高速动车组车下悬挂结构件防脱设计探讨.doc

1、1高速动车组车下悬挂结构件防脱设计探讨【摘 要】动车组高速运行时，轮轨间的相互作用及气动载荷产生的剧烈振动冲击，会对车下悬挂件的结构及安装可靠性带来不利影响，例如产生裂纹、断裂，甚至松动脱落。其脱落会引发动车组脱轨倾覆事故，严重危及行车和旅客生命安全，因此，确保车下悬挂件的结构及安装可靠对动车组的安全运行至关重要。着重从防脱（脱落）设计方面，对车下悬挂结构件的安全设计进行探讨，分析造成脱落的原因，并提出设计时应采取的防范措施，以确保动车组的运营安全。 【关键词】高速动车组；车下悬挂结构件；防脱；安全设计 研究表明，结构失效引起的铁路事故最多。尤其是，结构脱落会引发动车组脱轨倾覆事故，严重危及行

2、车和旅客生命安全。因此，在设计阶段就必须充分考虑振动冲击作用对其产生的不利影响，采取有效的防脱措施，从源头上消除质量隐患。 一、防脱定义 防脱是指防止车下悬挂件的结构产生裂纹、断裂，及安装紧固件发生松动而导致脱落。因此，进行防脱设计时，应着重关注结构的裂纹、断裂及安装紧固件的松动问题。 二、脱落原因分析 （一）结构产生裂纹、断裂的原因 裂纹是指材料在应力或环境（或两者同时）作用下产生的裂隙，分2微观裂纹和宏观裂纹。当裂纹扩展到一定的程度，即造成材料的断裂。车下悬挂结构件常见的裂纹主要为疲劳裂纹和应力腐蚀裂纹，裂纹主要发生在母材和焊缝部位。裂纹的产生跟所受的应力和所处的环境密不可分，具体而言，裂

3、纹、断裂的原因主要表现在如下几个方面： 1、 原材料制造质量问题，例如选用的工艺参数、工艺流程等不合理，造成材料表面或内部缺陷。 2、 设计结构强度偏低或结构表面受环境腐蚀影响，致使其承载能力差或降低。 3、 对应力腐蚀敏感的结构件在腐蚀介质及所受拉伸应力的作用下，产生应力腐蚀裂纹。 4、 安装面不贴合，局部结构产生应力集中；焊接时容易产生焊接接头裂纹、气孔、未焊透、未熔合、夹渣、形状缺陷等焊接缺欠，这些缺欠降低焊缝的致密性，减少焊缝截面积，降低承载能力，在外力作用下产生很大的应力集中。 （二）紧固件产生松动的原因 松动是由于压陷（在接合面中，螺纹中及螺栓头下面的表面贴合时表面粗糙度的塑性整平

4、）和（或）蠕变（由于表面压力太大，经过一段时间超过被拧紧零部件材料屈服极限的塑性变形的现象）过程引起预紧力下降而导致的螺栓松动。若螺纹中、螺栓头及螺母支撑面上的摩擦力及自锁条件被抵消，将导致松脱。概括起来，紧固件松动的主要原因有如下两种： 1、 研究表明，横向振动远远超过轴向振动是螺纹自松动的主要诱3因。当配套的螺纹和紧固件支撑表面之间发生相对运动时，拧紧的紧固件就会发生自松动现象。当作用于联接件上的横向力超过由预紧力产生的摩擦抵抗力，那么相对运动就会发生。在重复的横向运动中，这样的机制完全可以导致紧固件的松动。 2、 由于对粗糙表面的塑性挤压，使得螺母表面、联接件表面和螺纹上发生局部塑性变形

5、，而引起预紧力下降或消失，导致紧固件的松动。另外，普通紧固件的加工精度以及传统的螺纹配合方式也是动载荷情况下引起紧固件松动的原因。 三、防松脱措施 造成车下悬挂结构件脱落的原因有很多方面，其中很大一部分是由于设计结构不合理、设计防范措施不到位造成的。因此，在设计阶段就必须进行安全性可靠性设计，从源头上采取有效的防范措施，确保设计结构安全可靠。 （一）防裂、防断措施 1、 应根据使用环境、结构特点、重要程度等要求正确选材，并确保原材料的制造质量符合设计要求。 2、 应充分考虑振动、气动载荷冲击影响，对设计结构进行强度计算、试验验证，确保结构强度留有足够的余量；并对结构表面进行防腐处理，防止材料受

6、环境影响或异种金属材料之间产生腐蚀，削弱结构强度。 3、 应力腐蚀的形成必须同时具有三个因素的综合作用，即材质、4介质和拉应力。因此应从三方面采取相应措施，例如：尽量选用对应力腐蚀不敏感的材料，并选择与母材的化学成分和组织基本一致的焊材（等成分原则） ；考虑介质到对母材腐蚀的可能性，为了减轻或消除特定环境中的应力腐蚀，也可采用表面处理技术在构件表面制备牺牲阳极涂层或物理隔离涂层；设计时选择合理的接头形式，并在焊接过程中采取有效措施减小残余应力和焊接变形，等等。 （二）防松措施 目前，常用的螺纹联接防松方法有三种：摩擦防松、机械防松和铆冲防松。 第一种是摩擦防松，这是应用最广的一种防松方式，这种

