探究高速动车组轮装制动盘紧固连接技术

探究高速动车组轮装制动盘紧固连接技术

王俊

青岛四方阿尔斯通铁路运输设备有限公司  山东省青岛市 266111

摘要:制动盘是高铁动车上至关重要的重要核心部分,通过与闸片磨擦,可使列车在一定的刹车范围内进行减慢或停车,其运动稳定性直观关乎列车的运营状况以及乘员的身心安全系数。但随着列车向更高时速、重载方面快速发展,盘式刹车逐渐成为了列车制动时的最重要方法。而针对轮盘刹车工作方式,螺钉通常设定于制盘摩擦的表面上。本文首先针对紧固件的服役情况对制动盘紧固件设计进行了考虑,并进一步明确了制动盘螺钉对预紧方式力的要求;最后进行装配过程仿真测试,得出最佳的装配过程数据,使得制动盘紧固件轴向力更准确,分配更均衡,拧紧过程更安全。

关键词:高速公路动车;轮装刹车盘;固定件;产品设计校核;产品质量评估策略

随着列车逐渐向高转速、重载方向和目标快速发展,盘形刹车逐步成为列车制动操控的重要办法。轮装制动盘使用在相应部位的枪机,把制动盘与车轮连接。盘形刹车逐渐成为火车制动操控的主要形态。轮装制动盘通过一定总量的螺钉将制动盘和轮胎相连。对于轮盘制动控制方法,制动螺栓通常设定于与制动盘磨擦表面上,在刹车工作过程中制动盘的实际工作环境温度高于七百℃,而螺栓的工作温度也高于三百℃,所以对制动盘螺纹固定工艺也有了较高的需求。我们首次对制动盘紧固件开展工艺分析,明确制动盘螺钉预拧紧式力矩的适用范围。随后开展装配工艺仿真实验,获取最佳的装配工艺数据,并给出装配效率评估指标,使得制动盘紧固件轴流式力矩控制更准确、分配更均衡,拧紧工艺更安全。

1螺栓设计计算

制动盘螺钉配备预紧组织力量直接关乎制动盘的实际工作特点:如果螺钉预紧组织力小于规范标准,则正常管理工作时就会使枪机被剪或受到交变曲线外载荷,从而产生机器疲劳损伤;但如果预紧机构力超出规范标准,在迭加外载荷时将冲破枪机的屈服限制,从而形成机器损伤。所以过大还是过小的装配预紧机构力矩,均将冲击制动盘螺钉的正常工作性能,从而导致枪机损坏。

1.1螺栓受力分析

1.1.1有限元模型

选取了制动盘的最小对称单元,然后通过ABAQUS软件构建制动盘整体模型,并对模型进行了以下的简单处理:

(1)删除结构中小倒角、圆角和孔;

(2)不影响螺栓、螺母螺纹的作用。

针对实际情况,在螺钉联接面与隔套中间、隔套与盘体、盘体与轮毂中间及其螺栓和螺母与盘体中间设置了接触式约束,并充分考虑机械结合面间的热传递。制动盘紧固件的重要承载力由于制动盘受热膨胀而使得固定螺钉受到了很大的热拉伸负荷,因此能够同样得到温度场与应力场计算,可以应用直接法实现热机的相互耦合计算。

1.1.2边界条件

文章透过在磨擦面上施以热流密度模仿能量输人,透过设置材质的导热系数模仿内在能量传输,文章透过在磨擦面上施以热流密度模仿能量输人,透过设置材质的导热系数模仿内在热能传输,透过在制动盘表层施以对流换热系数模仿制动盘内层和气流之间的对流换热。计算确定某速动车组最大行驶时速下一个纯空气紧急制动工况,其刹车减车速随着刹车转速改变而变动。

1.2最小装配预紧力

螺栓上最小装配预紧机构力矩的计算,与制动盘紧固件最小夹紧力矩、最大预紧力矩损耗等问题密切相关。可通过采用有限元理论分析得到螺栓的轴向作用压力。

2组装拧紧方法研究

螺钉紧缩声的实质是把螺钉的轴向预紧力矩限制在规定的预紧机构的限度之内。目前,比较普遍的螺钉紧缩声法一般有扭矩法、旋转法、屈服点控制法等。但由于对制动盘固定件轴向力的限制已经是屈服限制的百分之七十,因此屈服点法已经不再应用。

2.1扭矩法

力矩法中拧紧时轴向力(F)与拧紧力矩(T)相互关系的一般联系如下图表示:T=KFD。式中:D为美制螺纹公称直径;K是力矩系数。由式中可看出,在紧缩声力矩和公称直径都确定后,产生影响轴向力的最主要原因就是扭矩系数。随着螺纹设计精确度、材质、表面状态、润滑要求等的不同,K值可能在0.1~0.5或更广的范围内变化。提高扭矩法拧紧精度的实质是为了限制K值的散差,因此需要对螺纹质量和接头结合表面的状态等有关工艺因素加以控制。

