鐵路貨車專用拉鉚銷的研制

劉 宇，伏 凱，趙祥云

（眉山南車緊固件科技有限公司，四川 眉山 620010）

0 引言

鐵路貨車基礎(chǔ)制動(dòng)裝置是鐵路貨車的重要組成部分，是鐵路貨車安全運(yùn)行的重要保證。在鐵路貨車基礎(chǔ)制動(dòng)裝置既有質(zhì)量問題中，有很大部分是連接失效問題，由于連接失效造成基礎(chǔ)制動(dòng)裝置脫落、丟失等故障，嚴(yán)重威脅鐵路貨車的行車安全。

拉鉚銷是利用拉鉚技術(shù)與圓銷結(jié)構(gòu)相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)鉸接連接功能的一種新型連接件，在研制過程中需要對拉鉚銷結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)，并保證各項(xiàng)力學(xué)性能符合技術(shù)要求。本文以DMXP20-40-T12為例，采用有限元分析方法對安裝使用過程中金屬塑性成形的應(yīng)力、應(yīng)變、行程載荷等各項(xiàng)力學(xué)性能進(jìn)行分析計(jì)算情況，并對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化，經(jīng)計(jì)算表面拉鉚銷各項(xiàng)力學(xué)性能符合技術(shù)要求，可以開展樣件試制試驗(yàn)工作。

1 拉鉚銷的有限元分析

1.1 有限元模型構(gòu)建及參數(shù)設(shè)定

圖1為拉鉚銷、墊圈和套環(huán)及鉚接器槍頭和卡爪的FEM 圖，鉚接時(shí)鉚接器槍頭軸向相對運(yùn)動(dòng)并擠壓套環(huán)變形，套環(huán)被擠壓到拉鉚銷的環(huán)型槽中形成連接，拉脫時(shí)拉脫板軸向相對運(yùn)動(dòng)并對拉鉚銷頭部和墊圈施力，迫使套環(huán)從拉鉚銷環(huán)形槽中脫出，由于在鉚接過程和拉脫過程中套環(huán)和拉鉚銷環(huán)槽受到較大的變形和應(yīng)力，因此對其采取局部細(xì)化網(wǎng)格提高模擬精度[1，2]。

在拉鉚銷有限元過程中采用剪切摩擦模型，冷擠壓摩擦系數(shù)取0.08。鉚接器和拉脫板移動(dòng)速度分別設(shè)置為10mm/s，最小網(wǎng)格為0.05～0.07mm，單步設(shè)置為0.02mm。

圖1 有限元分析圖Fig.1 FEA analysis

1.2 有限元分析結(jié)果

（1）鉚接過程有限分析。圖2 中為三種不同型號拉鉚銷鉚接過程行程—載荷曲線圖，可以看出隨著鉚接器載荷的增加，套環(huán)逐漸變形，鉚接過程行程與載荷呈近似線形關(guān)系，到鉚接距離為11.3mm時(shí)，鉚接力達(dá)到最大值38.2kN，最終需要的鉚接力小于短尾保證載荷，因此短尾部分結(jié)構(gòu)強(qiáng)度可以承受鉚接過程力學(xué)性能要求，設(shè)計(jì)合理。拉鉚銷的最大等效應(yīng)力為982MPa，出現(xiàn)在環(huán)槽的頂部；套環(huán)的最等效應(yīng)力為763MPa，出現(xiàn)在與拉鉚銷環(huán)形槽接觸處，如圖3所示。

圖2 鉚接過程行程—載荷曲線Fig.2 Stroke-load curve of analysis during riveting

圖3 鉚釘和套環(huán)應(yīng)力分布云圖Fig.3 Stress analysis for the pin&collar

（2）拉脫過程有限分析。拉鉚銷拉脫為套環(huán)的法蘭面受到向外的軸向力時(shí)，沿著拉鉚銷軸向方向使套環(huán)與銷分離的過程。在拉脫過程中，已擠壓到拉鉚銷環(huán)槽內(nèi)的金屬產(chǎn)生破壞變形。通過有限元分析可以得出，套環(huán)（或拉鉚銷）在軸向發(fā)生位移為1.17mm時(shí)，拉脫力達(dá)到最大，其值為92.1kN，如圖4所示。整個(gè)拉脫過程中，鉚釘?shù)淖畲蟮刃?yīng)力為1100MPa，套環(huán)最大的等效應(yīng)力為837MPa， 如圖5所示。

