加載速率對(duì)動(dòng)車組Huck鉚釘剪切性能影響的研究

王永巖，張向峰，閆蕾蕾

(青島科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266061)

【新材料】

加載速率對(duì)動(dòng)車組Huck鉚釘剪切性能影響的研究

王永巖，張向峰，閆蕾蕾

(青島科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266061)

針對(duì)動(dòng)車組速度不斷提高而造成的Huck鉚釘在運(yùn)行中頻繁斷裂的問題，應(yīng)用萬能材料力學(xué)試驗(yàn)機(jī)對(duì)Huck鉚釘鉚接件在不同的加載速率下進(jìn)行鉚釘剪切試驗(yàn)，研究加載速率對(duì)其剪切力學(xué)性能的影響。通過對(duì)比3組不同加載速率下的Huck鉚釘?shù)募羟性囼?yàn)數(shù)據(jù)以及鉚接件載荷-位移曲線，得出隨著加載速率的增加，Huck鉚釘?shù)膹椥云瘘c(diǎn)平均載荷值、塑性起點(diǎn)平均載荷值以及彈性區(qū)間均減小而剛度有所增加等規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)采用的Cr12MoV冷作模具鋼洛氏硬度值HRC范圍在40～50之間時(shí)，鉚釘孔幾乎不變形且鉚接試件在動(dòng)態(tài)載荷下不易斷裂。本文獲取的相關(guān)結(jié)論對(duì)Huck鉚釘在動(dòng)車組上的設(shè)計(jì)與改進(jìn)將起到重要的參考作用。

Huck鉚釘；加載速率；剪切性能

焊接、鉚接以及螺栓連接是動(dòng)車組零部件連接中的三大主要形式。長(zhǎng)期以來，焊接是其中最主要的連接形式。但是，焊接過程容易產(chǎn)生殘余應(yīng)力以及構(gòu)件變形，尤其是對(duì)相對(duì)較薄的鋼板來說，焊接變形較大。普通鉚釘或螺栓等緊固件，連接可靠性相對(duì)較低，后期維護(hù)成本高。與普通鉚釘和螺栓等緊固件不同，Huck鉚釘是利用胡克原理，通過專用氣動(dòng)拉鉚槍，在拉力的作用下，拉伸鉚釘栓桿，推動(dòng)擠壓套環(huán)，將套環(huán)擠壓到環(huán)槽的栓桿上，從而產(chǎn)生永不松動(dòng)的特性，防松性好、連接強(qiáng)度高，在動(dòng)車組上應(yīng)用日趨廣泛[1-2]。

隨著動(dòng)車組的不斷提速，軌道不平順引起的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能問題顯得尤為突出。在周期檢修中發(fā)現(xiàn)，列車的鉚接結(jié)構(gòu)中的Huck鉚釘經(jīng)常出現(xiàn)斷裂脫落，嚴(yán)重影響了列車高速行駛的安全性。因此，有必要對(duì)Huck鉚釘?shù)膭?dòng)態(tài)特性進(jìn)行研究。本文應(yīng)用300 kN萬能材料力學(xué)試驗(yàn)機(jī)，在不同的加載速率下對(duì)動(dòng)車組用的Huck鉚釘進(jìn)行剪切試驗(yàn)研究，分析加載速率對(duì)Huck鉚釘剪切性能的影響，為動(dòng)車組Huck鉚釘?shù)膽?yīng)用以及鉚接件改進(jìn)提供參考依據(jù)[3-5]。

圖1 Huck鉚釘結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of Huck rivet

1 試件及試件夾具

1.1 試件結(jié)構(gòu)及性能參數(shù)

本次Huck鉚釘動(dòng)態(tài)剪切試驗(yàn)采用美國(guó)進(jìn)口SUS304牌號(hào)不銹鋼的M4Huck鉚釘，其夾緊力為8 030 N, 拉伸力為16 680 N。Huck鉚釘?shù)慕Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 試件夾具結(jié)構(gòu)形式

