摘要：钢轨接头螺栓的疲劳失效与断裂使铁路运输的可靠性、安全性下降,是阻碍高速铁路发展的重要因素.因此,研究钢轨螺栓的疲劳性能具有重要的现实意义.首先通过预紧力矩与预紧力的转换公式,把预加载的螺栓力矩转换成预紧力,研究了在不同预紧扭矩作用下,预紧扭矩对钢轨接头螺栓疲劳失效特性的影响;其次通过理论计算,选择出最佳螺栓扭矩.最后在钢轨接头螺栓的三维实体模型基础上,施加已计算出的最佳预紧扭矩,用ANSYS Workbench疲劳分析模块对螺栓进行疲劳寿命估算.以上研究都说明钢轨接头螺栓最大的变形发生在螺母与钢轨夹板接触处的第一圈螺纹牙处.
关键词：钢轨接头螺栓; 螺栓扭矩; 疲劳失效; 有限元; 寿命估算
在实际工程中,构件可能会由在各种载荷的作用下而产生局部破坏,其中因为交变载荷而产生的疲劳破坏占据了50%—90%[1-2].机械零件在变应力作用下,经过一段时间后会在局部应力区形成微裂纹,微裂纹逐渐扩展至最后断裂的现象称为疲劳破坏.疲劳失效始于热点的一个小裂纹,而该热点的拉伸应力处于最大值.一旦裂纹生成并扩展,应力集中可能进一步增加,其结果是使裂纹更加迅速扩展[3].据相关统计,在机械构件和零件的断裂事故中有80%归属于疲劳破坏,因此疲劳计算在机械零件失效中有重要的地位.
随着最近几年我国工业的迅速发展,铁路运输在我国交通运输中起着越来越重要的作用.钢轨接头螺栓作为钢轨与钢轨连接的重要部件,在拉伸、弯曲以及冲击载荷的作用下,螺栓将产生螺杆的拉伸、螺栓和螺母的螺纹磨损以及在垫板和钢轨、垫板和螺栓头、垫板和螺母之间摩擦表面的磨损,并产生松动,造成螺栓预紧力的减小,甚至出现疲劳断裂[4].螺栓的失效将会对机车的运行带来安全隐患.本文首先研究了螺栓预紧扭矩对螺栓疲劳特性的影响,并计算出最佳预紧扭矩,以提高螺栓疲劳强度和使用寿命;其次应用有限元分析方法对钢轨接头螺栓进行了疲劳寿命估算.
1 扭矩对螺栓疲劳寿命的影响
螺栓在装配联接时必须要拧紧,预紧的目的是为了增强联接的紧密性和可靠性,从而防止受载后被连接件间发生相对滑动或缝隙.大量经验证明:适当选择比较大的预紧力对连接件的疲劳强度以及螺纹联接的可靠性是有利的.然而过大的预紧力将会导致整个的联接结构尺寸增大,也可能会使连接件在偶然过载或装配时被拉断.因此,为了保证连接件既有一定的预紧力,又不使螺纹连接件过载,对螺栓的预紧的控制十分重要.常用的控制预紧力的方法有[5]:扭矩控制法、转角控制法、屈服点控制法、伸长量控制法等,因此有必要研究预紧扭矩对螺栓寿命的影响.
1.1 预紧扭矩与预紧力的换算
拧紧螺母时,加在扳手上的拧紧扭矩T等于用克服螺纹副间的摩擦扭矩T1和螺母环形端面与承受面上的摩擦扭矩T2,即
(1)
(2)
(3)
则
(4)
式中:Qp为螺栓预紧力;d2为螺纹中径;φ为螺纹升角;φv为螺纹当量摩擦角;fc为被连接件支撑面与螺母之间的摩擦系数;D0为螺母环形支承面的直径;d0为螺纹孔的直径.
