地铁车辆顶板骨架无法施打扭力优化研究

赵思静，樊双怀，郝羽

中车成都机车车辆有限公司技术中心，四川 成都 610051

摘要：本文针对装配空间受限无法施打扭力的问题，以及扭力螺栓连接技术存在的局限性，提出了装配部件结构优化的解决方案。通过对顶板骨架进行结构优化，使其能够实现扭力连接，提高连接的可靠性和稳定性。同时，引入螺纹锁固剂的正确使用方法，进一步提升连接的锁紧效果和使用寿命。本研究采用有限元分析和实验验证相结合的方法，对优化结构和螺纹锁固剂的效果进行了验证。结果表明，优化后的装配部件结构和正确使用的螺纹锁固剂能够显著提高扭力连接的性能，为实际工程应用提供了可行的解决方案。

关键词：装配部件结构优化、扭力连接、螺纹锁固剂、有限元分析

0引言

近年来，轨道交通装配领域的发展日新月异。然而，在实际装配过程中，由于装配空间受限，常常无法采用传统的扭力螺栓连接技术进行连接，给装配工作带来了一定的困扰和挑战。为了解决这一问题，本文关注装配部件结构的优化，旨在研究出适用于受限空间的连接方式。

装配部件结构优化作为一种解决方案，通过改变部件的几何形状和结构布局，以适应受限的装配空间。通过合理的优化设计，可以使装配部件在有限的空间内实现可靠的扭力连接，从而提高连接的可靠性和稳定性。同时，为了进一步验证和评估优化结构的性能，有限元分析成为一种常用的工具，用于模拟和预测连接在特定工况下的力学行为。

本文的研究目的是针对受限空间无法施打扭力的问题，通过装配部件结构的优化和螺纹锁固剂的正确使用，实现顶板骨架的可靠扭力连接。我们将通过实验验证和有限元分析方法，评估优化结构和螺纹锁固剂使用方法对连接性能的影响。首先，通过实验测试，我们将获取装配部件在受限空间中扭转行为的实际数据，并对连接的可靠性进行评估。然后，基于有限元分析建立相应的数值模型，模拟连接在不同工况下的力学性能。通过对模拟结果的分析和比较，验证优化结构的可行性和有效性。

本研究的结果将为轨道交通装配领域提供新的解决方案，为实际工程项目中受限空间装配提供技术支持和指导。

1扭矩螺栓连接技术缺陷分析

1.1 空间限制导致无法施打扭矩

某地铁车内车顶结构有顶板骨架、车内线槽，由于顶板骨架安装时，车内线槽已安装到位，线槽挡住扭力扳手施打行程，顶板骨架的连接空间有限，无法使用扭矩扳手进行扭矩连接，导致连接紧固不牢，影响骨架模块的稳定性和可靠性。

1.2 螺纹松动和松脱

由于运营时风道受到的振动和冲击力较大，加之连接处受到气流的影响，容易导致扭矩螺栓的螺纹松动和松脱，使顶板骨架的连接失效，影响列车的安全运营。

1.3 螺纹锁固剂使用不当

在扭矩螺栓连接过程中，螺纹锁固剂可以提高连接紧固力和防止螺纹松动，但若使用不当也会导致螺纹锁固剂的粘度过高或过低，导致连接紧固力过大或过小，影响顶板骨架的稳定性和可靠性。

2装配部件结构优化

顶板骨架连接座是连接的关键部位，也是扭力需求较高的部位。因此，通过对头部结构进行优化，实现力矩施打需求。优化部件的几何结构，如图1所示，,通过优化装配部件的几何结构，可以使其在体积和重量上更加紧凑，从而在装配时更加方便，同时还可以提高螺栓的锁紧力，确保其在使用过程中的稳定性和安全性。具体而言，将连接座螺栓处材料加长，可以增加扭力扳手形成空间，实现扭矩拧紧。

图1 顶板骨架连接座更改前后对比

3螺纹锁固剂使用规范

3.1准备工作

确保螺纹连接表面干净无油脂或其他污垢使用清洁剂或溶剂清洁螺纹表面，并用干净的布或纸巾擦干。预处理：对于特殊材料或特殊要求的螺纹连接，可以根据需要进行预处理。例如，去除氧化层、使用活化剂等。

