中车青岛四方机车车辆股份有限公司 山东省 青岛市 266111
摘要:高速动车组牵引、动力系统中的高强度螺栓产品是动车组中经济价值最高的标准件,对品质和可靠性的要求极高,我国生产还不能完全达到国产化,如齿轮箱与电机、齿轮箱与齿轮箱连接、轮毂与转向架之间螺栓风险等级最高,都是关系人民生命、财产安全的重要连接件。
关键词:动车组;高强度螺栓;原材料
随着高速动车组动力的大容量化、大型化和功率转速的不断提高,牵引、传动的工况条件更加复杂且苛刻,纵观各类行车事故案例,动车组螺栓的断裂失效是影响高速动车组安全运行的巨大隐患,在螺栓的断裂失效模式中,涵盖了螺栓的疲劳断裂失效、塑性断裂失效和脆性断裂失效等三大类型。分析造成螺栓断裂失效的因素主要有以下几种:①螺栓材质不良,钢材内非金属夹杂物严重,成为疲劳裂纹源;②螺栓制造工艺欠合理,造成螺栓力学性能不符合标准要求或螺栓制品具有原始裂纹,使用时扩展断裂;③设计选择的螺栓满足标准要求,但疲劳强度难以满足实际工况需求;螺栓连接设计不科学,无法达到紧固扭矩。为此,对高速动车组高强度螺栓的性能提出了更高的要求。
1螺栓原材料质量
1.1螺栓规格
螺栓制造必须符合IS0898-1:2009《紧固件机械性能螺栓、螺钉和螺柱》标准规范,紧固件所需材料碳素结构钢、合金结构钢符合DNEN20898-1、DINEN20898-2及IS0898-1、IS0898-2规定的钢制螺栓及螺母与螺栓连接(件)。CRH380型动车组部分螺栓规格,见表1。
表1CRH380型动车组部分螺栓规格
序号 | 品种 | 规格 | 等级/头标 | 材料 | 表面处理 |
1 | 吊杆螺栓(非标) | M16×140 | 10.9/NKM | 42CrMo4 | 达克罗 |
2 | IS04014六角头螺栓 | M16×220 | 8.8/Z | 36MnB4 | 电镀黄锌 |
3 | IS04014六角头螺栓 | M24×250 | 8.8/SBE | 33B2 | 电镀黄锌 |
4 | IS04014六角头螺栓 | M14×105 | 10.9/SBE | 30MnB4 | 达克罗 |
5 | IS04014六角头螺栓 | M14×105 | 10.9/FF | 38B2 | 达克罗 |
6 | IS04017六角头螺栓 | M20×70 | 8.8/FF | 32CrB4 | 电镀黄锌 |
1.2化学成分对比
采用德国OBLF公司GS1000直读光谱仪,参照标准DINEN20898-1及IS0898-1、规定,对CRH380型动车组部分螺栓用材料进行成分分析,结果见表2。从其结果来看,动车组螺栓与国内螺栓用材料有较大的不同,主要采用的标准的不同,欧盟一般采用EN10263-2005《冷镦和冷挤压钢线材、棒材和线材》第4部分的钢种,而国内生产一般用GB/T国标和采用JISG3507,JISG4053或者SAE、ASTM、台湾中钢标准。
表2CRH380型动车组部分螺栓用材料化学成分(质量分数,%)
规格 | C | Si | Mn | Cr | Mo | B | P | s |
标准8.8级 | 0.25~0.55 | - | - | - | - | ≤0.003 | ≤0.025 | ≤0.025 |
M16×220 | 0.347 | 0.259 | 1.068 | 0.227 | 0.013 | 0.0034 | 0.012 | 0.006 |
M24×250 | 0.321 | 0.108 | 0.899 | 0.166 | 0.117 | 0.0043 | 0.008 | 0.003 |
M20×70 | 0.333 | 0.083 | 0.675 | 0.659 | 0.009 | 0.0031 | 0.011 | 0.009 |
标准10.9级 | 0.20~0.55 | - | - | - | - | ≤0.003 | ≤0.025 | ≤0.025 |
M14×105 | 0.320 | 0.097 | 0.888 | 0.240 | 0.008 | 0.0042 | 0.012 | 0.013 |
M14×105 | 0.414 | 0.074 | 0.765 | 0.282 | 0.005 | 0.0038 | 0.006 | 0.009 |