对于钢轨接头螺栓M24的粗牙普通螺纹刚强度螺栓,螺纹升角φ=2.48°,螺纹中径d2=0.9d(d为螺栓的公称直径);螺旋副的当量摩擦角φv= arctan1.115f(f为螺纹副间的摩擦系数，在无润滑时f≈0.1～0.2);螺母环形支承面的外径D0≈1.5d;螺栓孔直径d0≈1.1d;支承面与螺母间的摩擦系数fc=0.15.将上述各参数代入式(4)，得:
T=0.2Qpd
(5)
1.2 螺栓扭矩对螺栓疲劳特性的影响
根据我国标准《GB5098—85 钢轨用高强度接头螺栓、螺母》中的规定,采用60 kg·m-1的钢轨时，其轨枕间距为55 cm，接头螺栓材料为20MnTiB，弹性模量为210 Gpa,屈服强度为940 Mpa,泊松比为0.28,抗拉强度为1040 Mpa.以螺栓杆的长度为135 mm、螺距为3 mm、带螺纹部分的公称直径为24 mm、无螺纹部分杆径的长度为22.051 mm,螺母的旋合长度为24 mm的钢轨铺设的线路上的螺栓连接组合作为计算模型.
螺栓与螺母选用PLANE182单元,本单元含有4个节点,每个节点中有2个自由度:节点x和y方向的平移.本单元具有超弹性、塑性、应力刚度、大变形和大应变的能力,并具有力-位移混合公式的能力可以模拟接近不可压缩的弹塑性材料和完全不可压缩超弹性材料的变形.
选择CONTA172和TARGE169单元来定义螺栓和螺母螺纹接触面,其中CONTA172作为接触面,TARGE169作为目标面,而这两个单元都没有厚度.接触面和目标面的性质差别较小,接触面是硬度较低的实体表面,目标面通常是硬度较高的实体表面.这种接触单元可以支持低阶和高阶单元,并且能够模拟有摩擦的和大滑动的大变形,可以为工程模拟提供很好的接触效果[6].
根据钢轨螺栓实际工作的状态,给螺栓的有限元模型加上载荷和边界约束,在螺栓与钢轨夹板连接处施加x方向约束,螺栓轴线施加y方向约束,在螺母上施加y方向的约束.分别取螺栓预紧扭矩T=700,802,900 N·m,通过式(5)转换成均布载荷P=181.43,207.86,233.26 Mpa,计算钢轨螺栓螺纹的形量.螺栓的合位移等值线图和螺栓等效应力等值线图如图1所示.
(1) 从螺栓的合位移等值线图中可以看出,螺母与支撑面接触处的第一个螺纹牙变形最大,然后各圈螺纹牙变形依次递减.因为螺纹受载时,螺栓受拉,螺距增大,而螺母受压,螺距减小,螺距的变化差靠旋合各圈螺纹牙的变形来补偿,这与实际螺纹牙间的变形情况相符合.
(2) 对螺栓施加预紧扭矩T=400,500,600 N·m所产生的螺栓螺纹最大的变形量分别为ε=0.010 7,0.013 5,0.016 2 mm,螺纹的变形随着预紧扭矩的不断增大而增大,当螺纹的变形足够大时,螺纹将失效,从而降低螺栓的疲劳寿命.
(3) 在施加3种预紧力矩的情况下,螺栓的根部所产生的应力增大,且螺纹根部应力的增大也是螺栓出现疲劳断裂的主要原因,故通过合理的控制螺栓预紧力矩来减小螺纹根部的应力,是提高螺栓抗疲劳的有效措施.
图1 均布载荷P=181.43,207.86,233.26 Mpa时螺栓的合位移等值线图和等效应力等值线图
Fig.1 Isoline of bolt displacement and bolt equivalent stress with uniform load P=181.43,207.86,233.26 Mpa
2 钢轨螺栓最佳预紧扭矩的确定
本文所用钢轨接头螺栓为10.9级,公称直径d=24 mm,螺距p=3 mm,牙型角α=60°
(1) 外螺纹的应力计算直径ds计算:根据螺纹的公称直径d、螺距p,得：
DS=d-0.938 2d=21.185 4 mm
(2) 预紧应力σy计算:根据螺栓的性能等级(保证应力σp)及螺母(或内螺纹)的强度情况确定,当螺母的强度与螺栓相匹配时,可按螺栓的保证应力σp来确定预紧应力σy
螺栓的保证应力σp,见表1.
