HX_D1型机车牵引装置上的螺栓连接
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
2002.
（上接第 33 页） 2.3 加衬套与不加衬套螺栓连接比较
比较前后两种螺栓的相对刚度系数： [ b（/ b+ m）]/[ b1/（ b1+ m1）] =0.057÷0.093=0.613 该结果表明加上衬套后，螺栓所分担的工作拉力 仅为不加衬套时的 61%。 当工作拉力为变载荷，螺栓的疲劳条件为： 2 /π· C2· b（/ b+ m）≤[滓a] 式中： C 为螺栓计算直径，mm； 为变力幅值，N；[滓a]为 变载紧连接螺栓的许用应力幅，MPa。 螺栓所分担的变载应力幅，也与螺栓相对刚度系数 相关，换言之在本例中具有衬套的螺栓所分担的变载应 力幅值仅为无衬套螺栓的 61%，其意义是螺栓的许用变 载应力幅[滓a]很低，仅相当于螺栓许用拉压应力[滓]的 5% ～10%，较低的相对刚度系数 b / （ b+ m） 使得螺栓分 担的变载力较小，从而提高了螺栓的动载使用可靠性。 牵引座螺栓分担的变载应力如图 5 中的 b 所示。 当载荷为冲击力时，螺栓吸收的冲击能 用下式表 示：
4.4 软件系统设计（见图 5） 制动缸试验的软件编程采用 Microsoft C# 2005 可视
化编程软件进行编写,人机界面友好，运行速度快，可以 实现多线程控制 。同时具备试验结果打印，数据通过网 络通讯功能。
软件系统的设计采用数字滤波、指令冗余、看门狗等 抗干扰措施，保证软件系统能可靠工作。
值，称之为螺栓刚度 Cb。 HXD1 型机车牵引座安装螺栓中受拉力最大的单件
螺栓刚度： b= / =（π 2/4） / =（π×362/4）×（ ÷149）≈6.8
式中： 为螺栓外径，mm； 为被连接件长度加上螺纹 旋入量的一半，取 = 58+60+（180-58-60）/2=149 mm。
同理，被连接件牵引座的刚度 m 可表达为： m= eq /
m= eq / =6716· /60≈112
（a）
（b）
图 2 被连接件变形示意图
（c）
将图 2（b）与图 2（c）用线性变形图来表达，如图 3 所示。
（a）预紧力 M 作用 （b）预紧力 M 作用下 （c）工作拉力 作用下的 下螺栓的伸长 衬套和牵引座的压缩 螺栓和牵引座的合成 图 3 被连接件线性变形图
将上式变换为： A·E/L=F/姿=Cb 该式表达的意义是螺栓拉压单位变形量所需外力的
图 4 牵引座的等效截面面积示意图
HXD1 型机车牵引座螺栓相对刚度系数为： b（/ b+ m） =6.8 （/ 6.8 +112 ）=0.057
从图 3（c）中得出螺栓的总拉力 可表达为： = M+ b=FM+[ b （/ b+ m）]×
第 32 卷 第 1 期 2009 年 1 月 20 日
◆ 制造技术 ◆
电力机车与城轨车辆 耘造藻糟贼则蚤糟 蕴燥糟燥皂燥贼蚤增藻泽 驭 酝葬泽泽 栽则葬灶泽蚤贼 灾藻澡蚤糟造藻泽
Vol. 32 No. 1 Jan. 20th，2009
HXD1 型机车牵引装置上的螺栓连接
彭家仁
（南车株洲电力机车有限公司，湖南 株洲 412001）
参考文献：
［1］ ［2］
紧固件连接设计手册编委会. 紧固件连接设计手册[M]. 北京：国 防工业出版社，1990. GB/T95-2002，平垫圈 C 级［S］.
-40-
可见，螺栓分担的工作拉力 的大小取决于 b 和 m。 2.2 未加衬套时刚度计算
若取消衬套，螺栓相应长度减短至 130 mm，同时 假定螺栓头部装有一垫圈，垫圈外径 1 为 66 mm、厚 度为5 mm（GB/T95-2002《平垫圈 Ｃ 级》），螺栓计算长度 1= 60+5+（130-65）/2=97.5，eq1=（[ 1+0.5 H）2- 02] π/4=6 101。 此间螺栓刚度 b1 和牵引座的刚度 m1 分别如下：
1 HXD1 型机车牵引座安装螺栓受力分析
HXD1 型机车牵引座与安装座之间采用 10 支 M36× 180 的螺栓连接，其连接方式如图 1 所示。与通常的连 接方式相比较，其特殊之处是采用了外径为 Φ70、内 径为 Φ38、长度为 58 mm 的衬套取代通常所使用的垫 圈，对该大尺寸的衬套在螺栓连接中的作用下文将作定 性分析。
参考文献：
图 5 制动缸试验台软件流程图
[1] 何希才. 常用传感器应用电路的设计与实践[M]. 北京：科学出版社， 2007.
