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（整期优先）网络出版时间：2022-04-21

作者: 赵文平

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铁路客车水箱安装螺栓强度分析

赵文平

中车唐山机车车辆有限公司产品研发中心河北唐山 063035

【摘要】铁路车辆运营时产生各个方向的振动，对车上的安装设备及其联接结构的可靠性带来不利影响。以铁路客车水箱安装结构的螺栓为研究对象，通过有限元分析，获取了工作状态下的螺栓受力，再应用机械设计方法对其进行了强度校核，分析得出水箱安装结构的螺栓联接强度满足设计要求。

【关键词】螺栓强度；有限元；铁路客车

1 前言

近年来我国铁路迅速发展，极大地方便了人们的出行，缓解了客运压力。为了保证车辆平稳运行，结构的安全可靠性至关重要。铁路车辆的许多吊装设备联接采用螺栓，是联接结构中的重要部件，因此，结构设计阶段有必要对螺栓联接强度进行校核。目前，对螺栓强度的分析主要是理论计算和有限元研究两方面，理论计算可以采用《机械设计》方法或《VDI2230螺栓强度校核标准》进行校核，两种方法都是以弹性变形理论为基础，按照力学公式评估螺栓强度。有限元研究方面，可以采用实体单元模拟螺栓进行非线性分析，计算结果中直观地显示螺栓的应力分布情况；但该方法建模时间长，接触难收敛，非线性计算工作量大。

本文采用有限元分析与理论计算相结合的方法校核螺栓强度。以铁路客车水箱安装结构的联接螺栓为研究对象，建立水箱安装结构的有限元模型，基于设计标准施加载荷工况，提取螺栓工作力，再结合《机械设计》方法对螺栓强度进行评估，从而为螺栓联接强度分析及设计提供理论依据。

2水箱结构有限元模型

2.1建立有限元模型

水箱结构由钢板焊接而成,有6处安装座，沿水箱的横、纵中心线对称分布，通过12个M16的螺栓安装于车顶吊座上。建立有限元模型时，凡是对结构刚度及局部强度有贡献的部分都予以考虑。利用Hypermesh软件，主要采用壳单元对水箱结构进行离散，联接螺栓采用梁单元与刚性单元结合的方法模拟。水箱有限元模型如图1所示。

图1 水箱有限元模型

2.2计算工况及边界条件

依据TB3550.1-2020《机车车辆强度设计及试验鉴定规范第一部分：客车车体》确定各计算载荷和工况，静强度工况为沿车体纵向3g，横向1g，垂向（1±c）g，g为重力加速度；c在车体端部取2。疲劳载荷工况为纵向、横向、垂向各±0.15g的循环载荷。

3水箱安装结构螺栓强度校核

3.1螺栓静强度分析

螺栓在安装时,每个螺栓受有预紧力Q_P ,当承受轴向工作载荷F后,由于螺栓和被联接件的弹性变形,螺栓所受的总拉力不等于预紧力Q_P和工作拉力F之和,而是与Q_P、F和螺栓刚度C_L及联接件的刚度C_F有关,当应变在弹性变形范围内,各零件受力可根据静力平衡和变形协调条件进行分析。因此,螺栓所受总的轴向力Q等于预紧力加上部分工作载荷，如公式（1）：

(1)

其中，为螺栓的相对刚度，其与螺栓及被联接件的材料、尺寸、结构形状和垫片等因素有关，数值在0到1之间变动，可通过计算或实验确定。设计时一般可按照垫片类别选取设计手册中的推荐值。本文中的螺栓联接采用金属垫片，相对刚度取值0.3。F为工作拉力，结构复杂时，可借助有限元分析获得螺栓的工作受力。根据拧紧力矩T和螺栓的公称直径d按照公式（2）计算螺栓所受的预紧力Q_P。紧螺栓联接时，受到拉伸与扭转应力的复合作用，但计算时仍可按纯拉伸来计算紧螺栓的强度，按第四强度理论，可将拉力增大30%，以考虑扭转力矩的影响，则螺栓应力计算见公式（3）。根据螺栓危险截面直径，按公式（4）计算危险截面积。螺栓危险截面的拉伸强度应小于螺栓的屈服强度，满足公式（5）。