基于VDI_2230标准的...撒砂装置关键连接件强度分析_胡欣欣.pdf

创新与实践TECHNOLOGY AND MAKETVol30，No2，2023基于 VDI 2230 标准的某撒砂装置关键连接件强度分析胡欣欣1，于利多2(1 北京交通大学结构强度检测实验室，北京 100044;2 北京汽车制造厂(青岛)有限公司研究总院，山东 青岛 266603)摘要:以 EN 13749 标准中的载荷要求为基础，通过有限元分析方法对撒砂装置进行了结构强度仿真分析。利用计算提取到的螺栓力结果，基于 VDI 2230 标准对关键位置螺栓进行强度校核与评估，对撒砂装置关键连接螺栓在产品设计阶段的选用与校核具有实际意义。关键词:撒砂装置;螺栓;EN 13749;VDI 2230Strength analysis of key bolt of sanding gear based on VDI 2230HU Xinxin1，YU Liduo2(1 Structural Strength Testing Laboratory of Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China;2 esearch Institute of Beijing Automobile Works(Qingdao)Co，Ltd，Qingdao 266603，China)Abstract:Based on the load requirements in the EN 13749 standard，the bolt force results obtained through the finite ele-ment analysis of the whole sanding gear And then the strength of key bolts is verified and evaluated according to the VDI2230 standard to ensure and guide the safety and reliability of bolt selection in the product design stageKeywords:sanding gear;bolt;EN 13749;VDI 2230doi:10 3969/j issn 1006 8554 2023 02 0020引言撒砂系统是机车车辆结构的重要组成部分，在紧急制动及恶劣天气、路况下，通过撒砂的方式增加车辆轮轨间粘着力的方式，发挥防滑的关键作用1。螺栓连接是某 CH2 平台动车组转向架撒砂装置安装臂与轴箱间的主要安装方式，为了保证关键螺栓连接的安全可靠，需要对其进行强度校核。本文结合有限元仿真方法和 VDI 2230 标准对该撒砂装置安装臂与轴箱间的安装螺栓进行强度校核与评估。1结构简介撒砂装置结构如图 1 所示，该结构的安装臂与轴箱通过 4 颗螺栓连接，螺栓规格为 M20 130，强度等级 8 8 级，紧固力矩为 200 Nm。螺栓安装位置及编号如图 2 所示。12357641定位节点;2轴箱体;3轴承;4垂向减振器;5安装臂;6托架;7撒砂口加热器。图 1撒砂装置结构4技术与市场创新与实践2023年第30卷第2期图 2螺栓安装位置及编号2有限元建模取整个撒砂装置进行有限元建模及仿真分析。采用 10 节点的四面体实体单元进行离散，采用 Beam单元模拟连接螺栓，端部加热器以集中质量的方式施加到安装位置上。整个撒砂装置共离散约 53 6 万个单元，85 5 万个节点。结构的有限元模型示意图如图 3 所示。图 3撒砂装置有限元模型3载荷工况参考实际装配中的配合情况，在撒砂装置的有限元仿真分析中，约束方式为:轴箱轴承中心位置施加三向约束;定位座中心处施加横向、纵向约束。撒砂装置的载荷工况参照 EN 13749:2011铁路应用 轮对和转向架 转向架结构要求的规定方法 执行，具体工况如表 1 所示。