[2] 彭俊彬. 新型集成电路使用指南与典型应用[M]. 西安：西安电子科 技大学出版社，2000.
[3] 傅祖芸. C 数值算法[M]. 北京：电子工业出版社，2002. [4] 李 华. 单片机实用接口技术[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，
5 结束语
经过对制动缸（BC）、弹簧制动缸（SA）性能试验，检 测结果符合工艺要求，误差小于 0.2%。本试验装置增加 了系统自动化程度，减轻了工人的劳动强度，提高了劳动 效率。提高了试验数据的准确性及客观真实性，达到检修 数据的完全共享。本试验装置被试件装卡便捷，人机界面 良好，设备外形新颖，操作简单。
=滓2· /2 式中：滓 为螺栓中的应力，MPa； 为螺栓参与吸收冲击能 的体积，mm3。
依据该式，具有衬套的牵引座螺栓长度比无衬套时
的螺栓长度约长 27%，相应体积增加 27%，即前者吸收 冲击能的能力提高 27%。
图 5 受变载螺栓的线性变形示意图
3 结束语
综上所述，可以看出在以拉伸变载为主的螺栓连接 中采用大尺寸衬套，有利于改善螺栓的受力状态，提高 螺栓的使用可靠性。另一方面与大尺寸衬套相邻的被连 接件，由于接触面积大，被连接件在预紧应力和工作应 力的作用下不易被压溃产生塑性变形，从而减少螺栓松 动失效现象。
PENG Jia-ren
（CSR Zhuzhou Electric Locomotive Co.，Ltd.，Zhuzhou 412001，China） 粤遭泽贼则葬糟贼：This paper analyses the special points and mechanism of bolt connection mode on type HXD1 locomotive traction base， and shows the effect of bush to bolt application reliability by stress calculation. 运藻赠 憎燥则凿泽：type HXD1 locomotive；traction base；bolt；bush；stress analysis
-32-
彭家仁·HXD1 型机车牵引装置上的螺栓连接·2009 年第 1 期
从上述分析可见，图 1 中的右边组螺栓所受拉伸力 最大，在确定螺栓预紧力 M 时，必须保证在最大工作拉 力作用下被连接件不会因螺栓伸长而松动，因此在最大 工作拉力作用下被连接件中的剩余预紧力 z 要大于零， 在强固连接中取剩余预紧力 z= （0.5~1） 。取其中受拉 力最大的单件螺栓予以分析。图 2（a）为拧紧螺栓使被连 接件相接触；在 M 的作用下，螺栓产生拉伸变形 姿b， 同时牵引座和衬套产生压缩变形 姿n 如图 2（b）所示；在 工作拉力 的作用下，螺栓产生伸长变形Δ姿，同时牵 引座和衬套伸长变形之和也为 Δ姿，此时两者变形量相 同，如图 2（c）所示。
水平分量力矩 作用于图 1 右边单件螺栓上的拉伸 力 M 为：
M= /（180×8） = （ H×182） / （180×8） 式中： H= ·cos 6.1°。
因位处中心的两螺栓不受力距作用，故此处螺栓数 量取 8。
牵引力 垂向分量在单件螺栓上产生的拉伸力 V 为： V = ·sin 6.1°/10
通常机车上螺栓连接方式是采用螺栓和垫圈将被连 接件连为一体，但 HXD1 型机车的牵引座、砂箱 、变压 器、扫石器、轴箱拉杆等部件上采用螺栓加衬套的连接 方式，衬套的长度达螺栓直径 1.5 倍至 2 倍之间，衬套 的直径为螺栓直径 2 倍左右。本文将以 HXD1 型机车牵 引座的螺栓连接方式为例进行分析。
摘 要：分析 HXD1 型机车牵引座的螺栓连接方式中的特殊点及其机理，并通过受力计算说明了衬套对螺栓使用可
பைடு நூலகம்
靠性的影响。
关键词：HXD1 型机车；牵引座；螺栓；衬套；受力分析
中图分类号：U260.6
文献标识码：A
文章编号：1672-1187（2009）01-0032-02
Bolt connection of traction device on type HXD1 locomotive
