螺栓紧固件弯曲疲劳强度试验研究

发布时间：2020-07-19 10:43

【摘要】：高速列车轮轴系统中的轴装制动盘与车轴通过高强度螺栓间接连接。螺栓在运用过程中会出现弯曲载荷,曾出现导致制动盘螺栓断裂失效的情况。为此,研究螺栓弯曲疲劳强度对完善疲劳测试体系,提高我国动车组运行的安全性具有重要意义。本文选取了我国高速列车动车组线路实测数据,通过螺栓弯曲疲劳试验确定螺栓弯曲疲劳强度参数,以评估制动盘螺栓的可靠性。首先,通过分析制动盘螺栓受载过程中的实际工况,结合ABAQUS仿真结果,设计出可以基于MTS疲劳试验机,实现纯弯曲加载的螺栓试验工装。为保证工装耐久性要求,部分材质选用40Cr,并进行热处理。试验所用螺栓为M14×140的10.9级高强螺栓,并选取三个测量截面布置应变片,连接至EDaQ动态采集仪进行应变数据收集。试验所用设备为MTS810疲劳试验机,采用位移加载方式。实验表明测点的应变波形为正弦曲线,其幅值随距螺栓头部的距离增大而减小。基于ncode软件对实验数据进行处理,得到不同测量截面的应力幅度及循环次数。应力数据表明弯曲应力是拉伸应力的十倍以上;同一螺栓不同测量截面应力幅度与距螺栓头部的距离负相关,其关系式满足梁理论方程。计算出螺栓断裂处应力,结合循环次数绘制螺栓弯曲疲劳的S-N曲线,确定制动盘螺栓的弯曲疲劳强度。并将所得参数用于高速列车线路实测数据,基于ncode软件,完成制动盘螺栓的可靠性的评估。图48幅,表15个,参考文献41篇。
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O346.2;U270.33
【图文】：

照片,制动盘,螺栓,断口

动盘螺栓断裂的现象。通过分析制动盘螺栓断口照片可以发现，螺栓的断裂往往逡逑并不是简单过载或单一载荷作用所导致的，断口的方向等暴露出螺栓运用过程中逡逑存在着复杂的载荷交变作用，螺栓断口照片如图１－１所示。逡逑断口逡逑－％，逡逑ａ）逦ｂ）逡逑图１－１制动盘螺栓断口照片ｍ逡逑Ｆｉｇ．邋１－１邋Ｐｉｃｔｕｒｅ邋ｏｆ邋ｂｒａｋｅ邋ｄｉｓｃ邋ｂｏｌｔ邋ｆｒａｃｔｕｒｅ逡逑１．２国内外研究现状逡逑１．２．１螺栓紧固件疲劳强度逡逑疲劳失效在各种机械破坏事故的失效形式中往往居于首位，比例大概占到逡逑５０％到９０％，主要包括腐蚀疲劳、高温疲劳、接触疲劳、热疲劳等。逡逑２逡逑

几何形状,破坏概率,螺栓

栓与螺母的旋合位置，将其称为ＫＰ部位。有关统计资料证明：螺栓疲劳破坏６５％逡逑发生在ＫＰ部位，２０％发生在不完全螺纹处，１５％发生在螺栓头与螺杆过渡部位ｔｕＩ，逡逑如图１－２所示。逡逑广；、逡逑Ｌ－－６５％逡逑２０％逡逑厂１５％逡逑图１－２螺栓疲劳破坏概率分布逡逑Ｆｉｇｕｒｅ．邋１－２邋Ｂｏｌｔ邋ｆａｔｉｇｕｅ邋ｆａｉｌｕｒｅ邋ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ邋ｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙ逡逑１．２．２螺栓弯曲疲劳试验工装研究逡逑理论上己经多次证明，附加的弯曲应力会削弱螺栓的疲劳强度。进一步研宄逡逑表明，螺栓弯曲应力的大小和允许值与螺栓本身的几何形状有关，尤其与螺栓的逡逑预紧力有关。然而满足弯曲加载的方式实际中很少能够做到，使这些研究成果在逡逑实践中只具有定性的使用价值。逡逑螺栓的轴向拉伸实验有着国际的标准测试手段，而对于承受纯弯曲应力的螺逡逑栓紧固件，国内外并没有标准的测试方法，且无法找到公开的螺栓弯曲实验数据，逡逑这可能是因为在不使用两个液压缸的情况下，构建能够在高拉伸预载荷下产生弯逡逑曲载荷的测试装置并非易事。逡逑Ｈｅｎｒｉｋ邋Ｗｅｎｔｚｅｌ，Ｘｉｙｕｅ邋Ｈｕａｎｇ等人提出了一种独特的方法［４］

示意图,螺栓,应变片,样本

逡逑试验机来进行螺栓的弯曲疲劳测试，实验装置如图１－３所示。测试设备主要由两个逡逑平行的钢板组成，两个钢板通过螺栓夹紧，并通过铰链连接以实现相对的旋转。逡逑ＭＴＳ试验机通过对两块板两端的施加周期相对位移，在螺栓夹紧的情况下实现围逡逑绕铰链的旋转，从而使工装对螺栓结构施加弯曲载荷。两板两端开出用于夹持样逡逑本螺栓的孔，螺栓通过两孔定位，并通过扭矩施加一定的预紧力将上下板连接。逡逑ｒｍｒ逡逑Ｌａ邋＝邋１４８．７５逡逑，ｌｉ逦—邋＿逦人厶＝１．２５逡逑丨瞧逡逑图１－３弯曲测试装置的示意图和照片图像１４１逡逑Ｆｉｇ．邋１－３邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎ邋ａｎｄ邋ｐｈｏｔｏｇｒａｐｈｉｃ邋ｉｍａｇｅ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｂｅｎｄｉｎｇ邋ｔｅｓｔ邋ｓｅｔｕｐ逡逑测试的螺栓长度为１４０ｍｍ，强度等级１０．９级的Ｍ１４粗牙ＩＳＯ米制法兰螺栓，逡逑螺纹部分经过热处理工艺。所有的螺栓来自于同一厂家同一批次的螺栓。对应的逡逑螺栓为强度等级为１０的法兰螺栓，螺栓和螺母从同一家制造商批发［４］。螺栓样本逡逑如图１－４所示。逡逑ＨｌＨＣＴＥＳＢＨＢｉ逡逑４８邋

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