机车车辆用紧固件现状及展望.docx

综述述评文章编号：1007-6034(2014)06-0011-03 doi：1014032jissn1007-6034201406004机车车辆用紧固件现状及展望 胡小山 (南车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司，江苏常州213011)摘要：简要介绍了机车车辆用紧固件的现状，并通过相关失效案例详述了机车车辆用紧固件目 前存在的不足。介绍了某公司针对机车车辆用高强度紧固件在紧固件选材、结构优化及强化工艺 等方面的研究。简述了机车车辆用紧固件的未来发展。关键词：机车车辆；紧固件；制造工艺 中图分类号：tq0558+3文献标识码：b级及以上连接螺栓约为27，部分零部件甚至采用1机车车辆用紧固件现状129级螺栓连接。紧固件是机车车辆中大量使用的机械基础件。 高强度紧固件具有承载能力高、受力性能好、耐 目前，机车车辆用紧固件(螺栓、螺钉、螺柱)普遍为疲劳、不易松动等优点；随着机车车辆技术水平88级及以上高强度紧固件。2011年，对国内主要 的提高，对高强度紧固件的需求也越来越大。机车 型号的机车车辆、动车组及城轨车辆用紧固件作了 车辆实际运行过程中，紧固件的断裂失效是影响列 统计，统计表明，机车车辆用紧固件愈来愈多地选用 车安全运行的巨大隐患，如何减少紧固件的断裂失 高强度紧固件。以统计的碳钢连接螺栓为例，88效一直是工程技术人员比较关注的一个问题。表1 级及以上的连接螺栓使用数量约为92，其中109 是近几年发生的几起紧固件典型失效案列。表1 紧固件失效案例上述失效案例涵盖了高强度螺栓的疲劳断裂、足国标要求，但疲劳强度难以满足实际工况需求。 塑性断裂、脆性断裂3种类型，对上述螺栓的失效分2 高强度紧固件制造技术研究析表明，目前造成螺栓断裂失效的因素主要有以下几种原因。高强度螺栓的选材、结构、强化工艺及制造过程 (1)螺栓材质不良，非金属夹杂物严重，成为裂对高强度螺栓的使用性能有着直接影响。纹启裂源；21材料优化 (2)螺栓制造工艺不合理，造成螺栓机械性能 高强度螺栓的材料洁净度、晶粒度以及材料强不符合要求或螺栓产品具有原始裂纹； 度、塑性值对金属材料的疲劳性能有着极大的影响。 (3)螺栓连接设计不科学，设计选择的螺栓满 选用洁净度高的钢可提高螺栓的疲劳强度，如降低 收稿日期：2013一123l s含量可以减少s在晶界的偏聚而减轻晶界脆化， 作者简介：胡小山(1977一)，男，高级工程师，硕士。 提高钢的变形能力，还可以减少钢中的非金属夹杂1 1万方数据综述述评 机车车辆工艺第6期2014年12月物；降低p含量可减少p在晶界的偏聚而减轻晶界为提高螺栓的疲劳性能，在结构上需最大限度 脆化，降低钢的变形抗力一。地改善螺栓连接结构中螺纹牙的载荷分布和应力状 s、p含量在相关国家标准中已有明确规定，但态，主要从3个方面对螺栓连接结构进行优化：(1) 是关于非金属夹杂物尚未有明确规定；通常，钢中的降低螺栓所承受的应力幅；(2)减小螺纹牙底的应非金属夹杂物合格级别由供需双方协议规定，如 力集中水平；(3)改善螺纹牙上的载荷分布。4 o。gbt 30771999中69条。但是在高强度螺栓的 关于如何降低螺栓承受的应力幅，从螺栓的角 实际生产及使用过程中，非金属夹杂物的类别及形度，主要可采用减小螺栓光杆部分直径或采用空心 态对高强度螺栓的疲劳性能有着较大影响。根螺杆方式。通常杆身直径可略低于螺栓螺纹的小 据实际生产经验及相关试验规定了高强度螺栓材料 径，或者减径后杆身的截面积为原截面积的80， 的非金属夹杂物所允许的规范，如表2所示。这样既可以保证螺栓的静强度，同时又可以降低螺 表2 高强度螺栓非金属夹杂物允许值级栓的刚度，增强其变形协调能力，降低螺纹部位所承a堂羹煮。类考杂篡暌热望d黼ds(蓍螽轳受的应力幅”-。(硫化物类)(氧化铝类)(硅酸盐类)记轫类。)球袄类)图2是普通内外螺纹连接时啮合螺纹间的载荷分布，图中可清楚地看出螺栓与螺母啮合的第一扣 处(图中mx标记处)承受的载荷最大，此处螺栓螺18cr2ni4we是某公司制造高强度螺栓所选用纹根部的应力集中也最严重，因此此处最容易发生 的材料之一，该材料为电渣重熔材料，属于特级优质 断裂一 钢，不但s、p含量低，而且非金属夹杂物含量远少詈；要；。