式中： eq 为被连接件的等效截面面积，mm2； 为被连 接件的厚度，mm。
牵引座等效截面面积 eq 示意图见图 4。图中 为 与牵引座接触的衬套外径，取 70 mm； 为牵引座螺栓 安装处厚度，取 60 mm； 0 为牵引座螺栓安装孔直径， 取 38 mm。 eq =[（ + 0.5 ）2- 02] π/4=6 716.46 mm2。相 应的被连接件牵引座的刚度 m 为：
由牵引电机产生的牵引力通过牵引杆传递到牵引座 继而通过连接螺栓将力传递到与车体牵引梁焊为一体的 安装座上，带动机车运行。
为讨论问题简便，忽略牵引座和牵引杆自身重力对 螺栓的影响。单件螺栓中的工作载荷由牵引力 引起， 在安装座上设有止口的情况下，牵引力 的水平分量 H
不会在螺栓中产生剪力，因而仅需讨论牵引力垂向分量 与水平分量力矩在螺栓上产生的拉伸力。
b1= / 1 = （π×362/4） × ÷97.5=10.43 m1= eq1 / =6 101× /60=101.7 未加衬套时螺栓相对刚度系数为： b1（/ b1+ m1）=10.43 /（10.43 +101.7 ）=0.093
（下转第 40 页）
-33-
电力机车与城轨车辆·2009 年第 1 期
2 螺栓连接的刚度计算
2.1 加衬套时刚度计算 当工作拉力 作用于螺栓时，螺栓仍处在弹性变形
范围内，故其符合虎克定律。 依据拉压虎克定律，应力 滓 与应变 着 的关系式为： 滓＝ ·着
式中： 为材料弹性模量，MPa。 上式可改写为： / = ·姿/
式中： 为拉压力，N； 为螺栓截面面积，mm2；姿 为 拉压变形量，mm；蕴 为螺栓计算长度，mm。
式中：10 为牵引座连接螺栓数量。 假定牵引力 取最大值且为恒定载荷，则图 1 右边
组的单件螺栓上工作载荷拉力 最大。
1— 安装座；2—牵引座；3—衬套；4—螺栓（M36×180）。 图 1 牵引座安装视图
收稿日期：2008-06-24 作者简介：彭家仁，高级工程师，1976 年毕业于大连铁道学院焊接专业，主管机车车辆车体工艺工作。
（上接第 33 页） 2.3 加衬套与不加衬套螺栓连接比较
比较前后两种螺栓的相对刚度系数： [ b（/ b+ m）]/[ b1/（ b1+ m1）] =0.057÷0.093=0.613 该结果表明加上衬套后，螺栓所分担的工作拉力 仅为不加衬套时的 61%。 当工作拉力为变载荷，螺栓的疲劳条件为： 2 /π· C2· b（/ b+ m）≤[滓a] 式中： C 为螺栓计算直径，mm； 为变力幅值，N；[滓a]为 变载紧连接螺栓的许用应力幅，MPa。 螺栓所分担的变载应力幅，也与螺栓相对刚度系数 相关，换言之在本例中具有衬套的螺栓所分担的变载应 力幅值仅为无衬套螺栓的 61%，其意义是螺栓的许用变 载应力幅[滓a]很低，仅相当于螺栓许用拉压应力[滓]的 5% ～10%，较低的相对刚度系数 b / （ b+ m） 使得螺栓分 担的变载力较小，从而提高了螺栓的动载使用可靠性。 牵引座螺栓分担的变载应力如图 5 中的 b 所示。 当载荷为冲击力时，螺栓吸收的冲击能 用下式表 示：
4.4 软件系统设计（见图 5） 制动缸试验的软件编程采用 Microsoft C# 2005 可视
化编程软件进行编写,人机界面友好，运行速度快，可以 实现多线程控制 。同时具备试验结果打印，数据通过网 络通讯功能。
软件系统的设计采用数字滤波、指令冗余、看门狗等 抗干扰措施，保证软件系统能可靠工作。
值，称之为螺栓刚度 Cb。 HXD1 型机车牵引座安装螺栓中受拉力最大的单件
螺栓刚度： b= / =（π 2/4） / =（π×362/4）×（ ÷149）≈6.8
式中： 为螺栓外径，mm； 为被连接件长度加上螺纹 旋入量的一半，取 = 58+60+（180-58-60）/2=149 mm。
同理，被连接件牵引座的刚度 m 可表达为： m= eq /
m= eq / =6716· /60≈112
（a）
（b）
图 2 被连接件变形示意图
（c）
将图 2（b）与图 2（c）用线性变形图来表达，如图 3 所示。
（a）预紧力 M 作用 （b）预紧力 M 作用下 （c）工作拉力 作用下的 下螺栓的伸长 衬套和牵引座的压缩 螺栓和牵引座的合成 图 3 被连接件线性变形图
