CN201224849Y - 高疲劳强度钢轨用螺纹联接结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种高疲劳强度钢轨用螺纹联接结构，由螺栓及螺母构成，其中：螺栓为六角头螺栓且其螺纹段制在下部的同轴柱台上，与该螺栓相旋合的螺母为正锥台形螺母。本实用新型的螺纹联接结构突破传统钢轨螺纹联接安装形式，采用正锥台形螺母与六角头螺栓倒置安装形式，可显著改善螺栓轴向应力集中现象，在很大程度上提高了钢轨用六角头螺栓的疲劳强度及使用寿命；并采用减小六角头螺栓的非螺纹段直径方式，使其在具有高疲劳强度的基础上进一步提高承受振动冲击的能力，从而保证铁路钢轨与枕木联接的安全性、稳固性，降低铁路运输事故发生率。

Description

高疲劳强度钢轨用螺纹联接结构

技术领域

本实用新型属于机械零件领域，特别是一种高疲劳强度钢轨用螺纹联接结构。

背景技术

螺纹联接方式是机械设备、工程结构、汽车、铁路中最为广泛使用的联接方式，其具有联接强度高、结构简单、拆装方便、调整容易等优点。特别是在铁路运输方面，钢轨与枕木之间的联接多采用螺栓螺母联接方式，螺栓是最为关键的联接部件，其强度直接影响钢轨与枕木联接的安全性和可靠性，进而影响机车运行的安全性。随着我国铁路运输业的不断发展，其已经逐渐形成高密度、大轴重以及高速度并举的局面，速度和轴重的同时提高，使钢轨的负荷量也不断增加，从而加剧了对螺栓的破坏，这无疑对螺栓的使用性能及螺栓螺母的联接结构提出了更高的要求。

目前钢轨与枕木之间所采用的螺栓螺母联接结构为：螺栓竖直固装于枕木上，螺纹端外露于枕木表面，在螺栓上依次套装可压紧于钢轨下沿一侧边的扣板及弹条，螺母旋合拧紧于弹条上部的螺栓端部，通过压紧弹条将扣板压紧于钢轨下沿，以实现钢轨与枕木的稳固联接，参见图4。现有的螺栓螺母的结构及其联接方式存在着一定的弊端：首先，钢轨所受外力直接由弹片传递至螺母，因此螺栓在承受轴向力时，其应力主要集中于与螺母旋合部分的螺纹处，导致此处的拉伸应力及弯曲应力较大，极易造成螺栓的疲劳损伤，降低其使用寿命；而且，现有钢轨用规则形状的螺母也在一定程度上加剧螺栓轴向应力的集中；另外，现有钢轨用螺栓为保证联接强度，其直径普遍较大，导致其刚度较大，抗震动冲击性能较差，在承受轴循环载荷作用时极易造成疲劳损坏。

发明内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种高疲劳强度钢轨用螺纹联接结构，其可有效降低螺栓应力集中，从而达到提高螺栓疲劳强度及使用寿命的目的。

本实用新型解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：

一种高疲劳强度钢轨用螺纹联接结构，由螺栓及螺母构成，其特征在于：螺栓为六角头螺栓且其螺纹段制在下部的同轴柱台上，与该螺栓相旋合的螺母为正锥台形螺母。

另外，所述的正锥台形螺母锥度为5.50°～9.50°。

另外，该正锥台形螺母底端一体制有方形底座。

另外，所述的六角头螺栓的非螺纹段直径为0.6～0.9d，d为螺栓公称直径。

本实用新型的优点和有益效果为：

1.应用有限元分析方法，对传统钢轨螺纹联接结构及本实用新型螺纹联接结构进行接触分析，结果表明：

传统钢轨螺纹联接结构中螺栓在受轴向力作用时，其应力主要集中于与螺母旋合接触部分的螺纹处，且螺纹的各牙受力很不均匀。实验证明，有三分之一的载荷集中在螺栓头部的螺纹接触部分第一圈上，而在第八圈以后即螺纹退出端的螺纹牙几乎不受力，导致螺栓受力不合理，极易造成螺栓的疲劳损伤。

