉脫強(qiáng)度。

3)承受較大軸向載荷的應(yīng)用場(chǎng)合，推薦選用LMTF套環(huán)。