7、方式在螺纹副之间产生一不随外力变化的正压力，以产生一可以阻止螺纹副相对转动的摩擦力。这种正压力可通过轴向或同时两向压紧螺纹副来实现。如采用弹簧垫圈、双螺母、自锁螺母和尼龙嵌件锁紧螺母等。其优点是方便拆装并能重复使用；缺点是在变载荷的情况下，容易产生松动现象。第二种是机械防松，是用止动件直接限制螺纹副的相对转动。如采用开口销、串连钢丝和止动垫片等。其优点是防松可靠；缺点是增加紧固连接的重量，拆装麻烦。由于其防松可靠性高，在某些重要部位仍被广为采用。 目前，日本发明了一种新型 HARDLOCK 强力锁紧螺母。该螺母具有良好的紧固力，可抵抗任何类型的冲击而保持稳定的紧固状态，而且易于拆装并可重复使用

8、（数十次） ，检修维护成本较低，该产品不仅在日本，5而且在全世界具有良好的声誉。HARDLOCK 螺母由凸螺母（下螺母）和凹螺母（上螺母）组成，配对使用。其防松原理为：凸螺母凸出部分的外圆与螺纹内径存在偏心，且在凸螺母和凹螺母的接触面上设计了一定的坡度，将凹螺母在螺纹上一直拧到同心圆锥凹入部碰到凸螺母的偏心圆锥突起部，两个螺母之间形成紧固力矩，通过凸螺母偏心圆锥的突起物，不仅形成垂直紧固力（螺纹上下）安装力矩，而且由偏心圆锥突起物形成水平紧固力，凹螺母朝一个方向被拉入螺栓的螺纹，凸螺母则朝里相反方向被拉入，保证了 HARD-LOCK 螺母防松性能，其结构及原理图如下图所示。该螺母利用上下螺母的

9、偏心，通过楔子作用实现防松，属于机械防松的范畴，克服了普通机械防松拆装麻烦的缺点。 HARDLOCK 螺母结构 HARDLOCK 螺母防松原理 第三种是铆冲防松，在拧紧后采用冲点、焊接、粘接等方法，使螺纹副失去运动副特性而连接成为不可拆连接。其优点是防松可靠；缺点是拆卸十分困难，必须破坏螺纹副方可拆卸，常用于某些要求防松高可靠而又不需拆卸的重要场合。 车下悬挂结构件安装在设计时应根据安装结构特点及重要程度，选择合适的防松方法，并着重考虑如下防松脱措施： 1、 结构设计时，连接的形状应具有较大的刚性比（刚性连接的场合） ，或通过加大支撑面降低表面压力，防止连接表面产生塑性挤压变形，而导致紧固件的

10、松动。 2、 对于不经常拆卸或不需维护保养的结构件，可采用铆冲防松方法进行防松；其中胶粘剂应用较为广泛，通过将胶粘剂涂布在螺母或螺6栓的螺纹结合部分，慢慢硬化，能保持螺栓连接时预紧力，并防止螺栓连接时振动扭转及螺纹发生腐蚀，防松效果显著。 3、 要有冗余安全设计理念，确保设计结构留有足够的安全余量。对于局部结构受限部位，若无法采取更加可靠的防松措施，必须通过增加防脱装置、增加固定点等方式进行冗余结构设计；而在不能采取冗余设计结构的场合，应缩短检修维护的间隔时间。 4、 技术文件中明确涂打防松标记要求，等等。 尽管螺纹紧固件行业作为一个成熟的行业，产品已经标准化几十年了，而且针对螺纹松动的问题推

11、出了大量的突破性的解决方案，但是，螺纹紧固件的防松问题始终没有得到根本的解决。因此需要从设计、制造、运用、检修维护等各个方面加强质量控制，以确保螺纹联接的可靠性。 四、结语 （一）车下悬挂结构件是影响动车组行车安全的重要部件，针对其裂纹、断裂及松动脱落问题，分析其产生的原因并采取相应的防范措施，对指导设计并提高设计可靠性有重要意义。 （二）导致车下悬挂结构件脱落的因素很多，不仅跟设计质量有关，而且跟制造质量、施工质量、运用环境等息息相关。因此，解决防脱问题绝不单单是技术方面的问题，更要从日常上加强基础管理工作，实施全面的过程质量控制，从各个环节上彻底消除质量隐患。 参考文献 1 濮良贵，纪名刚.机械设计M.北京：高等教育出版社，2006. 72 张曙光.高速列车设计方法研究M.北京：中国铁道出版社，2009. 3 中华人民共和国铁道部.TB/T 3246.4-2010 机车车辆及其零部件设计准则螺栓连接第 4 部分M.螺栓连接的安全.北京：中国铁道出版社，2011.