王 亮，于美慧，崔建國，劉家倫，曹笑迎

(1.大連科技學(xué)院 機械工程學(xué)院，遼寧 大連 116052；2大連科技學(xué)院 交通運輸學(xué)院，遼寧 大連 116052.；3. 廊坊市北方天宇機電技術(shù)有限公司 生產(chǎn)制造中心，河北 廊坊 065000；4.大連科技學(xué)院 實訓(xùn)中心，遼寧 大連 116052)

牽引裝置是在電力機車車體與轉(zhuǎn)向架之間起連接作用的重要組件，主要用于傳遞機車牽引力或制動力。在機車運行時，牽引裝置對機車車體與轉(zhuǎn)向架之間各種相對運動提供良好的適應(yīng)性，如轉(zhuǎn)向架相對于車體的橫動、在水平面內(nèi)的回轉(zhuǎn)，以及車體相對轉(zhuǎn)向架的浮沉振動、點頭振動、側(cè)滾振動等[1]。對牽引點高度和懸掛系統(tǒng)進行控制，能夠讓啟動和牽引時機車軸重轉(zhuǎn)移最小。應(yīng)用軸控技術(shù)補償軸重，能夠提高機車黏著重量的利用率。HXD3電力機車牽引裝置采用推挽式中央平拉桿結(jié)構(gòu)，主要部件有牽引銷、橡膠關(guān)節(jié)、安全索座、牽引桿體等，其中牽引桿體是傳遞機車牽引力或制動力的關(guān)鍵部件，設(shè)計時必須保證其具有足夠的強力和剛性[2]。

牽引桿體和牽引銷主要擔負著機車車體與轉(zhuǎn)向架的連接作用。該連接是通過6個M24螺栓實現(xiàn)的。在機車運行過程中，牽引銷承受著牽引桿體的轉(zhuǎn)動沖擊和摩擦作用[3]。在機車檢修過程中，多種因素會導(dǎo)致牽引銷的M24螺紋孔出現(xiàn)脫扣或亂牙現(xiàn)象。它出現(xiàn)在與構(gòu)架焊接成一體的牽引銷上時，將會大為增加檢修的難度。對機車牽引裝置來說，不論是制造成本還是制造精度都比較高，修復(fù)方案必須可靠、實用、有效。目前比較可行的機車牽引裝置修復(fù)方案是使用鋼絲螺套進行修復(fù)[4]。鋼絲螺套具有維修方便、快速、經(jīng)濟等特點，能夠在零部件本體上的螺紋發(fā)生脫扣或亂牙現(xiàn)象時采用局部修復(fù)手段，避免造成螺紋基體的整體報廢。但是，使用鋼絲螺套時，需要對整個使用過程進行相關(guān)力學(xué)分析，對螺栓組螺紋連接強度和鋼絲螺套的可靠性進行分析，并對鋼絲螺套的使用方法進行有效監(jiān)控，以保證修復(fù)過程可控，確保電力機車的檢修質(zhì)量[5]。本文在分析電力機車牽引裝置連接用螺栓組受力、螺紋把緊力矩和連接強度的基礎(chǔ)上，制定鋼絲螺套修復(fù)方案，并介紹M24螺紋孔的修復(fù)過程，為解決螺紋孔的脫扣、亂牙問題提供參考。

1 連接用螺栓組的受力分析

HXD3 電力機車的牽引裝置由牽引桿體及托板、墊圈、螺堵等部件組成(圖1)。牽引桿體用M24螺栓連接在牽引銷上。一臺HXD3 電力機車有2個牽引桿體、4 個牽引銷、12個M24 螺栓。其裝配組件通常分為2 組(每組均包括1 個牽引桿體、2個牽引銷、6個M24螺栓)，在受力分析時只取其中1組即可[6]。

圖1 牽引裝置總圖

通過裝配結(jié)構(gòu)分析可知，牽引桿體與牽引銷是通過1∶5的錐度配合安裝的，其竄動間隙很小，機車運行過程中由機車牽引力或制動力作用產(chǎn)生的橫向力主要作用在牽引銷上，連接用的M24 螺栓基本上不承受橫向力的作用；但從結(jié)構(gòu)上看，M24螺栓需要承受整個牽引桿體的重力，即軸向力作用，因此需要對 6個M24螺栓組成的螺栓組進行受力分析[7]。

對螺栓組進行受力分析時，應(yīng)假定：螺栓為彈性體，每個螺栓的預(yù)緊力相同，接合面的壓力分布均勻，連接件為剛體，受載后接合面仍為平面接觸。對于1個牽引桿體和2個牽引銷來說，6個 M24螺栓組承受的載荷作用垂直于二者的接合面。因此，各螺栓所受拉力相等，為：

(1)

式中：Q為螺栓組所受軸向力，Q=mg，m為牽引桿體總質(zhì)量；Z為螺栓組螺栓個數(shù)。

根據(jù)設(shè)計文件，m=554.22 kg，所以F=554.22×9.8/6≈905.23(N)。

2 螺紋把緊力矩和連接強度的分析

螺紋把緊力矩T包括下列兩部分：其中一部分是用于克服螺紋副的螺紋阻力矩T1；另一部分是螺母與被連接件支承面間的端面摩擦力矩T2。推導(dǎo)可得：

T=T1+T2=KF′d

(2)

式中：K為把緊力矩系數(shù)；F′為預(yù)緊力，N；d為螺紋公稱直徑，mm。

對于普通粗牙M12—M64螺紋，把緊力矩系數(shù)K在0.1～0.3內(nèi)變動，一般加工表面無潤滑狀態(tài)時K為0.18～0.21。

根據(jù)相關(guān)技術(shù)文件，連接牽引桿體和牽引銷的 M24 螺栓的把緊力矩為865 N·m±15%。為方便計算，取K=0.20，可計算預(yù)緊力，即F′=T/(K·d)=865÷(0.20×0.024)≈180 208.33(N)。