2.2转角法

转角法,就是首先把螺钉拧紧到某个较小的角力矩(也叫起始扭矩),然后再由此点开始,拧一次确定的转动的方式。旋转法是先将螺钉拧紧到一个不大的扭力(也叫初始扭力),再从此点开始,拧一个规定的旋转的调节方法。角头法拧紧时的轴向力矩,可由式式中:C为总硬度;C1为螺钉强度;C2为被联接件强度;Al为螺栓拉伸量;a为转角; P 为螺距。通过转角法拧紧螺栓后,螺栓所承受的总轴向力为由式子计算的轴向力和式子计算的轴向力之和。也叫起始扭矩),再从此点开始,拧一个规定的转角的控制方式。转角法拧紧时轴向力可由式式中: C 为总刚度;C1为螺栓刚度;C2为被连接件刚度; Al 为螺栓伸长量; a 为转角; P 为螺距。采用旋转法拧紧螺钉时,螺钉以所承受的总轴承力为由式子求得的轴向力和式子求得的轴承力之和。因为在控制转动拧紧流程中,磨擦外力对轴向力产生的影响已经不复出现,所以这种拧紧方式对轴向力的离散基本上依靠拧紧至初始力矩处产生的轴向力误差,所以其准确性也较单纯的力矩方法好。

3制动盘螺栓拧紧试验

为使制动盘的螺钉在拧紧过程中得到精确度更高、离散程度更小的预紧力矩,将开展如下系列测试检验。

3.1试验设备

本文将利用螺纹拧紧系统检测试验装置实现模拟组装实验,该装置可在不损伤螺钉本体的前提下,进行对螺纹紧固件拧松全过程系统、实时的动态检测,并根据弹性阶段螺钉轴流式力和螺钉的拉伸量成线性关系,通过现场采集的超声波检测技术飞行时间,从而确定了固定螺钉轴流式力。

3.2拧紧顺序

有关论文中指出,采用交错拧紧时的螺栓预紧应力离散比顺序拧紧时更小,并提出了交错拧紧方式,当螺钉数量为十二个时,就可确定螺钉紧缩声顺。本文也进行了验证。能够发现在后续螺栓拧紧过程中,要拧紧的螺钉预紧的压力值可能存在着轻微变化,而本文中已经做出了证明。我们可以发现在后续螺栓拧紧程序中,最先拧紧的螺栓预紧应力可能存在着轻微变化,且轴向应力的衰减一般大于百分之二,而螺栓在拧紧之后本身也会产生内部应力的松弛状态,因而可认为通过该拧紧方法基本能够减少螺栓内部的相互作用与损伤。

3.3转角法拧紧试验

3.3.1试验结果及分析

从部分旋转法技术参数的配合下螺钉轴向力测试结果中可发现,在多种旋转法技术参数下螺钉轴向力的平均值都和工程设计目标轴向力基本一致,且轴向力的变形范围也都满足预期设计条件。为比较在各种测量参数下轴向力的离散性,同样也为减少对平均值的负面影响,用变异性系数进行离散程度比较与评价,变异性系数越小说明轴向力的离散程度也越小。

4装配质量评价策略

螺纹紧缩声控制的主要目的,是为了保持紧固件轴流式压力在螺钉轴向的压力变异系数一定范围内。而在实际装配过程中轴向力检测则相对困难,但扭力却是一个容易检测且易显示的工作参数。因此通常将扭力作为评估与监测装配品质的一项关键参考。扭矩法质量评价策略，在评价实际装配产品质量中,初始扭力与旋转程序都较难进行,尽管旋转方法的拧紧方式与常规的扭矩法存在根本的差异。按照正态分布理论,假设扭矩落在范围以外的可能性低于千分之三,但实际情况中认为相应的情况没有出现。故在装配力矩控制区域,装配的力矩落在此区域内才是正确,否则应重新安装。

总结

(1)本文通过应用有限元方法和国际VDI2230标准相结合的方式对紧固件进行设计,从而进一步提高了制动盘紧固件设计准确度。

(2)通过根据测量结果所设定的制动盘螺栓扭矩转角的控制力矩范围,成为了判断螺栓拧紧工艺是否合理的重要依据,大大增强了制动盘的工作稳定性。

参考文献

[1]杜利清、黄彪、金文伟、胡小山、张海锋. 高速动车组轮装制动盘紧固连接技术研究[J]. 机械设计与制造工程, 2020, 49(8):5.

[2]黄彪, 杜利清, 金文伟,等. 高速动车组轮装制动盘装配工艺试验研究[J]. 铁道车辆, 2021.