表 1载荷工况计算表工况垂向横向纵向150 g002010 g030010 g注:g=9 81 m/s2。4计算结果借助有限元软件 Ansys 对撒砂装置整体进行强度计算后，在计算结果中提取到轴箱体与撒砂装置之间的 4 根连接螺栓上的轴向力和横向力2。各连接螺栓上的轴向力和横向力结果见表 2，从表中可见 4号螺栓工作载荷最大。表 2各螺栓载荷计算结果单位:kN螺栓编号轴向力FAmax横向力FQmax轴向力FA110 02 65 4210 81 75 738 92 24 8421 23 110 95螺栓校核由于 4 号螺栓工作载荷最大，仅对该螺栓进行校核。结合试验参数以及 VDI 2230 附录 A1、A5 的建议，M20 螺栓、90%屈服极限利用率时的撒砂装置与轴箱间的连接螺栓的参数见表 3。5创新与实践TECHNOLOGY AND MAKETVol30，No2，2023表 3螺栓参数名称参数(螺栓规格 M20 130)强度等级8 8屈服强度/MPa640抗拉强度/MPa80090%屈服极限利用率安装预紧力 FMTab/kN109 13690%屈服极限利用率安装预紧扭矩 MA/(N m)308 655螺纹间摩擦系数 G0 08螺栓头部与垫片间摩擦系数 K0 13轴箱与安装臂之间摩擦系数 T0 15预紧系数 A1 15.1最小夹持力计算计算最小夹持力 Fkerf:FkerfFQmaxTmin qF(1)式中:FQmax为最大横向载荷;qF为内部力传递分界面数量。最小夹持力计算结果见表 4。表 4最小夹持力计算结果螺栓编号qFFkerf/kN4120 45.2载荷系数计算5.2.1螺栓的柔度系数计算因撒砂装置的安装螺栓没有弯矩作用，故不考虑弯曲柔度。需要考虑的螺栓的柔度系数包括:夹持长度范围内的弹性变形、夹持长度范围外的弹性变形以及螺纹配合处螺栓的变形影响。轴向柔度系数 S由螺栓头部 SK、圆柱体 i、自由承载螺纹段的轴向柔度系数 Gew和螺纹啮合区域的轴向柔度系数 GM共同决定，可由公式(2)求得。S=SK+1+2+Gew+GM(2)其中:SK=lSKE AN=0 5dE 4d2，1=l1E AN，2=l2E AN，Gew=lGewE Ad3=lk l1E 4d23，GM=G+M=lGE Ad3+lME AN=0 5dE 4d2s+0 33dE 4d2。上述公式中涉及的计算参数如图 5 所示，计算得到轴向柔度系数 S=2 71 e6mm/N。lKl1lSKl2lGewlGMd图 5螺栓各部分参数示意图5.2.2被紧固件的柔度系数计算计算被紧固件的柔度系数时，螺栓连接用代用变形圆锥体描述，由于较长的连接长度，变形圆锥体可能会达到圆柱形部件的外围边缘，因此，在两变形圆锥体间出现变形圆柱体，如图 6 所示。DAdWdhlklHlv图 6螺栓连接变形圆锥体模型6技术与市场创新与实践2023年第30卷第2期在计算被连接件的柔度系数时，须比较 DA，Gr，DA的大小，二者的计算公式见式(3)、式(4)。如果 DADA，Gr，则依据式(5)计算 P;如果 dw DA DA，Gr，则须依据式(6)进行计算，其中 =1。DA，Gr=dWm+lk tan E(3)DA=1 4dWm(4)其中:dWm=dw+Dst2，L=lkdWm，y=DzdWm，tan E=0.348+0 013ln(L)+0 193lny。P=2In(dWm+dh)(dWm+lktan dh)(dw dh)(dw+lktan+dh)EPdhtan(5)P=2dhtan ln(dWm+dh)(DA dh)(dWm dh)(DA+dh)+4D2A d2h(lk(DA dWm)tan)Ep(6)经过上述公式计算 DA=35 mm，DA，Gr=69 mm，因此依据式(6)计算得到 P=2 38 e6mm/N。5.2.3载荷系数的确定载荷引入系数3 n 根据连接类型(见图 7)选取0 7(SV 1 型)。根据式(7)将上述数据代入计算可得到载荷系数*en=0 327。