圖2 折彎板結(jié)構(gòu)圖Fig.2Structure diagram of bending plate

圖3 鉚接試樣結(jié)構(gòu)圖Fig.3Structure diagram of the rivet sample

1.3 試件夾具性能要求

考慮到折彎板孔徑對(duì)鉚釘?shù)募羟行阅苡幸欢ǖ挠绊慬8]，因此在進(jìn)行鉚接件的動(dòng)態(tài)拉伸試驗(yàn)過程中，應(yīng)盡量保證折彎板鉚釘孔不變形。本試驗(yàn)通過控制折彎板的硬度值來確保鉚釘孔的變形程度，硬度越高，鉚釘孔的變形程度越低，但是高硬度值的折彎板脆性較高，在動(dòng)態(tài)拉伸試驗(yàn)過程中容易發(fā)生斷裂。

本文以Cr12MoV冷作模具鋼的洛氏硬度值為參考指標(biāo)，取3組不同的洛氏硬度值的試件夾具進(jìn)行試驗(yàn)，采用位移加載控制方法，加載速率為2.5 mm/min，直至鉚釘被剪斷停止試驗(yàn)，圖4a、b和c給出了不同洛氏硬度值的試件夾具試驗(yàn)后的效果圖。

(1)硬度值HRC范圍在35 ～ 40左右(圖4a)。在該范圍內(nèi)，試件夾具鉚釘孔處由于材料過軟，在鉚接件的動(dòng)態(tài)拉伸過程中，因Huck鉚釘與鉚釘孔接觸應(yīng)力較大，易發(fā)生擠壓屈服，導(dǎo)致鉚釘孔被擠壓變形，但鉚釘孔周邊無明顯裂紋產(chǎn)生，試件夾具不易斷裂。

(2)硬度值HRC范圍在40 ～ 50左右(圖4b)。在該范圍內(nèi)，通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，試件夾具在動(dòng)態(tài)拉伸后，鉚釘孔處幾乎不變形，且在多次動(dòng)態(tài)拉伸過程中，試件夾具不發(fā)生斷裂。

(3)硬度值HRC范圍在50 ～ 60左右(圖4c)。在該范圍內(nèi)鉚接件的動(dòng)態(tài)拉伸過程中，鉚釘孔不發(fā)生變形，但是由于材料硬度過高，塑性較低，導(dǎo)致試件夾具在動(dòng)態(tài)拉伸過程中鉚釘孔周易產(chǎn)生裂紋，持續(xù)加載，試件夾具易斷裂。

綜上分析，本文采用洛氏硬度值HRC為45的Cr12MoV材料冷作模具鋼進(jìn)行試驗(yàn)。

圖4 不同硬度值試件夾具效果圖Fig.4 Design sketch of test pieces with different hardness

2 試驗(yàn)方案及結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)方案

?參見習(xí)近平《決勝全面建成小康社會(huì) 奪取新時(shí)代中國(guó)特色社會(huì)主義偉大勝利》，人民出版社2017年版，第24、49、31頁。

參照國(guó)標(biāo)GB/T3098.18—2004[7]，應(yīng)用美國(guó)美特斯公司生產(chǎn)的300 kN萬能材料力學(xué)試驗(yàn)機(jī)，對(duì)圖3所示的鉚接試樣分別在2.5 mm/min、5 mm/min以及10 mm/min的不同加載速率下進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。采用成組法，每個(gè)速率水平下取3個(gè)試件，通過萬能材料力學(xué)試驗(yàn)機(jī)夾頭夾持圖3所示鉚接試樣距兩端1/3處，夾持過程中保持鉚接試樣相對(duì)于試驗(yàn)臺(tái)的垂直角度，盡量減小由于裝夾不正而導(dǎo)致鉚釘承受附加彎矩作用而影響試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，詳見圖5。

