動(dòng)車組車下鉚接結(jié)構(gòu)分析及狀態(tài)評(píng)估

李孝勇　萬國強(qiáng)　李來彬

摘 要：文章針對(duì)動(dòng)車組車下鉚接結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，對(duì)已運(yùn)用10年的動(dòng)車組用結(jié)構(gòu)件進(jìn)行分解研究，評(píng)估其運(yùn)用狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：鉚接結(jié)構(gòu)；動(dòng)車組；失效分析；疲勞試驗(yàn)

1 概述

鉚接結(jié)構(gòu)作為一種有效的機(jī)械連接形式，在機(jī)械結(jié)構(gòu)中被廣泛應(yīng)用[1]。由于鉚接結(jié)構(gòu)具有良好的安裝性能、防松性能、特有的抗剪力和高夾緊力[2]、低檢修、免維護(hù)性等特點(diǎn)，在高速動(dòng)車組領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。高速動(dòng)車組是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，輪軌耦合及高速運(yùn)行產(chǎn)生的氣動(dòng)載荷對(duì)車下鉚接結(jié)構(gòu)影響較大，在動(dòng)車組高速運(yùn)行時(shí)，若鉚接結(jié)構(gòu)存在失效，會(huì)造成飛濺，容易擊傷人或擊打到其他設(shè)備，甚至?xí)斐稍O(shè)備脫落，釀成嚴(yán)重后果。為保障列車的安全、可靠運(yùn)營，消除安全隱患，需對(duì)高速動(dòng)車組車下鉚接結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析及狀態(tài)監(jiān)控。

2 車下鉚接結(jié)構(gòu)的應(yīng)用

（1）設(shè)備安裝用鉚接結(jié)構(gòu)如圖1所示、管線支架鉚接結(jié)構(gòu)。

（2）設(shè)備艙底板用鉚接結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3 鉚接結(jié)構(gòu)分析

（1）安裝設(shè)備用鉚接結(jié)構(gòu)，鉚釘承受橫向剪切、結(jié)構(gòu)共振等復(fù)合載荷，可能會(huì)使基體安裝孔變形，從而導(dǎo)致鉚釘傾斜，引起設(shè)備異常振動(dòng)；鉚釘承受垂向拉伸載荷也可能改變鎖緊環(huán)與鉚釘圓弧凹槽密貼程度，導(dǎo)致預(yù)緊力的下降。

（2）設(shè)備艙底板組裝大量采用鉚接結(jié)構(gòu)，由于此結(jié)構(gòu)直接暴露在車輛底部，受結(jié)構(gòu)共振、氣動(dòng)載荷的影響，可能會(huì)使鉚釘產(chǎn)生疲勞斷裂，導(dǎo)致鉚釘脫落。

4 研究的內(nèi)容及方法

4.1 對(duì)車下鉚接結(jié)構(gòu)分解研究

對(duì)已經(jīng)運(yùn)用10年的鉚接結(jié)構(gòu)進(jìn)行分解檢查，以換氣裝置逆變器用鉚接結(jié)構(gòu)作為試驗(yàn)樣件如圖3所示。

4.1.1 研究方法

自鉚釘套環(huán)與墊塊的交界處將鉚釘切斷，鉚釘自動(dòng)從孔內(nèi)脫出，對(duì)鉚接母材、鉚接件、墊片、鉚釘、鉚釘套環(huán)周邊進(jìn)行形貌觀察，對(duì)橫梁安裝孔和過渡梁安裝孔進(jìn)行圓度檢測(cè)，對(duì)各部件進(jìn)行探傷。以研究各安裝部件是否存在裂紋，各安裝面是否存在相互運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的摩擦痕跡，各安裝孔圓度是否存變橢圓的跡象，以判斷鉚接結(jié)構(gòu)是否失效或存在失效趨勢(shì)。

4.1.2 研究過程

（1）通過對(duì)各部件形貌檢測(cè)，各接觸面之間未見明顯的微動(dòng)磨損形貌，證明各部件之間的緊固狀態(tài)良好。

（2）由于設(shè)備過渡支架與橫梁對(duì)使用安全影響最大，故僅對(duì)兩者的孔尺寸進(jìn)行計(jì)量，評(píng)估是否存在塑性變形。測(cè)量結(jié)果見表1。數(shù)據(jù)顯示兩個(gè)孔的直徑都不均勻，圓度不均勻；由于鉚釘孔呈腰鼓形（中間粗、兩端細(xì)），這種形狀也不太可能是工作時(shí)磨損所致?？讏A度不均勻應(yīng)不是工作過程中發(fā)生的變形，可能與加工有關(guān)。