圖4 拉脫過程行程—載荷曲線Fig.4 Stroke-load curve of analysis during breaking

圖5 鉚釘和套環(huán)拉脫應(yīng)力云圖Fig.5 Stress clouds of the pin&collar during breaking

2 拉鉚銷的加工工藝

鉚釘坯料成型可選用熱鍛成型或冷鐓成型。熱鍛成型：一般的鍛壓設(shè)備可以滿足要求，一次性投入小，但需要進(jìn)行加熱，配件有氧化、脫碳，操作人員作業(yè)環(huán)境差等缺點(diǎn)；而冷鐓成型采用自動(dòng)方式供給盤料，包括切斷在內(nèi)的各個(gè)成形工序全是自動(dòng)化的，設(shè)備一次性投入大，但由于采用盤圓料，料頭損耗少，材料的利用率高，常溫條件下進(jìn)行成型，能改善金屬的機(jī)械性能，提高產(chǎn)品表面的光潔度和制造精度，冷鐓加工具有生產(chǎn)效率高，材料利用率高，提高零件疲勞性能等方面的優(yōu)異特性[3,4]。

常用的熱處理設(shè)備有箱式爐、井式爐、可控氣氛網(wǎng)帶爐等?？煽貧夥站W(wǎng)帶爐一次性投入大，但整個(gè)熱處理過程操作簡單，熱處理質(zhì)量容易控制，經(jīng)發(fā)藍(lán)處理后工件出爐及為成品，增大生產(chǎn)效率，生產(chǎn)成本降低，是批量生產(chǎn)拉鉚釘?shù)淖罴堰x擇。為了增強(qiáng)拉鉚釘?shù)哪透g性能，延長使用壽命，拉鉚釘需要進(jìn)行表面處理。常見的拉鉚釘表面處理方式主要有發(fā)藍(lán)、鍍鋅鈍化、鍍鎳、多元共滲或達(dá)克羅處理等[5]。

2.1 工藝路線

拉鉚銷工藝路線：原材料→下料→鐓鍛→滾絲→網(wǎng)帶爐熱處理→性能檢測→探傷→常溫發(fā)黑→上油→入庫。套環(huán)路線：原材料→套環(huán)鐓鍛→熱處理→表面處理→入庫。墊圈工藝路線：原材料→墊片沖壓（板材落料）→熱處理（含發(fā)黑）→性能檢測→上油→入庫。

2.2 工藝過程

拉鉚銷和套環(huán)的成型是采用鐓鍛機(jī)鐓鍛成型，拉鉚銷采用熱鐓鍛成型，套環(huán)采用冷鐓鍛成型。拉鉚銷制絲滾絲機(jī)滾絲。拉鉚銷熱處理為網(wǎng)帶式連續(xù)熱處理爐，有碳勢控制氣氛保護(hù)裝置，且表面需要在發(fā)黑槽中完成。套環(huán)和墊圈熱處理裝備為熱處理爐。拉鉚銷需要通過磁粉探傷檢查是否有裂紋缺陷。

3 拉鉚銷的試驗(yàn)

3.1 鉚接力試驗(yàn)

選擇質(zhì)量合格的拉鉚銷、套環(huán)和墊圈組裝好后，與鉚接槍筒按照鉚接位置安放在微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)的壓頭下；開啟試驗(yàn)機(jī)，緩慢平穩(wěn)的對試樣施加載荷，直至拉鉚銷套環(huán)完全變形到位，使用載荷—伸長曲線的最高峰值作為拉鉚銷套環(huán)鉚接力，圖6 是拉鉚銷鉚接試驗(yàn)行程載荷曲線，表1為鉚接試驗(yàn)分析數(shù)據(jù)。

3.2 短尾保證載荷試驗(yàn)

圖6 鉚接試驗(yàn)-行程載荷曲線Fig.6 Stroke-load curve of testing during riveting

表1 鉚接試驗(yàn)分析數(shù)據(jù)Tab.1 Data analysis of the testing

短尾保證載荷試驗(yàn)是拉鉚銷尾部短尾結(jié)構(gòu)斷裂所需要的最大載荷，選擇質(zhì)量合格的拉鉚銷在短尾保證載荷工裝上安裝好后（圖7），將工裝安放在萬能試驗(yàn)機(jī)的兩個(gè)夾頭之間，并使工裝中心線與試驗(yàn)機(jī)夾頭中心線對齊并夾緊工裝；開啟試驗(yàn)機(jī)，緩慢平穩(wěn)的對試樣施加載荷，直至拉鉚銷尾部短尾結(jié)構(gòu)斷裂，使用載荷—伸長曲線的最高峰值作為結(jié)構(gòu)失效載荷—短尾保證載荷。圖8為拉鉚銷短尾保證載荷試驗(yàn)行程載荷曲線，表2 是短尾保證載荷試驗(yàn)分析數(shù)據(jù)。