圖5 試驗(yàn)機(jī)及鉚接試樣夾持圖Fig.5Photos of test machine and riveting sample clamp

2.2 試驗(yàn)分析

本文取彈性階段起點(diǎn)載荷值，塑性階段起點(diǎn)載荷值，彈、塑性階段起點(diǎn)差值以及Huck鉚釘最大抗剪力作為研究加載速率對(duì)Huck鉚釘剪切性能影響的參考參數(shù)，3組試件的參考參數(shù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

表1 Huck鉚釘鉚接試樣在不同加載速率下測(cè)試結(jié)果

圖6 彈性起點(diǎn)載荷平均值與加載速率關(guān)系曲線Fig.6Relation curve between average load value of elastic starting point and loading rates

圖7 塑性起點(diǎn)載荷平均值與加載速率關(guān)系曲線Fig.7Relationship curve between average load value of plastic starting point and loading rates

2.2.1 加載速率對(duì)Huck鉚釘彈性起點(diǎn)影響

通過表1給出的試驗(yàn)數(shù)據(jù),結(jié)合圖6所示的彈性起點(diǎn)載荷平均值與加載速率的關(guān)系曲線，可以看出隨著加載速率的增加，Huck鉚釘?shù)膹椥云瘘c(diǎn)載荷值呈單調(diào)降低趨勢(shì)。加載速率為2.5 mm/min時(shí)，彈性起點(diǎn)載荷平均值為5 571.1 N；當(dāng)加載速率增加至10 mm/min，彈性起點(diǎn)載荷平均值降至4 486.5 N，相比下降19.5%。

2.2.2 加載速率對(duì)Huck鉚釘塑性起點(diǎn)影響

對(duì)比表1給出的3種不同加載速率下Huck鉚釘?shù)乃苄云瘘c(diǎn)載荷平均值，可以發(fā)現(xiàn)Huck鉚釘塑性起點(diǎn)平均載荷值隨加載速率的增加而減小，加載速率為2.5 mm/min時(shí)，塑性起點(diǎn)載荷平均值為13 418.9 N；當(dāng)加載速率增加至10 mm/min，塑性起點(diǎn)載荷平均值降至9 668.2 N，相比下降27.9%。通過圖7也可明顯看出塑性起點(diǎn)平均載荷值與加載速率的關(guān)系。

2.2.3 加載速率對(duì)Huck鉚釘彈性區(qū)間影響

彈、塑性起點(diǎn)差值，即彈性區(qū)間與加載速率的關(guān)系可以從表1以及圖8中看出。由表1可見，當(dāng)加載速率分別為2.5、5、10 mm/min時(shí)，Huck鉚釘?shù)膹棥⑺苄云瘘c(diǎn)平均差值分別為7 847.8 N、7712.2 N和5 181.7 N，下降33.9%。圖8給出了彈、塑性起點(diǎn)平均差值與加載速率的關(guān)系曲線，可以看出彈、塑性起點(diǎn)平均差值隨加載速率單調(diào)遞減。

2.2.4 加載速率對(duì)Huck鉚釘抗剪強(qiáng)度影響

由表1的試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)合圖9所示的最大抗剪力與加載速率的關(guān)系曲線，可以看出鉚釘?shù)淖畲罂辜袅s為20 kN,與加載速率無明顯規(guī)律可循，可認(rèn)為鉚釘?shù)目辜魪?qiáng)度在10 mm/min的加載速率之內(nèi)，幾乎不受加載速率的影響。

圖8 彈、塑性起點(diǎn)差值與加載速率關(guān)系曲線Fig.8Relationship curve between the difference of elastic and plastic origin points and loading rates

圖9 最大抗剪力與加載速率關(guān)系曲線Fig.9Relationship curve between maximum shear stress and loading rates

2.2.5 加載速率對(duì)Huck鉚釘剛度影響

圖10 不同加載速率下Huck鉚釘鉚接試樣拉伸性能曲線Fig.10 Tensile property curves of riveting sample of Huck rivet with different loading rates

