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动车组车钩焊接螺栓断裂改进设计

摘要：针对动车组车钩支架焊接螺栓断裂问题进行分析，通过对
焊接螺栓断裂的原因进行分析，确定螺栓断裂的主要原因。通过对螺
栓受力的理论分析，校核螺栓强度是否满足使用要求，通过车钩的模
拟试验，模拟焊接螺栓的实际受力状态，分析螺栓的状态，最后确定

焊接螺栓的优化改进建议。

关键词：动车组；螺栓断裂；仿真分析

1概述

动车组发生头车开闭机构内车钩电气布线的支架的焊接螺栓断裂连同防松螺
母丢失。车钩电气布线支架固定在车钩上，前端气动系统制动管路通过吊座固定
在布线支架上，断裂的螺栓为制动管路用吊座和电器布线支架间的紧固螺栓。焊

接螺栓的结构如图1所示。

图1焊接螺栓结构

2螺栓断裂原因分析

此焊接螺栓结构应用在动车组头车车钩上，在车辆重联运行时，
此焊接螺栓要承受车辆振动的力，以及螺栓上安装的制动管路的拉扯

力，为确认螺栓断裂的真正原因，需要对以上各种因素进行分析。
2.1曲线通过模拟

根据车钩前端安装图纸，制作车钩模拟工装及软管两端接口工装。

将布线支架及固定吊座按照图纸固定在车钩模拟工装。

根据车钩摆角计算及分析，可以的得出R180曲线车钩摆角最大。
基于车端关系试验台进行R180m线路条件下3个工况模拟台架试验，
检查在曲线工况下制动管状态。其中水平S曲线半径180m夹直线
10m线路车钩拉伸30mm工况下，制动管状态拉紧，制动管未脱落断裂。

其余工况制动管状态良好。

图2曲线通过模拟试验

2.2强度仿真计算

通过模拟最恶劣线路工况，采集吊座应力，通过有限元分析，确
定应力-应力的标定关系，反推吊座受力情况。将力值作为有限元输

入，其边界条件与真实情况一致，进行静力学分析及疲劳强度分析。

载荷施加：1.固结强度要求纵向3g，横向1g，垂向3g。

2.考虑线路运行最恶劣工况，通过力-应力

标定，确定R180m反S曲线工况下，吊座承受140N压力，考虑2倍

安全余量，对计算模型吊座施加280N压缩力。

图2强度分析

通过对螺栓连接结构固结强度校核，该结构最大等效应力为

175.1MPa，位于吊座螺栓孔位置，小于材料屈服强度205MPa，连接结

构强度满足要求。

2.3断裂螺栓分析

通过对断裂螺栓表面质量进行分析，螺栓进行宏观形貌观察、微观分析，通
过观察螺栓断面微观形貌发现，断面由疲劳扩展区及瞬断区组成，其中在疲劳扩
展区可以看到较明显的疲劳辉纹。疲劳扩展区面积较大，占整个断面的60％左右，
瞬断区面积较小，占整个断面的40％左右，证明裂纹扩展过程中所受应力水平较
低。裂纹起源于螺纹根部缺陷，向内扩展。随着裂纹的扩展，由疲劳扩展区进入

瞬断区，最终断裂。此断裂属于应力水平较低的高周疲劳断裂。

图3断裂螺栓分析

3.优化措施

针对以上对焊接螺栓断裂原因的分析，制定以下的改进建议：
1.根据静强度及疲劳强度结果螺栓孔位置应力最大，点焊焊接接头易产生应
力集中。避免点焊焊点应力集中，导致出现裂纹，将焊接接头点焊改为圆周焊接，

在生产过程中对焊接质量进行控制。

2.调整焊接螺栓的位置，将焊接螺栓的位置向车钩旋转中心移动80mm，减少
焊接螺栓受到的横向力，焊接螺栓紧固位置优化后应力数据最大为20.5MPa，原

紧固位置应力最大38.7MPa，相比优化前应力下降接近50%。