本螺纹联接结构中采用将正锥台形螺母固定于枕木，六角头螺栓自上部旋合入正锥台形螺母内的安装方式将垫圈、弹条、扣板联接，也就是将普通钢轨螺纹联接中螺栓与螺母的接触部分转移到底部，即一种螺母倒置的联接方式，改变了上述不合理的受力现象。六角头螺栓与正锥台形螺母旋合接触部分远离分布载荷作用面，六角头螺栓中部的非螺纹段直径小于螺纹的公称直径，柔性较好，对拉伸载荷有一定的消减作用，可使旋合螺纹牙处的拉伸应力和局部弯曲应力较小，从而显著改善六角头螺栓轴向应力集中现象，很大程度上提高了六角头螺栓的疲劳强度及使用寿命。

2.应用有限元分析方法，对采用传统规则形状螺母的螺纹联接结构与本实用新型中正锥台形螺母与六角头螺栓联接结构进行接触分析，结果表明：

对采用传统规则形状螺母的螺纹联接结构的接触分析，可以看出螺栓的抗拉疲劳破坏60％～65％是发生在螺栓与螺母的旋合部分的第一圈螺纹的根部，有20％～25％发生在螺纹的退出部分；而在整个连接件金属流线没有被破坏的条件下，螺栓未经强化之前，以上两个地方的抗拉疲劳破坏的机率分别为65％和20％。

对本螺纹联接结构中正锥台形螺母与六角头螺栓安装方式进行接触分析，可以得出：正锥台形外轮廓面锥度在5.50°～9.50°范围时，螺栓的螺纹根部最大应力有明显改善，接触部位螺纹根部应力分布曲线较为平滑，轴向最大应力相比于普通螺母联接时降低15.74％，应力分布更加合理，因此可有效提高螺栓疲劳强度。同时将正锥台形螺母底座形状设计为方形，以防止其圆周转动，更便于将其固定以增加螺纹联接的稳定性。

3.本螺纹联接结构所采用的六角头螺栓，六角头螺栓的非螺纹段直径为0.6～0.9倍的螺栓公称直径。

六角头螺栓相对于刚性被联接件而言需具有一定柔性。当疲劳破坏为六角头螺栓主要失效形式时，增加螺栓的柔性可增大其变形量，有利于其承受振动冲击；同时可在六角头螺栓承受轴循环载荷作用时，减低变应力的应力幅，均衡载荷应变分布，从而提高螺栓的疲劳强度及使用寿命。

因此，本实用新型的高疲劳强度钢轨用螺纹联接结构，突破传统的钢轨螺纹联接结构形式，采用正锥台形螺母与六角头螺栓倒置安装的形式，且对此联接形式设计出正锥台形螺母，二者结合可显著改善六角头螺栓轴向应力集中现象，在很大程度上提高了钢轨用六角头螺栓的疲劳强度及使用寿命；同时采用减小六角头螺栓的非螺纹段直径的方式，使其在具有高疲劳强度的基础上具有一定的柔性，进一步提高其承受振动冲击的能力，从而保证铁路钢轨与枕木联接的安全性、稳固性，降低铁路运输事故发生率。

附图说明

图1是本实用新型装配图(剖视图)；

图2是本实用新型六角头螺栓结构示意图；

图3是本实用新型安装使用结构示意图；

图4是是现有技术中钢轨螺纹联接结构示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本实用新型作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本实用新型的保护范围。

本高疲劳强度钢轨用螺纹联接结构，由螺栓及螺母构成，其创新点为：螺栓为六角头螺栓(图中标号1)，该螺栓的螺纹段制(图中标号6)在下部的同轴柱台上。六角头螺栓的非螺纹段(图中标号4)的直径小于螺栓的公称直径，其为0.6～0.9倍螺栓公称直径。本实施例中的六角头螺栓各参数数值为：螺栓公称直径为24mm；螺栓中径为22.051mm；螺栓的螺纹小径为20mm；螺栓非螺纹段直径取值范围可优选为15mm～20mm，本实施例中取值为18mm；螺距为3mm；螺栓长度为72mm；螺栓的全螺纹长度为28mm。与六角头螺栓相旋合的螺母为正锥台形螺母(图中标号2)。该正锥台形螺母的锥度β为5.50°～9.5°。为保证螺母与枕木的联接牢固性，正锥台形螺母的底部一体制有方形底座(图中标号3)。正锥台形螺母内制螺纹孔可以为通孔形式也可以为盲孔形式。六角头螺栓与正锥台形螺母的联接安装方式为：正锥台形螺母固定于枕木(图中标号11)内，六角头螺栓自上方旋合入正锥台形螺母内，依次穿装垫片(图中标号8)、弹条(图中标号9)、扣板(图中标号10)，通过弹片及扣板将钢轨(图中标号12)与枕木牢靠联接。钢轨另一侧具有与此对称的联接结构。采用六角头螺栓与正锥台形螺母倒置式联接方式，区别于传统钢轨螺纹联接方式。