該M24螺栓按865 N·m ± 15%的把緊力矩使牽引桿體和牽引銷相連接。該M24 螺栓處于既受預(yù)緊力F′作用又承受軸向載荷(這里為拉力F)作用的狀態(tài)。M24螺紋連接如圖2所示。

圖2 M24螺紋連接示意圖

設(shè)螺栓的最大拉伸力為F0，則

F0=F′+α·F

(3)

式中，α為相對剛度系數(shù)，查表可知，α=0.2～0.3。本文中，α取值0.25，所以F0=180 208.33+ 0.25×905.23≈180 434.64(N)。

連接牽引桿體和牽引銷的M24螺栓所承受軸向載荷為靜載荷。該M24螺栓的拉伸強度為：

(4)

式中：d1為螺紋小徑,mm；σs為材料的屈服強力， MPa。

查表可得，d1=20.752 mm。把F0及d1的值代入式(4)得,σl=1.3×180 434.64/(3.14×20.7522/4)≈693.86(MPa)。

M24螺栓為10.9級，相應(yīng)螺栓材料的公稱抗拉強度為1 000 MPa，屈強比值為0.9。因此，該M24螺栓材料的公稱屈服強度為1 000×0.9=900 MPa。一般來說，擰緊后螺紋連接件的預(yù)緊應(yīng)力不得大于其材料屈服強力σs的 80%。因此，該M24螺栓的預(yù)緊應(yīng)力不得大于720 MPa。

上述計算結(jié)果，σl≈693.86 MPa<720 MPa，結(jié)果正確。

3 鋼絲螺套的可靠性分析

連接用螺栓組中M24螺栓所受最大拉力與鑲嵌好的鋼絲螺套承受的力相同。使用鋼絲螺套應(yīng)注意兩點：一是鋼絲螺套中菱形鋼絲的抗拉強度應(yīng)大于螺栓的強度，以免被拉斷；二是在螺栓被拉斷的情況下，應(yīng)保證鋼絲螺套不會從機體(即牽引銷)中拉出。

對于第一點，鋼絲螺套的菱形鋼絲在螺距≥2 mm時，抗拉強度為1 100～1 500 MPa，大于M24螺栓的拉伸強度693.86 MPa和螺栓材料的公稱抗拉強度1 000 MPa，因此菱形鋼絲不會被拉斷。對于第二點，應(yīng)運用鋼絲螺套的公稱長度來衡量。假定鋼絲螺套與旋入的螺栓螺紋完全嚙合，則鋼絲螺套的公稱長度為：

(5)

根據(jù)設(shè)計文件，牽引銷材質(zhì)為ZG230-450，其抗拉強度為450 MPa，抗剪強度為270～360 MPa。本文按最小抗剪強度270 MPa取值。

將各參數(shù)值代入式(5)可算出，H≈31.27 mm。

根據(jù)GB/T 24425.6—2009《鋼絲螺套技術(shù)條件》規(guī)定，在使用10.9級螺栓時，鋼絲螺套公稱長度應(yīng)在螺栓公稱直徑的1.5倍之內(nèi)。本文中，H大約為d的1.3倍，符合要求。在鋼絲螺套的公稱長度為31.27 mm時，即使螺栓被拉斷，鋼絲螺套也不會從基體(即牽引銷)中拉出[8]。現(xiàn)場實際使用的鋼絲螺套長度為32 mm，比理論計算的公稱長度最小限值稍大，既不浪費材料又能滿足使用要求。以上計算分析說明，使用 M24 鋼絲螺套進行修復(fù)是相對可靠的，可以滿足相關(guān)技術(shù)指標的要求[9]。

4 鋼絲螺套修復(fù)方案及螺紋孔修復(fù)程序的確定

鋼絲螺套修復(fù)方案如下：①用專用絲錐加工鋼絲螺套安裝孔的內(nèi)螺紋；②用安裝扳手將鋼絲螺套裝入內(nèi)螺紋孔中；③用沖斷器將鋼絲螺套的安裝柄折斷；④用卸套器取出已裝入螺紋孔的鋼絲螺套；⑤用螺紋塞規(guī)檢驗已安裝鋼絲螺套的內(nèi)螺紋孔。

M24螺紋孔的修復(fù)程序為：①對破損螺紋孔進行清理，在鉆床上擴孔并用專用絲錐進行攻絲，攻出能滿足鑲嵌鋼絲螺套需要的內(nèi)螺紋[10]；②使用專用的鋼絲螺套安裝工具，按照技術(shù)要求將鋼絲螺套旋入加工好的螺紋孔中；③用折斷工具去除鋼絲螺套上的折斷槽；④使用通止規(guī)對嵌入的鋼絲螺套進行檢測，符合通止規(guī)檢測標準后即可[11]。

安裝M24螺栓并修復(fù)電力機車牽引裝置的實踐證明，所制定鋼絲螺套修復(fù)方案的運用效果較好，可以滿足相關(guān)技術(shù)特性要求[12]。

5 結(jié)束語

采用鋼絲螺套技術(shù)修復(fù)牽引裝置時，各項技術(shù)參數(shù)如螺紋的抗拉強度、螺紋承受的最大拉力、鋼絲螺套的可靠性等均能夠滿足設(shè)計要求。經(jīng)實踐驗證：鋼絲螺套修復(fù)方案安全可行，操作簡便；采用該方案不但能節(jié)省大量工作時間，還可節(jié)約制造成本，具有一定的經(jīng)濟效益和社會效益。