关于城际车用空气弹簧螺栓松动原因的研究

关于城际车用空气弹簧螺栓松动原因的研究

刘方涛、兰娜、方歆博、贾风里

中车青岛四方机车车辆股份有限公司 山东青岛 266000

摘要：针对某型号城际车空气弹簧螺栓松动问题进行原因分析，制定应对措施。

关键词：空气弹簧、螺栓、蠕变、扭矩

一、问题描述

2019年3月13日及3月16日，在某车上发生了异响，对装车状态进行了检查，发现一位侧空簧的上盖板与扣环之间存在漏风。3月18日，拆卸该空簧后发现上盖板的螺栓松动。随后对20列640个空簧进行了检查，发现48个空簧的上盖板与扣环之间有间隙。

二、原因分析

经调查分析，可能导致空气弹簧紧固面滑动、螺栓松动是以下3项原因复合作用造成的。

①因扣环的螺栓孔偏心导致紧固力低下，见图1；

②温度变化引起的上盖板膨胀与收缩，导致螺栓受到剪切载荷较大，见图2；

③气囊密封部橡胶蠕变引起的紧固力低下，见图1。

③橡胶蠕变

①局部压力增加

②螺栓剪切应力

图1 紧固部的示意图 　 图2 温度上升引起的变形（20℃→80℃）

1.扣环的偏心影响（原因①）

1.1 配件批次调查

针对空气弹簧组件以及图3中的部件（扣环，气囊，上面板，内六角埋头螺栓）进行了批次调查，松动发生批次时间段内有2项变更。

（1）2015年6月，扣环变更制造厂家；

（2）2015年6月，扣环电镀膜厚度从20μm改成为8μm。

关于电镀，因原材料未变更，座面的摩擦系数不会变，因此与螺栓的松动无关。综上，变更制造厂家，也可能是导致螺栓松动的原因。

1.2 故障产品螺栓松动再现试验（前后方向耐久试验）

对故障产品与新品进行前后方向耐久试验条件的松动再现试验，发现新品在将紧固扭矩低到30N·m时，没有松动的现象，但故障产品的紧固扭矩值为80N·m时，有发生松动的现象。对新品与故障产品的气囊交换后再进行实验，发现故障产品的螺栓有松动的现象。

从再现试验的结果以及上述批次的调查结果来看，现车的松动原因是，扣环与气囊双方带来的影响，尤其是扣环。

1.3 扣环尺寸调查

测量扣环沟部及孔位置尺寸，测量位置见图4，沟部测量结果见表1。故障产品与新品的沟部尺寸差异小，螺栓孔位置差异较大。因此，螺栓孔的偏心，有可能造成螺栓松动。

　　　　　　　　　　图4 孔位置的尺寸测定位置

表1 尺寸测定结果

表2 螺栓孔位置的从标称值测定的偏差量

*1 螺栓孔中心位置的偏差值为0.5mm。
1.4 螺栓孔偏心实验验证

通过FEM对螺栓孔偏心影响紧固状态情况进行实验，发现螺栓孔没有偏心的模型，锥面部分压力分布一致，螺栓孔中心距有0.2mm偏心的模型，只有局部接触，局部压力超过145MPa。

综上，因螺栓孔偏心量大，局部压力较高，螺栓配合部位发生塑性变形，从而引起螺栓紧固力损失。

2.温度变化对螺栓剪切力的影响（要因②）

2.1 三级修产品以及库存品的反转扭矩测验结果

调查某公司返厂三级修产品及某公司不同时间生产的库存新品空气弹簧螺栓的反转扭矩，发现虽然防松标记无错位，但跟新制造的空气弹簧相比，还是发生了反转扭矩降低，容易发生松动的倾向。三级修产品与2011年制造的库存品的反转扭矩没有很大的差别，因此判断该反转扭矩降低为自然衰减造成。

2.2 热老化试验

用106N·m的紧固扭矩来组装的新的密封片、上面板、气囊，再经过24个小时的80度加热（相当于橡胶的老化一年左右），最后在常温下进行冷却之后，测试反转扭矩值，取消密封片的状态下又一次进行了试验。

通常用106N·m紧固反转扭矩值在（90～100）N·m左右，但在热老化之后，不管有没有密封片的状况下，反转扭矩组值都有显著的上升。

综上所述，温度的变化会让反转扭矩增加以及螺栓松动，是影响紧固最重要的原因。

3.气囊紧固部的橡胶蠕变的影响（要因③）

3.1 扭矩与旋转角的关系

为了验证气囊的差异与紧固之间的关系，检测扭矩与旋转角的关系，使用故障产品，从非紧固的状态到106N·m，分阶段提升紧固的扭矩，发现紧固扭矩值为15N·m时是变曲点，扭矩在15N·m之后上面板与橡胶蠕变之间有金属接触，金属接触的部分为椭圆形形状。

用同一个气囊及上面板拧紧不同的密封垫，比较没有密封垫的情况，发现通过加装密封垫之后，旋转角扭矩的倾斜变小，推断，若橡胶部分有蠕变现象，会影响紧固力从而导致松动。

三、处置措施

综上，现车上螺栓松动最主要的原因为条件①和条件②，条件③虽然不是主要原因，但是与条件①及条件②同时发生会促进螺栓松动。根据以上原因制定如下措施：

1.螺纹部位由涂抹二硫化钼更改为厌氧胶，可防止紧固力低引起的螺栓松动；

2.为了改善螺栓孔的偏心问题，在加工阶段进行温度控制，通过空调将温度控制在约25°至28°进行加工，可以改善0.2mm左右的加工精度。

3.将螺栓紧固扭矩从106N·m增加至130N·m。

参考文献

[1]马玉强.高速动车组齿轮箱的负压试验研究 机车车辆工艺2016(6)

[2]王本涛.某型号齿轮箱漏油故障分析及处理 机车车辆工艺2020(3)