，于一般的高级优质合金钢，组织疏松亦相对减少。 i-i 4“618,i；：高701113018cr2ni4we具有高强度、高韧性和良好的淬透性， 雪；盏o 1 8是机械零件中常用的渗碳钢，该钢也可在调质的情 胃麓岁厂1 l口7一r-i 1400况下使用。 亘：蠹图1是采用该材料制造的m12 mm15 mm _；内六角螺栓的sn曲线。在指定寿命n。=5106 的情况下，其(仃。)，。=678 mpa，而进vi螺栓在 (盯。，)，。=678 mpa时，其疲劳寿命一般不会超过3106，远低于采用18cr2ni4we材料所制造的螺栓。 削二媒双轨面玎“j对于性能等级高于或等于88级的紧固件，可、对外螺纹牙底轮廓优化设计，采用有圆弧连接的曲菩线，曲线半径rmin=0125p(p为螺距)。外螺纹牙罨底圆弧曲线设计时，应使外螺纹牙底倒圆所形成的孚最大小径dlmax的位置，是在同时与2个rmin=。0125p的圆弧相切的直线处。这2个圆弧必须分舛跎他硒n他加鹤昌雎别通过最大实体牙型的侧面和小径圆柱面的交点，6165lgn并与螺纹的最小实体牙型侧面相切。图1 18cr2ni4we材料螺栓sn曲线通过有限元分析，当螺纹根部圆角半径r逐渐22结构优化 增大时，螺栓与螺母啮合的第一扣处的螺栓螺纹根 螺栓的结构优化主要应用在对螺栓疲劳性能有部的应力下降最为明显。以m12 mm15 mm螺 要求的场合，如在机车车辆的走行部以及机车动力 栓为例，从r=019 mm增大到r=03 mm时，应力 总成部位的连接螺栓，由于这些部位的连接螺栓承值从1247 mpa降低到1071 mpa，共降低约176 受振动冲击载荷，螺栓不仅要具有高的强度，而且要 mpa，降低了141，应力集中系数由445减小到 具有良好的疲劳性能。383。这说明增大半径可以显著减小螺纹根部的应12万方数据胡小山 机车车辆用紧固件现状及展望力，从而缓解应力集中，因此在实际工程中应尽可能31机车车辆用紧固件标准体系的建立 地增大螺栓螺纹根部的圆角半径，以此来提高其疲在轨道交通用紧固件标准方面，有关铁道工务 劳强度，从而提高安全可靠性。 用紧固连接的标准约有30余项，而有关机车车辆用23强化工艺 紧固连接的标准则相对较少。原铁道部于2011年 螺纹的强化主要采用螺纹滚压成型的工艺，同 发布了tbt32462010(机车车辆及其零部件设计 时该工序放在调质处理之后进行，这样可以保留螺准则一螺栓连接，从设计、安装、连接等系统的角 纹滚压后的残余压应力。螺栓杆身与螺栓头结合部 度对螺栓连接做了规定。但是，针对机车车辆用紧 位的过渡圆角也是容易发生疲劳断裂的部位，为了 固件的产品标准(tb)还很缺乏，目前主要有6项 提高该部位的疲劳强度可采用滚压强化的工艺。 (见表3)，而针对动车组、大功率机车、城轨车辆用螺栓经过滚压强化，使表层获得有益的残余压 紧固件的铁道行业标准还是空白。表3 机车车辆用紧固件零件标准应力，同时表面的金属切削痕迹被碾平，表面粗糙度tbt 8261991 锁紧螺母得到改善。经x光表面应力测定，未经滚压的过渡tbt 8961999 羊眼螺栓圆角处表面存在30120 mpa的拉应力；经滚压后，tbr 8971999 眼环螺栓该部位的残余拉应力转变为残余压应力，可达一210tbt 14791991 铁道车辆车轴轴端螺栓mpa，残余压应力的峰值则存在于亚表面。tbt 30192001 变牙型防松螺母滚压强化效果与滚压参数有着密切的关系，适当地控制滚压力、滚压时间将会提高疲劳强度；反tbt 3 02-2005券麓粼酢轼馓头射部之，滚压压力过大会导致疲劳强度的降低。试验表轨道交通产品是涉及公共安全的产品，对其产 明，当滚压压力为6kg空压时，疲劳强度可达到630品安全可靠性的要求要高于对普通民用产品的要 mpa；滚压压力为4kg空压时，疲劳强度达到687求，轨道交通产品用紧固件的质量水平要高于普通mpa。民用紧固件的质量水平。特别是高速动车组，其持24应用介绍续运行时速达到飞机起飞的速度，对紧固件的质量2009年某型电力机车在运行中，陆续发生齿轮水平要求就更高。