*en=nPP+S(7)SV 1图 7连接类型5.3预加载荷变化计算预加载荷变化 FZ计算公式如下。FZ=fZP+S=2 4 kN(8)式中:fz为螺栓、垫片和被紧固件的沉陷量，由于铝材相对于钢材质地较软，结合 VDI 2230 的推荐参数 fz取 12 m。5.4预紧力校核最小预紧力计算:FMmin=Fkerf+FPAmax+FZ+Fvth(9)式中:FPA为附加板的载荷，FPAmax=(1 *en)FAmax;FZ为压陷、松弛等预紧载荷损失;Fvth为温度预紧力损失，此处忽略 Fvth=0。最大预紧力计算:FMmax=A FMmin(10)由式(9)和式(10)计算出的螺栓的最小预紧力和最大预紧力见表 5。表 5最小预紧力和最大预紧力螺栓编号en*FMmin/kNFMmax/kN40 32737 040 7根据 VDI 2230 的附录表 A1，可查得 8 8 级 M20螺栓 90%屈服极限利用率时最大安装预紧力 FMzul=FMTab=136 kN(Gmin=0 08)，满足 FMmax小于 FMzul，选型满足要求。5.5实际紧固力矩校核实际的紧固力矩 MA为 200 N m，根据力矩与预紧力之间的关系4:MA=FM 0 16 P+0 58 d2 Gmin+Dkm2Kmin(11)式中:DKm为在螺栓头或螺母承载区域摩擦力矩的有效直径。实际产生的最小预紧力为 FM=63 8 kN，大于需要的最小预紧力37 0 kN，满足 FM大于 FMmin，不会出现被联接件滑移的情况，满足要求。5.6工作应力校核通过相对于螺母或内部螺纹转动螺栓来施加预紧力，螺栓上承受的载荷包括预紧力产生的拉应力与7创新与实践TECHNOLOGY AND MAKETVol30，No2，2023螺纹力矩产生的剪切应力。单个螺栓承受轴向外力 FAmax以及安装预紧力，螺栓上的工作负荷为:FSmax=FM+*enFAmax(12)式中:FAmax为超常载荷工况下单个螺栓承受的最大轴向外力。最大拉伸应力:zmax=FSmaxAs(13)最大扭转应力:MG=FMd22(Pd2+1 155G min)(14)WP=16d3s(15)max=MGWP(16)则工作状态下的应力:red，B=2Z max+3(k max)2(17)式中:k为降低系数，k=0 5;AS为螺栓应力截面。安全系数为:n=P0 2min/red，B(18)由式(12)(18)计算出最大载荷下工作应力及安全系数(见表 6)。表 6工作应力与安全系数螺栓编号red，B/MPaP0 2m/MPa安全系数4296 16402 25.7表面压力校核螺栓头下支承的最小面积:Apmin=4(d2w d2h)(19)因此，在安装状态时可认为:PMmax=FMApmin(20)式中:FM为安装预紧力;Apmin为最小承载面积:Apmin=4(dwa2 Dki2)，(dwa为与夹紧零件接触的垫圈承载平面外径，dwa=1 5d+1 6hs);hs为垫圈厚度5。安全系数:Sp=pGpMmax(21)表面压力计算结果见表 7。表 7表面压力计算结果螺栓编号Pmax/MPaPG/MPa安全系数4245 46402 65.8疲劳强度校核螺栓在运营载荷下的工作应力:a=FSA0 FSAu2AS=*enFA2As(22)式中:FA为运营工况下单个螺栓承受的轴向外力，见表 2。当交变循环次数 ND不小于 2 106时，高强度螺栓在应力截面 AS上的疲劳极限参考值的计算公式如下(在热处理后滚制的螺栓 SV)。ASV=0 85(150/d+45)(23)ASG=(2 FSM/F0 2min)ASV(24)其中:FSM=FSA0+FSAU2+FMzul。安全系数:SD=ASVa(25)疲劳强度安全系数见表 8。表 8疲劳强度安全系数螺栓编号AS/MPaAS/MPa疲劳强度安全系数47 368 29 345.9防滑安全校核分界面的最小残余预紧力:FKmin=FMA(1 *en)FAmax FZ