圖10給出了3種不同加載速率下，Huck鉚釘鉚接試樣的拉伸性能曲線。從圖中可以明顯看出，隨著加載速率的增加，Huck鉚釘?shù)木€彈性階段的斜率增大，即鉚釘?shù)膭偠仍黾印Ｅc此同時(shí)，Huck鉚釘?shù)淖畲罂辜袅缀醣３植蛔?，大約在20 kN左右，與圖9給出的關(guān)系曲線相吻合。此外，Huck鉚釘最大抗剪力對(duì)應(yīng)的位移值隨加載速率的增加而減小。

2.2.6 破壞模式

根據(jù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，不同加載速率下，鉚釘?shù)臄嗔咽Х绞酱笾孪嗤?，均是在兩折彎板試件夾具接觸面處的剪切面發(fā)生斷裂，而鉚釘頭部與折彎板試件夾具接觸面以及套環(huán)端面與折彎板試件夾具接觸面無明顯裂紋。從圖11的鉚釘斷裂失效圖可以看出，鉚釘?shù)臄嗫谳^為平整，斷面收縮較小，可知Huck鉚釘?shù)乃苄宰冃文芰^低[9-15]。

圖11 鉚釘失效圖Fig.11 Failure diagram of the rivet

3 結(jié)論

本文通過對(duì)不同洛氏硬度的Cr12MoV冷作模具鋼折彎板夾具進(jìn)行試驗(yàn)分析，發(fā)現(xiàn)在洛氏硬度值HRC 40 ～ 50范圍內(nèi)進(jìn)行Huck鉚釘動(dòng)態(tài)剪切試驗(yàn)，折彎板鉚釘孔變形最小。選取3種不同加載速率對(duì)Huck鉚釘進(jìn)行剪切性能研究，發(fā)現(xiàn)隨著加載速率的增加，Huck鉚釘?shù)膹椥云瘘c(diǎn)平均載荷值、塑性起點(diǎn)平均載荷值以及彈、塑性起點(diǎn)平均差值均呈現(xiàn)單調(diào)遞減趨勢(shì)，而加載速率對(duì)Huck鉚釘?shù)淖畲罂辜袅τ绊懖淮蟆Ａ硗?，通過不同加載速率下的Huck鉚釘鉚接試樣的拉伸性能曲線對(duì)比研究，得出隨著加載速率的增加，Huck鉚釘?shù)膭偠仍黾?，并且最大抗剪力?duì)應(yīng)的位移值呈現(xiàn)減小趨勢(shì)。

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Impact of loading rate on shear property of Huck rivet of EMUs

WANG Yong-yan, ZHANG Xiang-feng, YAN Lei-lei

(School of Mechanical and Electrical Engineering, Qingdao University of Science & Technology, Qingdao 266061,China)

∶ For the issue of continual speed increase of EMUs caused frequent Huck rivet rapture, we employ universal mechanical testing machine to perform rivet shear test for riveting components of Huck rivet with different loading rates to investigate the impact of loading rate on its shear mechanical property. Through the comparison of the shear test data and the load-displacement curve of Huck rivet of three different loading rates, we discover that average load value of elastic and plastic starting points and elastic scope of Huck rivet all decrease with the increase of loading rate, but its stiffness increases. Test results show that Huck rivet is not distorted and rivet hole is not apt to break when the HRC of Cr12MoV Cold Working Die steel is within the scope of 40～50. The relevant conclusion will provide significant reference for the design and improvement of Huck rivet of the EMUs.

∶Huck rivet; loading rate; shear property

10.3976/j.issn.1002-4026.2016.06.010

2016-06-16

教育部科技發(fā)展中心項(xiàng)目(20133719110005)

王永巖(1956—)，男，博士，教授，研究方向?yàn)檎駝?dòng)與控制、結(jié)構(gòu)仿真預(yù)測(cè)以及力學(xué)。E-mail：wangyongyan168@163.com

TB302.2

A

1002-4026(2016)06-062-06