箱与牵引电机连接螺栓(m20 mm290 mm)断裂问 从前文对几起典型失效案列的分析来看，无论题。发生断裂的螺栓多数是齿轮箱上箱体与牵引电 是材料选择，还是工艺过程的控制，或者是抗疲劳设机连接的螺栓，断裂面位于牵引电机与齿轮箱安装计等，都未有能够满足机车车辆需求的技术规范或的分界面处。螺栓的断裂绝大多数发生在靠近螺母 技术标准。这就无法从“法规、标准”的角度将轨道支承面的第一圈螺纹处，属典型的疲劳断裂断口。交通用高可靠性、高质量水平的紧固件同普通民用该螺栓为进口88级螺栓，杆身为等杆直径结紧固件有效区分，这对轨道交通的安全运行形成一构，42crmo材料，s含量为0，018，p含量为 种潜在的隐患。013，非金属夹杂物为a15，d2。 机车车辆用紧固件标准体系可结合已发布的根据螺栓断裂形式及主机公司提供的螺栓受力 tbt32462010(机车车辆及其零部件设计准则一 状态分析，重新设计了该螺栓，材料选用螺栓连接，在现有国标紧崮件标准的基础上，制订18cr2ni4we，细杆柔性设计，螺纹牙底圆弧控制在部分具有行业特色，能够满足行业需求技术规范或03304 mm，螺纹滚压成型，六角头与杆身过渡标准，例如：圆弧冷挤压强化处理，性能选用非标设计：rm940(1)基础标准：机车车辆用紧固件材料技术规mpa，rpo2800 mpa，z55，a14，akv范、机车辆辆用紧固件通用制造规范、机车车辆用紧40 j。固件探伤技术规范。 通过上述优化设计，大大提高了该螺栓的抗疲 (2)产品标准：如柴油机活塞螺栓、连杆螺栓、劳断裂能力，至今尚未有断裂发生。动车组制动盘用螺栓、齿轮箱电机连接螺栓等具有特殊结构及性能的螺栓。3 发展展望(下转第16页)1 3万方数据冷热工艺 机车车辆工艺第6期2014年12月旁承总体平面度不大于2 mm；3构架检验、调校侧梁下盖板四角高度差不大于2 mm。31构架检验以上尺寸为产品的关键重要尺寸，通过检验，产 利用磁粉探伤仪100磁粉探伤所有各个梁之品的结构尺寸满足设计要求，允许流转至下工序，否间的连接焊缝，并出具磁粉探伤报告。若探伤出 则进行返工处理。 现超标或裂纹，报告中详细记录缺陷，在工件上清晰32构架调校 标识缺陷位置，监控返工，返工后2次探伤。各梁的将构架吊放至检验平台，利用4个等高块将其 相互连接焊缝，不允许存在裂纹。垫平，等高块垫在构架四角处。利用塞尺检验构架构架的尺寸检验主要考察以下几项指标(图下盖板与4个等高块的间隙，若间隙超过05 lllm，4)：采用机械校正。 用卷尺测量两侧梁中心线距离尺寸1956 ltlm，ij )=3p若尺寸超差，则利用千斤顶内撑或外压侧梁中部-。匝；：(根据实际尺寸小于或大于1956 mm)。再次测量，一+lr崎两侧梁中心线距离，反复进行校正，合格后转入下卜构架 一nff工序。f一一 匕= _-一4( +1结束语ir 9- 1蜘一jw4g转向架构架投入使用至今，其质量稳定，16301 16304-1质量反馈率为002件台车，构架一次交验合格率34004达974，验证了该焊接工艺的可行性。图4转向架构架检验示意图参考文献：构架长度：(34404)mm； 1夏宁220kmh轨检车焊接构架制造工艺j机车车辆工艺，构架宽度：(21762)mm；2007(5)：2425 两侧梁纵向中心线距离：(19561)mm；(编辑：匡玲) 横梁与两端梁中心线距离：(1630-1-1)mm；o-t(oo(o(上接第13页) 在机车车辆中应用，但是其材料设计思路在提高现32紧固件材料工艺的跟踪研究 有高强度紧固件抗疲劳性能或抗延迟断裂性能方面 材料的优劣是决定紧固件质量的根本，“高强 提供有益的借鉴。度紧固件用合金钢和调质钢的开发研究”也是工信参考文献： 部“十二五”规划中所提到的12种标志性基础材料1王柏琴，陈录如，陈先峰，高强度螺栓连接m北京：冶金工业 之一。出版社，19912惠卫军等，高强度紧固件用钢m北京：冶金工业出版社，国内，在国家重点基础研究发展计划“新一代2009，2130钢铁材料的重大基础研究(g1998061503)”及国家 3廖景娱等，金属构件失效分析m北京：化学工业出版社，“十五”科技攻关计划“新一代高强度螺栓钢研究与2003，173175开发(2002ba314808