圖7 短尾保證載荷試驗(yàn)夾具圖Fig.7 Clamp for proof load test

圖8 短尾保證載荷試驗(yàn)-行程載荷曲線Fig.8 Stroke-load curve of proof load testing

表2 短尾保證載荷試驗(yàn)分析數(shù)據(jù)Tab.2 Comparison data from proof load test and analysis of bobtail

3.3 拉脫力試驗(yàn)

選擇質(zhì)量合格的拉鉚銷、墊圈和套環(huán)在拉脫工裝上鉚接（圖9）合格后，將工裝安放在微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)的兩個(gè)夾頭之間，并使工裝中心線與試驗(yàn)機(jī)夾頭中心線對齊并夾緊工裝；開啟試驗(yàn)機(jī)，緩慢平穩(wěn)的對試樣施加載荷，直至拉鉚銷和套環(huán)軸向完全脫離，使用曲線的第一個(gè)峰值作為結(jié)構(gòu)失效載荷—拉脫力。最大載荷為拉脫力，圖10 是拉鉚銷鉚接后拉脫試驗(yàn)行程載荷曲線，表3 是拉脫試驗(yàn)分析數(shù)據(jù)。

圖9 拉脫力試驗(yàn)夾具圖Fig.9 Clamp for breaking test

圖10 拉脫試驗(yàn)-行程載荷曲線Fig.10 Stroke-load curve of testing during breaking

表3 拉脫試驗(yàn)分析數(shù)據(jù)Tab.3 Comparison data from breaking test and analysis

4 應(yīng)用

拉鉚銷主要應(yīng)用在鐵路貨車的車體基礎(chǔ)制動(dòng)和轉(zhuǎn)向架基礎(chǔ)制動(dòng)中，車體基礎(chǔ)制動(dòng)裝置中制動(dòng)缸前、后杠桿與閘調(diào)器及上拉桿，制動(dòng)缸后杠桿與制動(dòng)缸后支點(diǎn)座，閘調(diào)器與控制杠桿，手制動(dòng)拉桿與鏈蹄環(huán)，手制動(dòng)動(dòng)滑輪、定滑輪等位置裝用拉鉚銷；轉(zhuǎn)向架基礎(chǔ)制動(dòng)裝置中固定杠桿支點(diǎn)與固定杠桿支點(diǎn)座，固定杠桿、游動(dòng)杠桿與制動(dòng)梁支柱，固定杠桿、游動(dòng)杠桿與中（下）拉桿間裝用專用拉鉚銷；柔性支點(diǎn)內(nèi)的鏈蹄環(huán)間裝用專用拉鉚銷。

公司組織人員先后走訪了沈陽、濟(jì)南、武漢、蘭州、西安、成都等鐵路局，對裝用拉鉚銷的鐵路貨車進(jìn)行追蹤調(diào)研，通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)拉鉚銷運(yùn)用狀況良好，無脫落、裂損、折斷或丟失現(xiàn)象，有效的解決了鐵路貨車基礎(chǔ)制動(dòng)裝置防脫、防盜問題，并在70t級及以上鐵路貨車上批量裝車運(yùn)用。

[1]劉建生，陳慧琴，郭曉霞.金屬加工[M].冶金上業(yè)出版社，2003.

[2]李尚健.金屬塑性成形過程模擬[M].機(jī)械工業(yè)出版社，1999.

[3]崔兆永.鐵路貨車專用拉鉚釘制造工藝與質(zhì)量控制系統(tǒng)研究[D].山東大學(xué)，2009.

[4]楊樹森，等.拉鉚釘及其在鐵路車輛中的應(yīng)用[J].鐵道車輛，2006，12.

[5]American Iron and Steel Institute(1997).1996 Edition of the Specification for the Design of Cold-formed Steel Structural Members,Washington.D.C,USA.