3.2涂覆螺纹锁固剂

使用适当的工具（如刷子、滴管等），将螺纹锁固剂均匀涂覆在螺纹连接的螺纹表面上。确保涂覆的面积和厚度均匀一致。适量使用：控制涂覆螺纹锁固剂的用量，避免过量或不足。均匀涂覆：确保螺纹锁固剂均匀涂覆在螺纹表面上，以确保最佳的粘附性和密封性。涂覆方向：在螺纹啮合部位3~5个螺纹上360°涂胶，胶填满整个螺纹间隙。通常情况下，按照螺纹的顺时针方向涂覆，以便在连接过程中实现最佳的紧固效果。对于通孔，螺栓穿过螺孔，滴几滴螺纹锁固剂至啮合处，拧上螺母，上紧至规定力矩；对于孔深度大于螺栓长度的，将螺纹锁固剂滴到螺栓上拧入；对于盲孔，滴几滴至螺纹孔底，再滴几滴到螺钉的螺纹，拧入联螺钉并上紧；自下向上安装的盲孔，只在螺纹表面涂打。

3.3等待固化

螺纹锁固剂在25°时的完全固化时间为24h。

3.4清除多余的螺纹锁固剂在螺纹锁固剂固化之前，使用干净的布或纸巾及时清除多余的螺纹锁固剂。注意避免固化后的残留物对连接造成干扰。

4有限元分析模拟

4.1骨架组成有限元分析计算

此次计算分析对象几何模型如图 2所示，结构主要由纵梁、横梁和连接座组成，通过螺栓安装到车体。模型总重约 57.77Kg。计算内容包括：（1）静载荷工况下结构强度（2）疲劳载工况下结构疲劳强度（3）冲击载荷工况下结构强度（4）模态计算计算采用 HYPERMESH 为前处理软件，求解器与后处理软件分别采用 OPTISTRUCT 及HYPERVIEW。

图2几何模型示意图

4.2坐标系统

X轴(对应于车辆纵轴)的正向是运动方向；Y轴(对应于车辆横轴)在水平面内；Z轴(对应于车辆垂直轴)的正方向向上。

4.3网格离散

模型主体结构采用壳单元模拟主体板壳结构，使用梁单元和刚性连接单元模拟螺栓连接。 整个模型划分单元 790952 个，节点 414776 个。

4.4边界条件

骨架组成通过螺栓安装到车体上，根据实际情况约束连接座螺栓孔处的所有自由度，具体边界条件如图3所示。

图3 边界条件示意图

4.5载荷工况

静态载荷工况，静强度载荷采用 EN12663-1:2010 标准规定的 P-II 类设备载荷，具体静态强度工况载荷见表 6-1，表中 g 为重力加速度，取 g=9.81m/s2。

表1静载荷工况

静态工况	外力载荷	重力加速度	备注
S01	1500N	-1g	每根横梁均布 1500N 垂直向下
S02	2000N	-1g	整体骨架均布垂直向下载荷

4.6疲劳载荷工况

根据计算大纲，疲劳载荷采用 EN 12663-1:2010 中 P-II 类规定的设备疲劳载荷。根据 EN12663-1:2010 规定，结构最小循环次数为 107。具体疲劳载荷工况见表2。表中 g 为重力加速度，取 g=9.81m/s2。

表2静载荷工况

疲劳工况	加速度载荷
	X向	Y向	Z向
F01	0.15g	0.15g	-1.15g
F02	0.15g	0.15g	-0.85g
F03	0.15g	-0.15g	-1.15g
F04	0.15g	-0.15g	-0.85g
F05	-0.15g	0.15g	-1.15g
F06	-0.15g	0.15g	-0.85g
F07	-0.15g	-0.15g	-1.15g
F08	-0.15g	-0.15g	-0.85g

4.7冲击工况

根据客户要求，冲击载荷采用IEC61373-2010标准规定的载荷，按照图 4所示施加时间历程冲击信号。具体冲击工况载荷见表3，表中 g 为重力加速度，取 g=9.81m/s2。

图3 IEC61373-2010中规定的冲击加速度曲线

表3 冲击载荷工况

冲击工况	脉冲时间 D(ms)	脉冲峰值加速度A			备注
		X向	Y向	Z向
T01	30	5g			恒定 1g 重力加速度
T02	30	-5g
T03	30		3g
T04	30		-3g
T05	30			-3g
T06	30			3g