将上式变换为： A·E/L=F/姿=Cb 该式表达的意义是螺栓拉压单位变形量所需外力的
图 4 牵引座的等效截面面积示意图
HXD1 型机车牵引座螺栓相对刚度系数为： b（/ b+ m） =6.8 （/ 6.8 +112 ）=0.057
从图 3（c）中得出螺栓的总拉力 可表达为： = M+ b=FM+[ b （/ b+ m）]×
第 32 卷 第 1 期 2009 年 1 月 20 日
◆ 制造技术 ◆
电力机车与城轨车辆 耘造藻糟贼则蚤糟 蕴燥糟燥皂燥贼蚤增藻泽 驭 酝葬泽泽 栽则葬灶泽蚤贼 灾藻澡蚤糟造藻泽
Vol. 32 No. 1 Jan. 20th，2009
HXD1 型机车牵引装置上的螺栓连接
彭家仁
（南车株洲电力机车有限公司，湖南 株洲 412001）
参考文献：
［1］ ［2］
紧固件连接设计手册编委会. 紧固件连接设计手册[M]. 北京：国 防工业出版社，1990. GB/T95-2002，平垫圈 C 级［S］.
-40-
可见，螺栓分担的工作拉力 的大小取决于 b 和 m。 2.2 未加衬套时刚度计算
若取消衬套，螺栓相应长度减短至 130 mm，同时 假定螺栓头部装有一垫圈，垫圈外径 1 为 66 mm、厚 度为5 mm（GB/T95-2002《平垫圈 Ｃ 级》），螺栓计算长度 1= 60+5+（130-65）/2=97.5，eq1=（[ 1+0.5 H）2- 02] π/4=6 101。 此间螺栓刚度 b1 和牵引座的刚度 m1 分别如下：
1 HXD1 型机车牵引座安装螺栓受力分析
HXD1 型机车牵引座与安装座之间采用 10 支 M36× 180 的螺栓连接，其连接方式如图 1 所示。与通常的连 接方式相比较，其特殊之处是采用了外径为 Φ70、内 径为 Φ38、长度为 58 mm 的衬套取代通常所使用的垫 圈，对该大尺寸的衬套在螺栓连接中的作用下文将作定 性分析。
参考文献：
图 5 制动缸试验台软件流程图
[1] 何希才. 常用传感器应用电路的设计与实践[M]. 北京：科学出版社， 2007.
[2] 彭俊彬. 新型集成电路使用指南与典型应用[M]. 西安：西安电子科 技大学出版社，2000.
[3] 傅祖芸. C 数值算法[M]. 北京：电子工业出版社，2002. [4] 李 华. 单片机实用接口技术[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，
5 结束语
经过对制动缸（BC）、弹簧制动缸（SA）性能试验，检 测结果符合工艺要求，误差小于 0.2%。本试验装置增加 了系统自动化程度，减轻了工人的劳动强度，提高了劳动 效率。提高了试验数据的准确性及客观真实性，达到检修 数据的完全共享。本试验装置被试件装卡便捷，人机界面 良好，设备外形新颖，操作简单。
=滓2· /2 式中：滓 为螺栓中的应力，MPa； 为螺栓参与吸收冲击能 的体积，mm3。
依据该式，具有衬套的牵引座螺栓长度比无衬套时
的螺栓长度约长 27%，相应体积增加 27%，即前者吸收 冲击能的能力提高 27%。
图 5 受变载螺栓的线性变形示意图
3 结束语
综上所述，可以看出在以拉伸变载为主的螺栓连接 中采用大尺寸衬套，有利于改善螺栓的受力状态，提高 螺栓的使用可靠性。另一方面与大尺寸衬套相邻的被连 接件，由于接触面积大，被连接件在预紧应力和工作应 力的作用下不易被压溃产生塑性变形，从而减少螺栓松 动失效现象。
PENG Jia-ren
（CSR Zhuzhou Electric Locomotive Co.，Ltd.，Zhuzhou 412001，China） 粤遭泽贼则葬糟贼：This paper analyses the special points and mechanism of bolt connection mode on type HXD1 locomotive traction base， and shows the effect of bush to bolt application reliability by stress calculation. 运藻赠 憎燥则凿泽：type HXD1 locomotive；traction base；bolt；bush；stress analysis