（3）將各部件沿軸向剖切成兩半，進(jìn)行熒光檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)裂紋顯示。

（4）采用體視顯微鏡，對(duì)七部件的孔內(nèi)壁形貌進(jìn)行觀察，各部件形貌均不符合典型的微動(dòng)磨損特征。

（5）對(duì)鉚釘表面進(jìn)行熒光檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)裂紋。用體視顯微鏡觀察，其表面未見明顯損傷。

4.1.3 小結(jié)

根據(jù)以上檢測(cè)結(jié)果，各接觸面之間未見明顯的微動(dòng)磨損形貌，鉚釘孔圓度測(cè)量不均勻，無損檢測(cè)未見裂紋，孔內(nèi)壁無微動(dòng)損特征，鉚釘表面形貌正常且未見損傷。證明鉚接結(jié)構(gòu)無失效特征，目前狀態(tài)良好。

4.2 設(shè)備艙底板研究

系統(tǒng)了解其鉚接結(jié)構(gòu)的性能，對(duì)設(shè)備艙底板用鉚釘進(jìn)行了機(jī)械性能檢測(cè)和疲勞試驗(yàn)驗(yàn)證。

4.2.1 機(jī)械性能檢測(cè)

選取在設(shè)備艙底板中應(yīng)用較為廣泛的鉚釘（不銹鋼鉚C6L90-U8-3），進(jìn)行拉伸試驗(yàn)與剪切試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果見表2。

根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，樣件的最小抗剪切載荷為12.65KN大于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值12.25KN，最小抗拉力載荷為17.68KN是標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值的1.4倍，試驗(yàn)結(jié)果表明此種鉚釘本身的機(jī)械性能符合要求。

4.2.2 鉚接結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)

疲勞試驗(yàn)子樣件選取典型鉚接結(jié)構(gòu)，共計(jì)8個(gè)子樣件。采用MTS810材料試驗(yàn)機(jī)，進(jìn)行拉伸疲勞試驗(yàn)[3]，采用對(duì)稱循環(huán)進(jìn)行加載試驗(yàn)，即循環(huán)應(yīng)力比為r=-1。子樣件材質(zhì)為不銹鋼（SUS304，厚度3mm），采用鉚釘C6L90-U8-3（不銹鋼），鉚釘套環(huán)3LC-2CU-8（不銹鋼），試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖見圖4，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3。

試驗(yàn)中對(duì)疲勞試驗(yàn)次數(shù)超過200萬次的工件按照200萬次記錄，數(shù)據(jù)見表3，結(jié)果表明，設(shè)備艙底板用鉚接的疲勞斷裂次數(shù)隨拉伸力的增加而減少，在拉伸力達(dá)到2KN時(shí)，疲勞斷裂次數(shù)出現(xiàn)銳減。但工件5的試驗(yàn)結(jié)果與相近工況的試驗(yàn)結(jié)過果差別很大，結(jié)合樣件斷口的形貌，分析為施工不規(guī)范導(dǎo)致，表明施工的差異性對(duì)鉚接性能的影響很大。

4.2.3 小結(jié)

結(jié)合鉚釘?shù)臋C(jī)械性能和疲勞試驗(yàn)結(jié)果，鉚接結(jié)構(gòu)的斷裂形式表現(xiàn)為鉚接件首先發(fā)生變形斷裂，證明鉚釘?shù)膹?qiáng)度滿足設(shè)備艙運(yùn)用要求。另外，觀察鉚釘斷裂部位的鉚接件母材，無1例母材裂紋，說明結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足運(yùn)用要求。

5 結(jié)束語

經(jīng)過以上車下鉚接結(jié)構(gòu)的研究，結(jié)果表明設(shè)備安裝用鉚接結(jié)構(gòu)安全可靠，運(yùn)用狀態(tài)良好。設(shè)備艙用鉚接結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)滿足要求，設(shè)計(jì)安全可靠。證明車下鉚接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)滿足動(dòng)車組運(yùn)用要求，且運(yùn)用狀態(tài)良好。

參考文獻(xiàn)

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[2]肖貴.哈克拉鉚釘技術(shù)在車輛中的應(yīng)用[J].科技經(jīng)濟(jì)市場(chǎng)，2010（7）：20.

[3]吳志偉.拉鉚釘工藝在客車車身輕量化中的應(yīng)用[J].產(chǎn)業(yè)與科技論壇，2015，14（8）：68-69.

作者簡介：李孝勇（1983-），男，中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司技術(shù)中心，從事動(dòng)車組的研發(fā)設(shè)計(jì)工作。