4.8结构强度评估

对于塑性材料，选取第四强度理论进行评估。其等效应力（von. Mises stress）表示如下：

𝜎𝑒𝑞𝑢𝑖𝑣𝑎𝑙𝑒𝑛𝑡 =

其中：𝜎𝑖 为三个方向的主应力，i = 1，2，3。 静强度利用系数由下公式计算得到：

𝑈𝐹𝑠 = 𝜎𝑒𝑞𝑢𝑖𝑣𝑎𝑙𝑒𝑛𝑡/𝜎𝑎𝑙𝑙𝑜𝑤𝑎𝑏𝑙𝑒

其中，𝜎𝑒𝑞𝑢𝑖𝑣𝑎𝑙𝑒𝑛𝑡为有限元计算得到的等效应力, 𝜎𝑎𝑙𝑙𝑜𝑤𝑎𝑏𝑙𝑒为许用应力。 根据 EN 12663, 许用应力计算公式如下:

𝜎𝑎𝑙𝑙𝑜𝑤𝑎𝑏𝑙𝑒 = MIN( 𝑅0.2 𝑆1 , 𝑅𝑚𝑆2 )

其中， R0.2 为材料屈服强度，Rm 为材料抗拉强度，根据 EN 12663，𝑆1 = 1.15, 𝑆2 = 1.5。静强度利用系数应满足 𝑈𝐹𝑠 ≤ 1.0。

4.9焊缝应力计算

焊缝的各个应力分量由相邻母材单元的应力计算得出，𝜎𝑟⊥、𝜎𝑟∥、𝜏𝑟⊥与𝜏𝑟∥分别为焊缝的垂向正应力、平行正应力、垂向切应力与平行切应力；𝜎⊥、𝜎∥和𝜏⊥分别为焊缝相连单元的垂直焊缝正应力、平行焊缝正应力和垂直焊缝切应力。t为板厚，a 为焊缝的高度。

焊缝静强度根据靠近焊缝的单元等效应力计算焊缝等效应力进行评估，焊缝等效应力计 算公式如下:

𝜎𝑒𝑞𝑣,𝑤𝑒𝑙𝑑 =

焊缝静强度利用系数计算公式为：

𝑈𝐹𝑤𝑒𝑙𝑑,𝑠= 𝜎𝑒𝑞𝑣,𝑤𝑒𝑙𝑑/𝜎𝐻𝐴𝑍,

其中，𝜎𝐻𝐴𝑍 为热影响区材料的许用强度。

焊缝静强度利用系数应满足 𝑈𝐹𝑤𝑒𝑙𝑑,𝑠 ≤ 1.0。

4.10母材疲劳强度评估(DVS1608)

铝合金结构母材疲劳强度根据 DVS1612 进行评估，材料参数对应存活率为 97.5%。评估过程如下。

在一个疲劳循环下，根据有限元结算结果得到的各应力分量，计算应力幅值张量𝜎𝑎；

计算主应力疲劳利用系数𝑈𝐹𝑎,𝑖 = |𝑆𝑎,𝑖/𝑆𝑎,𝑖,𝑧𝑢𝑙|, 其中 𝑆𝑎,𝑖 为 𝜎𝑎 各主应力，i=1, 2, 3。

𝑆𝑎,𝑖,𝑧𝑢𝑙为各主应力许用幅值，参考 DVS1608 计算得到；

利用以下公式计算各主应力疲劳利用系数组合等效疲劳利用系数

𝑈𝐹𝑎 = (+ 𝑈𝐹𝑎,1 ∙𝑈𝐹𝑎,2 + 𝑈𝐹𝑎,1 ∙𝑈𝐹𝑎,3 + 𝑈𝐹𝑎,2 ∙𝑈𝐹𝑎,3) 0.5

最后，所有疲劳工况下母材疲劳强度利用系数 𝑈𝐹𝑏𝑎𝑠𝑒,𝑓= MAX(𝑈𝐹𝑎)； 母材疲劳强度利用系数应满足 𝑈𝐹𝑏𝑎𝑠𝑒,𝑓 ≤ 1.0。

4.10焊缝疲劳强度评估(DVS1608)

铝合金结构焊缝疲劳强度根据 DVS1608 进行评估，材料参数对应存活率为 97.5%。评估过程如下。

在一个疲劳循环下，根据有限元结算结果计算得到的各焊缝应力分量。焊缝疲劳强度评估包括板截面和焊缝截面强度评估；

对于板截面，计算以下焊缝应力分量的利用系数

𝑈𝐹w𝑇 = | |, 𝑈𝐹𝑁 = | |，𝑈𝐹𝜏= | |；

对于焊缝截面，计算以下焊缝应力分量的利用系数

𝑈𝐹w𝑇 = | |，𝑈𝐹w𝑁 = |,𝑈𝐹w𝜏= | |;

