１ 客室座椅断裂普查
动车组客室座椅靠背螺栓的连接结构如图１ 所示。
从高速铁路上出现典型靠背螺栓断裂问题的动车组中，选取了１０列动车组（每列的编组数均为 ８节）进行普查。螺栓断裂位置均出现在螺纹与安 装座交界处，失效螺栓和未失效螺栓的实物图对比 如图２所示。
螺栓断裂普查结果如表１所示。这１０列动车 组均投入运行了１～２年，靠背螺栓断裂的比例为 ４％～１５％，这与其设计寿命３０年的制造目标严重 不相符。
２ 螺栓断口断裂性质分析
２．１ 化学成分检查
选取失效螺栓进行化学成分检查，失效螺栓各主要化学元素的质量分数检查结果如表２所示。由 表２可知：此结果符合ＧＢ／Ｔ６９９—２０１５《优质碳素 结构钢》表１中对３５号钢对应化学成分的要求，也 满足ＧＢ／Ｔ３０９８．１—２０１０《紧固件机械性能螺栓、 螺钉和螺柱》表２中８．８级Ｍ８螺栓对应化学成分 的要求。
２．２ 拉伸检查 将失效螺栓加工成拉伸试样并进行拉伸试验。由于失效螺栓长度不足，只能测试其抗拉强度。失 效螺栓拉伸试样的试验结果如表３所示。由表３可 知：失效螺栓抗拉强度符合ＧＢ／Ｔ３０９８．１—２０１０中 ８．８级Ｍ８螺栓的参数要求。
２．３ 剪切试验 靠背螺栓受力主要为剪切力，因此，根据螺栓的工作状态，分别对失效螺栓、未失效螺栓进行了 剪切试验，其结果如表４所示。由表４可知，失效螺 栓、未失效螺栓的剪切强度相近。
２．４ 硬度试验
依据ＧＢ／Ｔ３０９８．１—２０１０要求，将距螺纹末端 部１个螺栓截面直径位置处的横截面作为维氏硬度 的测试面。截取该测试面，在距测试面１／２个螺栓 截面半径处进行维氏硬度试验。失效螺栓硬度的３ 次检测结果分别为３０２ＨＶ、２９５ＨＶ、３００ＨＶ，均符 合ＧＢ／Ｔ３０９８．１—２０１０中８．８级Ｍ８螺栓的硬度要 求（２５０～３２０ＨＶ）。
２．５ 金相组织分析
按图３所示切割失效螺栓断口，其中：截面Ａ?Ａ面为疲劳源切面，Ｂ?Ｂ 为非疲劳源切面。对截面 Ａ?Ａ 和截面Ｂ?Ｂ进行显微组织检测。
经观察，截面Ａ?Ａ的螺纹根部有多处裂纹，且 部分螺纹的根部产生了多根裂纹，其实物放大图如 图４所示。由图４可知，截面Ａ?Ａ处螺栓的根部裂 纹呈现一定规律性：与断口距离较近的螺纹根部产 生了较深的或数量较多的裂纹；随着与断口距离的 增加，螺纹根部裂纹逐渐变浅；距断口约８倍螺距及 以上距离的螺纹根部均未发现裂纹。
进一步对截面Ｂ?Ｂ进行检测，发现螺纹根部出现了裂纹，其实物放大图如图５所示。
进一步对未失效螺栓进行观察。观察发现，未失效螺栓螺纹根部并未出现裂纹等缺陷。由此可 推断，此裂纹为疲劳裂纹，且螺纹在使用过程中沿 轴向方向断裂处的受力最大，截面Ａ?Ａ方向的受力 明显高于截面Ｂ?Ｂ方向的受力。
对比失效螺栓及未失效螺栓的表面及其心部， 二者的金相组织一致，均为回火索氏体，是由等轴 状铁素体和细粒状碳化物构成的复相组织，且组织状态正常。失效螺栓的晶粒度级别为６级，未失效 螺栓的晶粒度级别为８～９级，失效螺栓的晶粒较未 失效螺栓略显粗大。失效螺栓非金属夹杂物级别 为Ｄ类细０．５级，未见异常。另发现失效螺栓螺纹及未失效螺栓螺纹的表 面均存在脱碳现象。
对比ＧＢ／Ｔ ３０９８．１—２０１０ 中 ８． ８ 级Ｍ８ 螺栓的参数要求（未脱碳层最小高度不 小于０． ３８４ ｍｍ），失效螺栓的未脱碳层高度为 ０． ５３９ ｍｍ，未失效螺栓的未脱碳层高度为０．５２５ ｍｍ，均符合ＧＢ／Ｔ３０９８．１—２０１０ 的要求。
２． ６ 电镜扫描分析
２． ６． １ 断口宏观分析
图６ 为失效螺栓断口的宏观形貌，可看出此断 裂为疲劳断裂，螺栓断口可见明显的疲劳贝纹线。一般情况下，疲劳断口分为疲劳源、疲劳扩展区和 瞬断区３个部分，疲劳扩展区以疲劳源为中心向外 侧扩展，呈现贝纹线形貌，疲劳辉纹垂直于裂纹扩 展方向。根据图６的贝纹线扩展方向，可推断出该 螺栓断口疲劳起源于相对的螺纹表面两侧。同时 发现螺栓杆部磨损位置与疲劳源２处于同一环向位 置，与疲劳源１处于相对位置。图６中，断口较粗糙 的区域为最后的瞬断区。由此可进一步推断螺断口处承受了双向弯曲交变载荷。此外，失效螺栓 杆部出现了磨损，且疲劳源１处产生的疲劳扩展区 面积较疲劳源２大，这进一步表明了弯曲载荷呈不 对称分布，载荷更集中于疲劳源１处。