经有限元模拟其接触分析，得出采用六角头螺栓与一传统规则形状螺母倒置安装时其接触部位螺纹根部轴向应力分布，并与传统螺纹联接形式相对比，结果如表1所示。各螺栓接触部位螺纹位置1～9是从六角头螺栓头部方向数起的与螺母旋合接触螺纹第一圈(图中标号为5)至第九圈(图中标号为7)的位置。

表1 螺栓接触部位螺纹根部轴向应力分布                单位：MPa

可见，在改进后螺纹联接结构方式中，即将六角头螺栓与螺母安装位置对调后，由于六角头螺栓与螺母旋合接触部分远离分布载荷作用面，螺栓中部的非螺纹段对拉伸载荷有一定的消减作用，从而使旋合螺纹牙处的拉伸应力和局部弯曲应力较小，改善螺栓轴向应力集中现象，因此相应也提高了六角头螺栓的疲劳强度及使用寿命。

另外，经有限元模拟其接触分析，得出本实用新型中六角头螺栓与正锥台形螺母联接时其接触部位螺纹根部轴向应力分布，并与传统规则形状螺母与螺栓联接相比，结果如表2所示。接触部位螺纹位置1～9是从六角头螺栓头部方向数起与螺母旋合接触的螺纹第一圈至第九圈。

表2 螺栓接触部位螺纹根部轴向应力分布                          单位：MPa

可见，六角头螺栓的螺纹根部最大应力有明显改善，接触部位各螺纹根部应力分布较为平均，轴向最大应力相比于传统螺母联接时降低15.74％，应力分布更加合理，因此可以有效提高六角头螺栓疲劳强度。

经上述有限元模拟接触分析结果显示，首先当采用螺栓螺母倒置的联接结构时，即仅将六角头螺栓与普通螺母位置对调，分析结构倒置对螺栓轴向应力集中的影响，通过与传统螺纹联接形式相对比，由表1结果显示，螺栓轴向应力集中现象得到一定程度的改善，因此也相应提高了六角头螺栓的疲劳强度及使用寿命。其次当采用本实用新型的高疲劳强度钢轨用螺纹联接结构，即通过采用正锥台形螺母与六角头螺栓倒置安装的形式，可显著改善六角头螺栓轴向应力集中现象，大幅度提高钢轨用六角头螺栓的疲劳强度及使用寿命；而且，在采用上述联接方式的基础上将六角头螺栓非螺纹段的直径制成小于螺纹公称直径的细杆，达到在保证联接强度的基础上具有一定的柔性的目的，从而提高其承受振动冲击的能力，保证铁路钢轨与枕木联接的安全性、稳固性，是一种具有较高创新性的钢轨用螺纹联接结构。

Claims (4)

1.一种高疲劳强度钢轨用螺纹联接结构，由螺栓及螺母构成，其特征在于：螺栓为六角头螺栓且其螺纹段制在下部的同轴柱台上，与该螺栓相旋合的螺母为正锥台形螺母。

2.根据权利要求1所述的高疲劳强度钢轨用螺纹联接结构，其特征在于：所述的正锥台形螺母锥度为5.50°～9.50°。

3.根据权利要求1或2所述的高疲劳强度钢轨用螺纹联接结构，其特征在于：该正锥台形螺母底端一体制有方形底座。

4.根据权利要求1所述的高疲劳强度钢轨用螺纹联接结构，其特征在于：所述的六角头螺栓的非螺纹段直径为0.6～0.9d，d为螺栓公称直径。

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