接触网螺栓紧固力矩应用浅析

赵正路，闫军芳

0 引言

接触网是一种无备用的户外供电设备，经常受冰、风等恶劣气象条件的影响。相对于普速铁路，高速铁路接触网振动幅度显著加大，双弓运行更增加了接触网振动的复杂性。国内大部分电气化铁路接触网采用大量的螺栓连接形式，为保证紧固质量，不同零部件螺栓规定了不同的紧固力矩值，但在运营中，还是经常发生因螺栓连接预紧力不足，螺栓产生松动，或者紧固力矩过高，螺栓失效，造成弓网事故，影响行车，降低了接触网的可靠性。因此，对接触网零部件螺栓紧固力矩进行分析，对提高接触网施工和维修水平是非常必要的。

1 螺栓连接的受力情况

接触网零部件螺栓连接受力情况有以下几种：

（1）只受预紧力的螺栓连接，即只在螺栓的轴向受力，如：吊弦线夹螺栓、棒式绝缘子的压板U 螺栓、承力索座压紧螺栓、中心锚结线夹紧固螺栓等。

该种结构承受垂直于螺栓轴线的横向工作载荷F，螺栓杆与孔间有间隙。所受的横向载荷依靠被连接件结合面间的摩擦力来传递。因此，在施加工作载荷后，螺栓所受拉力不变，还是等于F′（图1）。为了加大结合面间的压力，尽量加大螺栓预紧力（压力），预紧力达螺栓屈服强度的78%，在冲击环境中工作不可靠，紧固件制造成本高，安装要求高；因螺栓所受拉应力高，出现螺栓延迟断裂的可能性较大。

图1 只受预紧力的螺栓连接图

（2）受剪切力的螺栓连接，即螺栓承受轴向紧固力和横向的工作载荷，螺栓受力表现在剪切、预紧力（图2）。如：腕臂下底座连接螺栓、棘轮下锚底座固定螺栓等。工作时，螺栓除受预紧力外，还承受垂直螺栓方向的工作载荷。

图2 受剪切力的螺栓连接图

（3）受轴向力的螺栓连接，即螺栓的轴向受力，受预紧力和轴向工作载荷的螺栓连接（图3）。如：下锚底座连接螺栓、支柱地脚螺栓、定位管两端的套管单耳U 螺栓、定位器支座U 螺栓等。工作时，螺栓除受预紧力外，还承受工作载荷。

图3 受轴向力的螺栓连接图

（4）受剪切和轴向力的螺栓连接，即螺栓承受轴向紧固力和垂直于轴向的工作载荷，如：腕臂上底座螺栓、拉线底板固定螺栓等。工作时，螺栓除受预紧力外，还承受工作载荷。

上述情况（1）和（3）中受力是采取受拉螺栓连接，也可采用受剪螺栓连接，情况（2）和（4）中受力情况采取受剪螺栓连接。在接触网零部件中，采用受拉螺栓连接居多，按国家标准选用的螺栓也为受拉螺栓，下文以此为例进行分析。

2 扭矩与拧紧原理

2.1 拧紧过程中各量的变化

在螺栓拧紧时，总体受力情况是螺栓受拉，连接件受压；在整个拧紧过程中，受力的大小是不同的，大体分为4 个阶段：

（1）开始拧紧时，由于螺栓未靠座，故压紧力F 为零；但由于存在摩擦力，故扭矩T保持在一个较小的数值。

（2）当靠座后（Z 点），真正的拧紧才开始，压紧力F 和拧距T 随转角A的增加而迅速上升。

（3）达到屈服点，螺栓开始塑性变形，转角增加较大而压紧力和扭矩却增加较小，甚至不变。

（4）再继续拧紧，力矩T 和压紧力F 下降，直至螺栓产生断裂。

图4 紧固过程力矩和压紧力变化曲线图

2.2 紧固力矩值的确定

螺栓连接件接触面积通常大于螺栓的截面积，在螺栓紧固过程中，随着紧固力矩的加大，一般发生螺栓拉断，不会发生连接件压裂，因此，紧固力矩值主要取决于螺栓强度，而螺栓与螺母强度应相配，在连接强度校核时，一般只校核螺栓的强度。特殊情况下，需要考虑连接件，如承力索吊弦线夹、接触线吊弦线夹，连接件为片状结构，受压过度将发生变形，造成连接失效。对螺栓的特性进行分析，为保证螺栓获得较大的紧固力矩，而又不使螺栓发生塑性变形，因此螺栓紧固力矩值应处于弹性区域内，即抗拉强度在50%～85%之间。如：M10 的不锈钢螺栓的紧固力矩为25 N·m，M16 的普通碳素钢（Q235A）螺栓的紧固力矩为70 N·m。