M16×140 | 0.454 | 0.296 | 0.606 | 1.047 | 0.185 | - | 0.014 | 0.001 |
1.3非金属夹杂物
钢中的非金属夹杂物割裂了螺栓材料的连续性,剥落后就成为凹坑或裂纹,在冷镦成形时极易形成裂缝,热处理时易造成应力集中,产生淬火裂纹。在静载荷和动载荷的作用下,往往成为高强度螺栓失效的裂纹源,特别是B类(氧化铝类)和D类(球状氧化物类)是造成冷镦开裂和早期疲劳破坏的主要原因之一,一般紧固件的强度级别越高,夹杂物的危害性越大;夹杂物尺寸越大、距表面距离越近,危害性越大。冷镦钢性能的好坏直接影响到高强度螺栓的性能,影响冷镦钢质量的因素主要有4个:一是钢中夹杂物含量、形态、分布和大小;二是钢中的带状组织形态、分布和大小;三是钢中的中心疏松缩孔和中心偏析;四是冷镦钢产品性能的一致性。按照GB/T10561-2005《钢材中非金属夹杂物含量的测定标准评级图显微检验法》,采用A法(最恶劣视场评定),非金属夹杂物按JK图评定,对动车组螺栓进行非金属夹杂物进行了评级。
根据夹杂物的形态,标准图谱分为A类(硫化物)、B类(氧化铝)、C类(硅酸盐)、D类(球状氧化物)和DS类(单颗粒球状)五大类。国内常用的螺栓钢材标准,如GB/T6478-2015、GB/T3077-2015、GB/T699-2015等将非金属夹杂物的检验规定为协议项目,具体的合格指标也是由供需双方协商。介于此,高速动车组高强度螺栓,推荐合格指标为A类≤1.0级,B、C、D类≤1.5级,Ds类≤1.0级。从CRH380型动车组螺栓非金属夹杂物评级结果看,质量明显优于国内钢材,且按GB/T34474.1-2017《钢中带状组织的评定第1部分:标准评级图法》检测,在带状组织控制方面也占优。钢中的低倍组织缺陷将导致钢材冷镦温锻时开裂,一般情况下,缺陷越严重,而热处理时其淬火裂纹的倾向性越大,必须严格检验。按照GB/T226-2015《钢的低倍组织及缺陷酸蚀检验法》、GB/T1979-2001《结构钢低倍组织缺陷评级图》,对CRH380型动车组螺栓钢的中心疏松、一般疏松、方形偏析评级均≤0.5级,不存在白点、缩孔、气泡、翻皮等缺陷。
2动车组螺栓的研发与展望
动车组牵引、传动部分,几乎不采用其他紧固方法(例如焊接、粘结)代替螺纹连接。由于螺纹紧固的可靠性极高,且已经紧固的螺纹也比较容易拆卸,易于更换和维修。
从疲劳寿命角度来看,高速动车组高强度螺栓属于准高周疲劳6;而对于准高周疲劳,则主要考虑强度指标,螺栓的屈强比匹配非常重要,应在保持一定强度基础上,尽量提高材料的塑韧性。根据EN标准,对动车组高强度螺栓的疲劳性能提出了具体要求,即在疲劳试验机的加载频率为25Hz/min的循环下不允许产生断裂或裂纹,8.8级的载荷循环次数为≥2×10°次:10.9级和12.9级的载荷循环次数为≥4.5×10°次:每批次至少要试验15件,甚至试验多达50件样品。高强度螺栓疲劳性能检验不是生产的例行检验,而是我们生产商获取生产资质的证明。生产资质认可不是针对紧固件设计,而是对紧固件制造商的制造工艺和质量的认可。
高速动车组采用分散式动力分布,尽管高强度螺栓承载力较低,但由于其运行速度高,需要长时间准周疲劳服役,对力学性能及综合使用性能要求十分苛刻,不允许存在任何项目超标。由于高强度螺栓的破坏主要是疲劳破坏,因此,动车组高强度螺栓的疲劳性能验证非常重要,尤其是针对新产品、新材料的高速动车组高强度螺栓。目前国标(GB)、铁标(T)缺乏高速动车组高强度螺栓疲劳性能测试技术要求及方法,应加快制定相关标准。当今国内紧固件制造的产品大都没有达到EN标准中最低标准,且达不到试装车的最低要求。
3结论
高速动车组高强度螺栓是国内的“短板”产品,牵引、传动部分100%需要进口。从调研情况看,动车组高强度螺栓市场没有壁垒,动车组10多年的发展到新阶段受到一定条件的限制,采用新材料是必然的,也是迫切的,否则很难满足使用要求。通过对动车组高强度螺栓质量分析,以期实施国产化达到或超过进口水平,完全满足我国高速动车组实际运用要求,实现动车组高强度螺栓的自主制造和产业化,完成具有我国自主知识产权的高速动车组高强度螺栓技术再创新。
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