２． ６． ２ 断口微观形貌
观察疲劳源１和疲劳源２处的断口形貌。在裂 纹扩展过程中，疲劳源１和疲劳源２受外力作用不 断相互摩擦进而导致磨损，但这２处位置均未发现 明显的原材料缺陷。在疲劳扩展区１和疲劳扩展 区２的断口形貌图中，发现了垂直于裂纹扩展方向 的疲劳辉纹，同时扩展区可见二次裂纹（二次裂纹 通常因承受较大载荷所致）。随着裂纹不断扩展， 螺栓剩余截面积不足以抵抗外力作用，从而在瞬断 区产生快速断裂。疲劳扩展区２及瞬断区的微观形 貌如图７所示。图７中可见大量韧窝，其断口微观 形貌表明螺栓断裂为韧性断裂。
综上所述，根据化学成分和力学性能检查结果，螺栓符合相关标准要求。螺栓螺纹表面存在一 定量脱碳及晶粒稍微粗大现象，其疲劳强度因此有所下降，但仍在标准要求的范围内。通过螺栓断口 分析可认定，此断裂为韧性疲劳断裂。
３ 螺栓服役工况分析
３． １ 理论分析
座椅的强度应执行ＴＢ／Ｔ ３２６３—２０１１《动车组 乘客座椅》的要求。靠背工况为简单的杠杆受力， 按标准设计要求，靠背推力为９８０ Ｎ。当力作用在 靠背最上端时，力臂最长，此时安装螺栓位置处的 转轴受力Ｆ１ 最为严苛。座椅靠背骨架力臂示意图 如图８所示。图８中，下部交接点至转轴点的距离 ｄ１ ＝ ９４． ０ ｍｍ，靠背上端至转轴点的距离 ｄ２ ＝ ７３９． ５ ｍｍ。
螺栓受力变形示意图如图９所示。根据材料力学悬臂梁的受力特点，可确定螺栓断裂处截面上螺 栓轴所受压力Ｆ２ 和弯矩Ｍｃ 均为最大值，Ｆ２ ＝３８５２ Ｎ，Ｍｃ ＝３０ Ｎｍ。
３． １． １ 正应力强度校核
设Ｗｚ 为圆形截面的弯曲截面系数，ＤＩｓ 为螺栓直径，其计算式为：
经计算可得Ｗｚ ＝０．０４６ ５８ ｍｍ３。
最大正应力σｍａｘ 发生在断裂截面的上、下边缘两点（上拉下压），其计算式为：
由此，可计算得到σｍａｘ ＝６４４ ＭＰａ，该值大于 ８． ８ 级Ｍ８ 螺栓的屈服强度６４０ ＭＰａ。
３． １． ２ 切应力强度校核
危险截面上的最大切应力τｍａｘ 发生在断裂截面 的中性轴处，Ｓ为截面面积，则τｍａｘ 的计算式为：
经计算可得τｍａｘ ＝１０７．５ ＭＰａ。
３． ２ 仿真计算
按理论计算工况进行仿真分析，仿真计算得到 的应力云图如图１０所示。靠背螺栓最大应力值为 ６５１． ３６ ＭＰａ，与理论计算值几乎一致，略大于８．８ 级Ｍ８螺栓的屈服强度，远小于该型螺栓的断裂 强度。
综上所述，伸缩式靠背座椅螺栓断裂由两个方面原因引起：一是在悬臂结构下，螺栓受载荷作用 时发生弯曲，螺栓强度不足，导致螺栓的疲劳性能较低，进而导致韧性断裂；二是螺栓螺纹表面存在 脱碳及晶粒稍微粗大现象，导致螺栓的疲劳强度有 所下降。经分析，第一个原因是导致螺栓断裂的主 要原因。
４ 螺栓断裂的整改措施
增加固定支架，将悬臂受力更改为简支梁受 力，以减少螺栓的变形，提升螺栓的抗疲劳性能。由于空间和结构限制，固定支架由高强度钢板焊接而成，并铆接于座椅骨架上，如图１１所示。
对整改后的螺栓结构进行强度和耐久性试验， 试验现场如图１２所示。经试验验证，整改后的螺栓结构没有发生变形及开裂现象。根据此整改方案， 对１列高速铁路动车组进行了整改，该动车组的螺栓数为４３０个。整改后，该列车投入运营的１年内， 没有发生螺栓断裂问题。
５ 结语
本文对高速动车组列车靠背螺栓断裂进行了原因分析。经理论计算及试验验证，得出结论如下：
１） 根据化学成分和力学性能检查，螺栓符合标准要求，螺栓断裂非螺栓自身的原因导致。
２） 螺栓的宏观断口形貌有贝纹线，说明断裂为疲劳断裂。螺栓的微观断口形貌有大量韧窝，说明断裂为韧性断裂。
３） 螺栓在悬臂结构下受不对称载荷作用引起 弯曲，导致疲劳性能较低，这是螺栓断裂的主要原因。
４） 优化螺栓结构，增加辅助固定支架，改善螺栓的受力工况，可有效解决螺栓断裂问题。
来源：《城市轨道交通》