-32-
彭家仁·HXD1 型机车牵引装置上的螺栓连接·2009 年第 1 期
从上述分析可见，图 1 中的右边组螺栓所受拉伸力 最大，在确定螺栓预紧力 M 时，必须保证在最大工作拉 力作用下被连接件不会因螺栓伸长而松动，因此在最大 工作拉力作用下被连接件中的剩余预紧力 z 要大于零， 在强固连接中取剩余预紧力 z= （0.5~1） 。取其中受拉 力最大的单件螺栓予以分析。图 2（a）为拧紧螺栓使被连 接件相接触；在 M 的作用下，螺栓产生拉伸变形 姿b， 同时牵引座和衬套产生压缩变形 姿n 如图 2（b）所示；在 工作拉力 的作用下，螺栓产生伸长变形Δ姿，同时牵 引座和衬套伸长变形之和也为 Δ姿，此时两者变形量相 同，如图 2（c）所示。
水平分量力矩 作用于图 1 右边单件螺栓上的拉伸 力 M 为：
M= /（180×8） = （ H×182） / （180×8） 式中： H= ·cos 6.1°。
因位处中心的两螺栓不受力距作用，故此处螺栓数 量取 8。
牵引力 垂向分量在单件螺栓上产生的拉伸力 V 为： V = ·sin 6.1°/10
通常机车上螺栓连接方式是采用螺栓和垫圈将被连 接件连为一体，但 HXD1 型机车的牵引座、砂箱 、变压 器、扫石器、轴箱拉杆等部件上采用螺栓加衬套的连接 方式，衬套的长度达螺栓直径 1.5 倍至 2 倍之间，衬套 的直径为螺栓直径 2 倍左右。本文将以 HXD1 型机车牵 引座的螺栓连接方式为例进行分析。
摘 要：分析 HXD1 型机车牵引座的螺栓连接方式中的特殊点及其机理，并通过受力计算说明了衬套对螺栓使用可
பைடு நூலகம்
靠性的影响。
关键词：HXD1 型机车；牵引座；螺栓；衬套；受力分析
中图分类号：U260.6
文献标识码：A
文章编号：1672-1187（2009）01-0032-02
Bolt connection of traction device on type HXD1 locomotive
式中： eq 为被连接件的等效截面面积，mm2； 为被连 接件的厚度，mm。
牵引座等效截面面积 eq 示意图见图 4。图中 为 与牵引座接触的衬套外径，取 70 mm； 为牵引座螺栓 安装处厚度，取 60 mm； 0 为牵引座螺栓安装孔直径， 取 38 mm。 eq =[（ + 0.5 ）2- 02] π/4=6 716.46 mm2。相 应的被连接件牵引座的刚度 m 为：
由牵引电机产生的牵引力通过牵引杆传递到牵引座 继而通过连接螺栓将力传递到与车体牵引梁焊为一体的 安装座上，带动机车运行。
为讨论问题简便，忽略牵引座和牵引杆自身重力对 螺栓的影响。单件螺栓中的工作载荷由牵引力 引起， 在安装座上设有止口的情况下，牵引力 的水平分量 H
不会在螺栓中产生剪力，因而仅需讨论牵引力垂向分量 与水平分量力矩在螺栓上产生的拉伸力。
b1= / 1 = （π×362/4） × ÷97.5=10.43 m1= eq1 / =6 101× /60=101.7 未加衬套时螺栓相对刚度系数为： b1（/ b1+ m1）=10.43 /（10.43 +101.7 ）=0.093
（下转第 40 页）
-33-
电力机车与城轨车辆·2009 年第 1 期
2 螺栓连接的刚度计算
2.1 加衬套时刚度计算 当工作拉力 作用于螺栓时，螺栓仍处在弹性变形
范围内，故其符合虎克定律。 依据拉压虎克定律，应力 滓 与应变 着 的关系式为： 滓＝ ·着
式中： 为材料弹性模量，MPa。 上式可改写为： / = ·姿/
式中： 为拉压力，N； 为螺栓截面面积，mm2；姿 为 拉压变形量，mm；蕴 为螺栓计算长度，mm。
式中：10 为牵引座连接螺栓数量。 假定牵引力 取最大值且为恒定载荷，则图 1 右边
组的单件螺栓上工作载荷拉力 最大。
1— 安装座；2—牵引座；3—衬套；4—螺栓（M36×180）。 图 1 牵引座安装视图
收稿日期：2008-06-24 作者简介：彭家仁，高级工程师，1976 年毕业于大连铁道学院焊接专业，主管机车车辆车体工艺工作。