一种城轨车车钩剪切螺栓的开发方法

陈宇，刘朔

中车唐山机车车辆有限公司  运修技术中心

摘要：城轨车辆在发生碰撞时，车钩的剪切螺栓触发来保护车辆底架及乘客安全，为了精确控制剪切螺栓的触发力，本文提出了一种剪切螺栓的开发方法，并叙述了针对国内B型地铁车辆使用的剪切螺栓的开发过程。

关键词：剪切螺栓；车钩缓冲装置；城轨车辆

引言

城轨车辆在发生碰撞时，车钩缓冲装置首先承担缓冲吸能作用，随后冲击力沿着车钩传递到车钩尾座上，车钩尾座上的剪切螺栓将会因此而断裂，使得车钩体从车钩安装座上脱出，掉到安全吊板上，此时车钩缓冲装置彻底失去作用，实现车体在碰撞发生的瞬间能够快速耗散巨大的冲击动能、在碰撞过程中车体发生有序可控的塑性大变形的目标，从而最大限度的保证乘员安全。因此，城轨车在受到撞击时，车钩剪切螺栓的精确触发，是保护车辆及乘客的关键所在。

1 剪切螺栓开发

1.1剪切螺栓材质选择

剪切螺栓作为车钩尾座重要的连接结构，需要有较高的强度和韧性，抗冲击能力好，较高的疲劳极限等特性。通常，该部位使用高性能合金钢，本文选取42CrMo4作为设计材料，并采用淬火和回火的热处理方式，增加材料性能的稳定性。

1.2剪切螺栓开发流程

剪切螺栓最大剪切力与自身直径关系不大；与剪切细径成正相关，螺栓剪切力与剪切凹槽横截面面积成正比。因此，为了确保触发剪切力精确，需要对初步设计的剪切螺栓小规模生产，进行型试试验，再调整剪切细径，最终形成制造图纸，再进行大规模制造，下图展示的是剪切螺栓的开发流程。

图1 剪切螺栓开发流程

以国内B型地铁为例，车钩缓冲装置触发的剪切力为800KN，通常每个车钩配置8颗剪切螺栓，即每颗剪切螺栓的触发力为100KN。下图为剪切螺栓的初步设计模型。

图2 剪切螺栓模型

1.3 剪切螺栓型式试验

本文使用一种既满足准静态试验要求又满足动态冲击试验要求的夹具，可将试验机的压缩载 荷有效转换为剪切螺栓的剪切载荷。下图为夹具示意图。

将小批量生产的剪切螺栓进行型式试验，测定其剪切力-位移曲线，数据用于修正剪切细径，指导最终图纸生成。本文选取了10PC样品进行试验。

图3 剪切螺栓试验夹具示意图

1.4 试验数据分析

剪切螺栓型式试验结果分别如表1和图4 所示。表1展示了该批次剪切螺栓受到剪切，发生断裂时的最大剪切力，数据控制在97.2-99.3KN区间内。剪切螺栓的触发力准确值应为100KN，由于制造误差及安全性等方面的考虑，设置剪切力偏差为[-5,0]KN，所以该批次剪切螺栓均符合设计要求。

表1 剪切螺栓试验参数

识别号	批次号	剪切力[KN]
117586-C_210	T10556	97.2
117586-C_151	T10556	99.0
117586-C_91	T10556	98.1
117586-C_31	T10556	98.7
117586-C_61	T10556	99.1
117586-C_121	T10556	98.7
117586-C_181	T10556	98.0
117586-C_91_2	T10556	99.3
117586-C_61_2	T10556	97.4
117586-C_1_2	T10556	98.8
117586-C_31_2	T10556	97.2

图4 剪切力与位移曲线图

图5 剪切螺栓断裂后形态

剪切螺栓试验后断裂形态如图 5 所示。可见，剪切螺栓断裂后断面光滑，与螺栓剪断方向近似平行，可判断剪切螺栓按设计要求和剪切模式断裂，螺栓开槽处具有一定的塑性变形。这种断裂形式可以满足螺栓断裂时，车钩身与钩尾座分离的要求。

2 总结

本文提出了一种以型式试验确认为核心的剪切螺栓开发方法，简述了剪切螺栓从材质选择、剪切细径理论计算、型式试验、细径调整整一系列工作。并将此方法运用至一种国内B型地铁车辆剪切螺栓开发工作中，成功开发了剪切螺栓，并应用于车钩检修过程中。

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