介紹Huck鉚釘的特點(diǎn)和分類(lèi), 闡述其在鋁合金客車(chē)車(chē)身上的實(shí)際應用情況, 并分析其生產(chǎn)效率和輕量化結果。

在現代鋁合金客車(chē)車(chē)身生產(chǎn)中, 鉚接、螺栓連接和焊接是主要的3種連接方式。

鋁合金結構車(chē)身焊接時(shí), 不僅易導致骨架變形, 而且易產(chǎn)生氣孔、咬邊、裂紋、未熔合等諸多缺陷, 工藝技術(shù)難度大, 對操作人員的專(zhuān)業(yè)技能要求偏高。

根據有關(guān)資料介紹, 矯正鋁合金焊接變形的工時(shí)約占制造車(chē)體全部工時(shí)的20%左右。

螺栓連接車(chē)身精度較差, 生產(chǎn)效率低, 扭矩檢測困難, 且車(chē)身結構在振動(dòng)或交變荷載作用下, 螺紋容易變形, 使螺栓連接松動(dòng)。

鉚接車(chē)身無(wú)應力變形, 無(wú)需矯正工序, 無(wú)需檢測扭矩工序, 工藝技術(shù)簡(jiǎn)單, 對操作人員的專(zhuān)業(yè)技能要求低, 同時(shí)其制造車(chē)間節省能源、減少污染、綠色環(huán)保。

目前, 國內眾多客車(chē)廠(chǎng)也相繼開(kāi)發(fā)出全鋁合金鉚接車(chē)身, 如申龍SLK6109、海格KLQ6762、申沃SWB6108、金港ZJG6140等。

鉚接技術(shù)雖然優(yōu)勢明顯, 但受其結構設計、力學(xué)性能、作業(yè)空間等方面的制約, 其在鋁合金車(chē)身上的應用還不能完全取代焊接。

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Huck鉚釘的特點(diǎn)和分類(lèi)

Huck鉚釘包括釘桿和釘套2個(gè)部件, 釘桿又包括釘頭、鎖緊槽、斷頸槽、尾段 (槍爪槽) 4個(gè)部位, 如圖1所示。

圖1 Huck鉚釘的結構

與傳統螺栓利用扭力旋轉產(chǎn)生緊固力不同, 采用特有的環(huán)槽鎖緊、環(huán)槽斷裂技術(shù), 在外界拉力下, 拉伸釘桿擠壓釘套產(chǎn)生塑性變形, 靠變形部位夾緊基材實(shí)現可靠的緊密連接, 如圖2所示。

圖2 拉力與位移曲線(xiàn)

此結構具有高夾緊力和高抗剪力性能, 從根本上解決了普通緊固件在振動(dòng)情況下松動(dòng)的問(wèn)題。同時(shí)具有更高的精度、更高的生產(chǎn)效率、優(yōu)異的抗振及抗疲勞性。

在國內外許多需要螺栓連接或焊接的建筑、汽車(chē)、鐵路、船舶、航天結構上都使用了大量的Huck鉚釘, 以降低螺栓連接或焊接的應用比重。

目前應用在鋁合金客車(chē)車(chē)身上的Huck鉚釘按放釘方式分為雙面盲拉鉚釘和單面盲拉鉚釘兩大類(lèi)。

雙面盲拉鉚釘先從基材背面放入鉚釘, 再從基材正面拉鉚;單面盲拉鉚釘既從基材正面放入鉚釘, 也從基材正面拉鉚。

按結構形式, Huck鉚釘可分為環(huán)槽鉚釘、拉絲抽芯鉚釘和哈克博姆鉚釘3種類(lèi)型, 在國外又被分別稱(chēng)做Huck Bolt、Magna-Lok和Huck BOM。

環(huán)槽鉚釘 (Huck Bolt) , 又稱(chēng)哈克釘, 由一個(gè)釘套和一個(gè)釘桿兩個(gè)獨立的部件組成, 屬于雙面盲拉鉚釘。

環(huán)槽鉚釘利用胡克定律原理, 經(jīng)由拉鉚釘專(zhuān)用設備, 在單向拉力的作用下, 拉伸釘桿并推擠釘套, 結構件被壓緊后, 將內部光滑的釘套擠壓到釘桿凹槽使釘套和釘桿形成100%的過(guò)盈配合, 達到設計夾緊力后, 釘桿斷頸槽拉斷完成鉚接, 如圖3所示。

環(huán)槽鉚釘抗剪力高、抗拉力高, 鉚接范圍大 (鉚接厚度3.5~30 mm) , 但在作業(yè)空間狹窄的結構中, 操作不如單面盲拉鉚釘方便。

圖3 環(huán)槽鉚釘鉚接原理

拉絲抽芯鉚釘 (Magna-Lok) 屬于單面盲拉鉚釘, 與環(huán)槽鉚釘結構不同, 在單向拉力的作用下, 釘桿拉伸向上, 使釘桿尾端較粗部分進(jìn)入釘套中, 將釘套逐漸擠壓增粗并填滿(mǎn)釘孔, 結構件被壓緊后釘桿上的環(huán)形凹槽推入釘套的環(huán)形凸臺內鎖止, 達到設計夾緊力后, 釘桿斷頸槽拉斷完成鉚接, 如圖4所示。