本文取σy=0.6 N·mm-2,σp=0.6×830=498 N·mm-2.
(3) 预紧力Fy计算:根据螺纹的应力计算直径DS、预紧应力σy,确定
(4) 螺栓的预紧力矩的推导及力矩值修正计算
摩擦力臂rf取决于螺纹的特征参数(直径d、螺距p、牙型角 α),螺栓头部与支承面之间的结合尺寸(近似用扳手尺寸S和螺栓螺纹直径替代)以及材料之间的摩擦系数(螺栓头螺母与支承面之间的摩擦系数μ1,螺纹之间的有效摩擦系数μ2)等,摩擦力臂rf 的计算如下:
通常情况下,s≈1.5d ，α=60°，p≈0.1d,于是:
rf=0.54(μ1+0.03)d+0.63dμ2=4.600 8 mm
预紧力矩Ty等于预紧力Fy和摩擦力臂rf 的乘积:
Ty=rfFy=807 N·m
故钢轨接头螺栓的最佳预紧力矩Ty=807 N·m,才不会使螺栓由于预紧力矩过大使螺纹牙变形量过大,致使螺栓疲劳失效,并且在螺栓螺纹根部半径最大的情况下,使螺栓的应力集中降到最低.
3 钢轨接头螺栓的疲劳寿命估算结果与分析
建立螺纹根部半径为0.4 mm、施加已计算得出的最佳预紧扭矩的钢轨接头螺栓的三维实体模型,把该模型导入ANSYS Workbench中,对螺栓进行材料属性的设置、接触对建立、网格划分、边界条件及载荷加载得到螺栓的有限元模型.然后通过ANSYS Workbench疲劳分析模块计算得到螺栓的疲劳寿命分布如图2所示以及螺栓的安全系数如图3所示.
表1 螺栓的保证应力σp
Tab.1 Bolt guarantee stress σp
由图3可得,钢轨接头螺栓低寿命区发生部位在螺母支撑面第一圈螺纹的根部圆角处，以及光杆与螺帽的过渡处,最小寿命为62554次循环;螺纹应力分布不均,螺纹根部应力集中严重.从图6可得,螺栓的安全系数较低处发生在螺栓螺纹根部.
图2 螺栓疲劳寿命
Fig 2 Fatigue life of rail bolt
图3 螺栓的安全系数
Fig 3 Safety factor of rail bolt
4 结论
(1) 通过预紧力矩与预紧力的转换公式,把预加载的螺栓力矩T=700,800,900 N·m转换成预紧力,来分析螺栓扭矩对螺栓螺纹的影响.分析结果显示.随着螺栓扭矩的增大,螺栓的螺纹变形将逐渐增大,最大的变形发生在螺母与钢轨夹板接触处第一圈螺纹牙处,螺纹的变形随着旋合数的增加而逐渐减小,所以并不是预紧扭矩越大越好,应选择最佳螺栓扭矩.
(2) 由分析可得,并不是螺栓预紧扭矩越大越好,过大的预紧扭矩将使螺纹牙变形过大,降低螺纹牙的连接强度,降低螺栓的疲劳寿命;过小的预紧扭矩将不能使钢轨接头和钢轨夹板很好地连接,通过理论推导得到了钢轨接头螺栓的最佳预紧扭矩为807 N·m,使螺栓既能有足够的预紧扭矩使钢轨夹板和钢轨很好地连接,又能使螺栓的变形最小且螺纹根部应力集中降到最低,从而提高螺栓的疲劳寿命.
(3) 分析结果表明,螺栓的最小寿命发生在螺母支撑面第一圈螺纹根部圆角处，为62 554次.因此,对于振动引起的螺栓松动问题的解决就是,需要定期对螺栓进行预紧及维护.