图5 螺栓特性曲线图

2.3 螺栓的标识

碳钢螺栓的等级分为3.6、4.6、4.8、5.6、6.8、8.8、9.8、10.9、12.9 等10 余个等级，小数点前后的数字分别表示螺栓材料的公称抗拉强度和屈强比，例如：标记8.8 级螺栓表示材料的抗拉强度达到800 MPa，屈强比为0.8 即其屈服强度达到800×0.8 = 640 MPa；不锈钢螺栓的等级分为45、50、60、70、80，材料主要分奥氏体A1、A2、A4，马氏体和铁素体C1、C2、C4，其表示方法例如：A2-70，“-”前后分别表示螺栓材料奥氏体不锈钢，抗拉强度为700 MPa。

2.4 摩擦力与压紧力对压紧的影响

扭矩等于力乘以力臂，同一力矩值，由于摩擦系数值的不同，压紧力可能相差很大。所以，摩擦系数对压紧力的影响是非常大的。这里的摩擦系数主要是指螺纹接触面、螺栓与被连接件支撑面间的摩擦系数。一般接触网零部件螺栓大约90%的扭矩被摩擦力消耗，只有10%的扭矩转化为夹紧力。

3 紧固力矩工艺要求

（1）凡规定使用力矩扳手紧固的接触网零部件，安装时必须全程使用力矩扳手紧固，不得使用活动（棘轮）扳手或无力矩的紧固工具紧固。

（2）使用力矩扳手对零部件紧固时，必须先调整力矩至标称紧固力矩值，然后将手柄上的锁环锁死，再进行紧固。

（3）力矩扳手在使用时应缓慢平稳地施加扭力，严禁施加冲击扭力。施力时手握紧手柄，并以垂直扭力扳手的方向用力。使用力矩扳手时不得倾斜手柄，随阻力的不断增加，施力的速度应放缓，当达到标称力矩值后立即停止施力。

（4）使用力矩扳手时不得在力矩扳手尾端加接套管。

（5）3 个以上螺栓连接的零部件力矩紧固要求：

机械连接的零部件（支柱地脚螺栓、拉线底板固定螺栓、棘轮底座固定螺栓等），按设计规定的顺序，由中心向两侧交替施加扭矩，扭矩递增值不应超过标称值的40%，根据力矩紧固的标称值逐步递增力矩，循环3 次及以上后力矩紧固达到规定值。紧固力矩超过50%的标称值后，应均匀缓慢进行紧固，不应有冲击；电气连接的零部件接头线夹、中心锚结夹板、并沟线夹等，按设计规定的顺序，由中心向两侧交替施加扭矩，可只进行一次循环紧固使力矩达到规定值。

4 拧紧力矩的检测

根据螺栓连接的受力情况不同，对螺栓拧紧力矩应采用不同的方法检测，一般可分为力矩扳手检测法和目测法2 种。力矩扳手检测法适用于拧紧过程完成但未承受工作负荷，或只承受预紧力和受剪切的螺栓，具体检测方法主要有紧固检测、标记检测和松开检测3 种不同形式。目测检测法适用于安装完成且受轴向力的螺栓连接，由于轴向工作载荷的影响，工作中的实际力矩和安装时的紧固力矩偏差较大，对于下锚补偿装置等接触网关键零部件受力螺栓，如采用力矩检测的方法，有可能发生接触网脱落的危险，只能采用目测法，用眼睛观察螺栓和连接件间是否密贴、螺纹是否有松动痕迹来评判，也可在紧固完成后在已经拧紧的位置做一个标记，以后只检查标记是否改变即可。

（1）紧固检测：对已经拧紧的螺栓用力矩扳手沿螺栓的拧紧方向再施加一个逐渐增大的扭矩，直至螺栓再一次产生拧紧运动，读出此时的瞬间值。采用该方法检测，其扭矩偏差为实际扭矩的-5%～20%。

（2）标记检测：在已经拧紧的位置做一个标记，将螺栓拧松之后再次紧固，读出再拧紧到原来位置时的扭矩值。采用该方法检测，该扭矩偏差为实际扭矩的-12%～5%。对不允许重复拧紧的螺栓严禁使用该方法。

（3）松开检测：将拧紧的螺栓用力矩扳手松开，读出松开时的瞬间值。采用该方法监测，由于螺纹升角的关系，松开的扭矩比拧紧的扭矩要小，一般要差30%左右。该检测方法误差较大，很少采用。

5 结语

为减少接触网零部件发生螺栓连接故障，接触网在施工时普遍采用物流预配中心模式，统一配置腕臂、吊弦预配作业平台、力矩扳手等精准仪器设备，做到了“测量精确化、计算微机化、预配工厂化、安装标准化”。推行腕臂组装和吊弦制作的工厂化流水预配，实现了“高空作业地面化、野外作业室内化、紧固作业力矩化”的施工新方式。大大减少了接触网“松、脱、断、裂”等故障的发生，提高了接触网的可靠性和安全性。

[1] 周润分.紧固件连接设计手册[K].北京：国防工业出版社，1990.

[2] 徐孝恩.螺纹标准与检验手册[K].北京：中国计量出版社，1991.