其中，𝜎𝑇𝑧𝑢𝑙, 𝜎𝑁𝑧𝑢𝑙, 𝜏𝑧𝑢𝑙, 𝜎𝑤𝑁𝑧𝑢𝑙为各焊缝应力分量许用幅值，根据DVS1608计算得到；计算板截面焊缝应力分量组合等效疲劳利用系数

𝑈𝐹com,p = (+ 𝑈𝐹T∙𝑈𝐹N+) 0.5

计算焊缝截面焊缝应力分量组合等效疲劳利用系数

𝑈𝐹com,ω = (+ 𝑈𝐹ωT∙𝑈𝐹ωN+) 0.5

最后，所有疲劳工况下焊缝疲劳强度利用系数为𝑈𝐹𝑤𝑒𝑙𝑑,𝑓 = 𝑀𝐴𝑋(𝑈𝐹𝑐𝑜𝑚,𝑝,𝑈𝐹𝑐𝑜𝑚,𝑤)；

焊缝疲劳强度利用系数应满足𝑈𝐹𝑤𝑒𝑙𝑑,𝑓 ≤ 1.0。

4.10结构静强度评估结果

根据结构静强度评估准则对结构静强度进行评估。表4列出了各工况下的计算结果。通过结果可以看出，所有工况下最大强度利用系数均小于标准规定的1.0，能够满足结构静强度的要求。

表3 静强度工况评估结果汇总表

静态工况	最大应力MPa	位置	最大利用系数	结论	最大位移mm
S01	95.9	连接座	0．96	满足要求	4.81
S02	24.0	连接座	0.24	满足要求	1.12

4.10疲劳强度评估结果

根据疲劳强度评估准则对结构疲劳强度进行评估。

按照 DVS1608的要求，所有疲劳工况下母材及焊缝疲劳强度的最大利用系数分别为0.13 和 0.47，小于评估标准要求的 1.0，能够满足疲劳强度的要求。

4.11冲击工况评估结果
通过IEC61373 冲击工况计算结果。通过表4结果可以看出所有工况下最大强度利用系数均小于标准规定的1.0，能够满足冲击工况强度要求。

表3 静强度工况评估结果汇总表

工况	最大应力MPa	位置	最大利用系数	结论
T01	91.2	连接座	0.91	满足要求
T02	91.1	连接座	0.91	满足要求
T03	41.6	连接座	0.42	满足要求
T04	41.6	连接座	0.42	满足要求
T05	38.0	连接座	0.38	满足要求
T06	13.9	连接座	0.14	满足要求

5 结果分析

通过有限元分析模拟，我们获得了装配部件结构优化和螺纹锁固剂正确使用方法的相关结果。以下是对模拟结果的分析和讨论：

5.1连接强度和稳定性

与传统结构相比，优化后的装配部件结构在扭力加载下表现出更高的连接强度和稳定性。有限元分析显示，优化后的结构减少了连接部件的应力集中现象，并提高了连接的均匀性。

5.2扭力传递效率

通过有限元分析模拟，我们评估了优化后的装配部件结构和正确使用螺纹锁固剂对扭力传递效率的影响。结果显示，优化后的结构和螺纹锁固剂的正确使用能够提高扭力的传递效率，减少能量损失和转矩分散现象。

5.3抗振动和抗冲击性能

通过模拟振动和冲击加载条件，我们评估了装配部件连接在实际工况下的抗振动和抗冲击性能。模拟结果表明，优化后的结构和螺纹锁固剂的使用可以有效提高连接的抗应力能力，减少松动和脱落的风险。

5.4材料应力分布分析

通过有限元分析，我们可以获得装配部件结构中不同材料的应力分布情况。通过分析应力分布图，我们可以确定装配部件结构中的关键应力集中区域，并进一步优化设计和材料选择。

综合以上结果分析，我们得出结论：装配部件结构优化和螺纹锁固剂的正确使用方法在装配部件连接方面具有显著的优势。优化后的结构和正确使用螺纹锁固剂能够提高连接的强度、稳定性和扭力传递效率，同时增强连接的抗振动和抗冲击性能。通过有限元分析的模拟验证，我们验证了这些改进措施的有效性。

6结束语

本研究旨在解决轨道交通装配过程中受限空间无法施打扭力的问题，并通过装配部件结构的优化和螺纹锁固剂的正确使用，实现顶板骨架的可靠扭力连接。通过实验验证和有限元分析的方法，我们对优化结构和螺纹锁固剂使用方法进行了研究，并取得了一些有意义的结果。

参考文献

[1]徐志远.乐泰螺纹化学锁固与密封技术[J]．汽车技术1992年第006期:34-443.