拉絲抽芯鉚釘成本低, 操作方便, 但力學(xué)性能較差, 其抗剪力和抗拉力分別為環(huán)槽鉚釘的0.8倍和0.7倍, 鉚接厚度范圍小 (鉚接厚度為1.5~16 mm) 。

圖4 拉絲抽芯鉚釘鉚接原理

哈克博姆鉚釘 (Huck BOM) 同屬于單面盲拉鉚釘, 不但具有環(huán)槽鉚釘永不松動(dòng)的結構特點(diǎn), 同時(shí)具有拉絲抽芯鉚釘單面放釘的優(yōu)勢, 在單向拉力的作用下, 拉伸釘桿并推擠釘套, 使釘套尾端變形形成墩頭, 結構件被壓緊后, 將內部光滑的釘套擠壓到釘桿凹槽使釘套和釘桿形成100%的過(guò)盈配合, 達到設計夾緊力后, 釘桿斷頸槽拉斷完成鉚接, 如圖5所示。

哈克博姆鉚釘力學(xué)性能較高, 抗剪力和抗拉力分別為環(huán)槽鉚釘的1.6倍和1.3倍, 可在作業(yè)空間狹窄的結構中取代環(huán)槽鉚釘的應用, 但采購成本過(guò)高, 是環(huán)槽鉚釘的3倍。

圖5 哈克博姆鉚釘鉚接原理

Huck鉚釘在鋁車(chē)身上的應用

鋁合金型材具有較高的比強度, 雖然彈性模量低, 但有很好的擠壓性, 能得到復雜截面的構件, 從結構上能夠補償鋁合金車(chē)身單個(gè)零部件的剛度。

同時(shí)Huck鉚釘的高夾緊力、高抗剪切力、永不松動(dòng)的特點(diǎn), 釘桿在鉚接過(guò)程中, 隨著(zhù)拉力增大, 斷頸槽部位最先超過(guò)材料的屈服極限而斷裂, 其他部位并不產(chǎn)生塑性變形, 這種結構的釘桿允許用高強度的材料制造, 從而可提高鋁合金車(chē)身各個(gè)零部件之間的連接強度。

Huck鉚釘結合6061-T6態(tài)鋁合金型材的客車(chē)車(chē)身結構, 在國外已廣泛應用。

某客車(chē)公司設計的14 m機場(chǎng)擺渡車(chē)在原有成熟的鋼車(chē)身上的基礎上, 改進(jìn)為采用80%占比的鋁合金鉚接結構, 20%占比的氬弧焊接結構, 如圖6所示。

圖6 某客車(chē)六大片骨架結構

鋁合金車(chē)身的前、后圍骨架因弧形結構, 接頭互不垂直, 連接件設計困難, 無(wú)法應用鉚接, 采用氬弧焊焊接而成;車(chē)身的頂蓋骨架、側圍骨架全部采用Huck鉚釘鉚接而成;底盤(pán)骨架不做改動(dòng), 仍采用Q345B普通矩形鋼管焊接而成;車(chē)身五大片合裝、車(chē)身與底盤(pán)合裝通過(guò)Huck鉚釘鉚接。

同時(shí)結合UG有限元分析, 對合裝區域的鉚釘逐個(gè)建立接觸分析, 充分模擬鉚接車(chē)身的水平彎曲、緊急制動(dòng)、緊急轉彎、極限扭轉等工況, 對鉚釘的強度進(jìn)行逐個(gè)校核, 保證鋁合金車(chē)身骨架的鉚接強度和剛度達到使用要求。

設計優(yōu)化后, 鋁合金車(chē)身骨架共有環(huán)槽鉚釘1232顆、拉絲抽芯鉚釘1748顆、哈克博姆鉚釘96顆, 實(shí)際制造車(chē)體時(shí)一顆Huck鉚釘鉚接時(shí)間為3~8s, 從鋁型材下料到六大片骨架合裝的總工時(shí)為80 h, 相對于鋼車(chē)身焊接骨架總工時(shí)230 h (含16 h矯正焊接變形工時(shí)) , 生產(chǎn)效率提高近3倍。

鋼車(chē)身重2 t (不含底盤(pán)骨架) , 整備質(zhì)量12.5 t, 鋁合金鉚接車(chē)身骨架重920 kg, 整備質(zhì)量11 t, 骨架減重54%, 整車(chē)減重12%, 輕量化效果顯著(zhù)。

樣車(chē)已于2014年通過(guò)了載荷試驗、轉向性能試驗、結構靜應力試驗、結構動(dòng)應力試驗、抗風(fēng)穩定性試驗、5 000 km可靠性測試等, 結果顯示鋁合金鉚接車(chē)身結構穩固、車(chē)身性能安全。該產(chǎn)品目前已在上海浦東機場(chǎng)安全運行4年。

結束語(yǔ)

目前, 在鋁合金焊接技術(shù)不成熟、焊接變形量大、工藝裝備成本投入過(guò)高的背景下, 鉚接技術(shù)操作簡(jiǎn)單、高效, 不用消除內應力, 且Huck鉚釘作為一種高夾緊力、高抗剪切力、永不松動(dòng)的連接結構, 可部分取代焊接, 必然在我國客車(chē)制造行業(yè)得到廣泛應用。

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