轨道车用高强度螺栓扭矩系数试验研究

冯晓鹏

(河南明华智能系统研究院有限公司，河南 郑州 450000)

0 引言

随着全球铁路运输的快速发展，越来越多的地方修建地铁和高铁，作为轨道车轮盘结合面连接的重要组成部分，高强度螺栓的安装质量显得越来越重要。目前，安装螺栓常见的方法有扭矩控制法、屈服点控制法、螺栓伸长法[1]。其中，螺栓伸长法对屈服点控制精准，但对安装工具要求较高，成本高，使用范围较小；屈服点控制法获得的轴向力较为稳定，螺栓的利用率高，但需要前期大量的试验支持；扭矩控制法是使用最广的螺栓安装方法，操作简单，便于掌握，对拧紧工具的成本、种类要求较低[2]。然而，由于对螺栓拧紧扭矩系数K的影响因素较多，导致螺栓轴向力不可控，若螺栓轴向力过大，可能存在螺栓断裂风险；若螺栓安装轴向力不足，轮盘在运行振动过程中轴向力更易衰减，可能导致轨道车行车安全[3]问题。因此在轨道车轮盘装配过程中，控制螺栓安装扭矩系数，稳定螺栓轴向力尤为重要。本文对影响螺栓拧紧扭矩系数的因素进行理论分析，实测了同一规格螺栓在不同螺纹副表面处理条件下扭矩系数的变化，并提出了螺栓优化安装方案。

1 螺栓轴向预紧力理论分析

扭矩控制法拧紧过程中，螺栓拧紧扭矩分配关系如下[4]：

(1)

其中：Tf为螺栓拧紧力矩；T1为螺纹副之间的扭矩；T2为支撑面之间的摩擦扭矩；Ff为螺栓轴向预紧力；dp为外螺纹的有效直径，计算时采用螺纹中径d2；ρ′为摩擦副的当量摩擦角；β为螺旋升角；dw为螺母支撑面摩擦力矩的等效直径；μw为支撑面摩擦因数。

螺栓拧紧系数K的计算公式为：

(2)

其中：d为螺栓公称直径；μs为螺纹副摩擦因数；P为螺纹螺距。

螺栓拧紧力矩Tf的计算公式为：

Tf=K×Ff×d.

(3)

当螺栓规格、拧紧力矩一定时，由式(3)可知，螺栓轴向力与扭矩系数成反比关系，扭矩系数越小，轴向力越大；由式(2)可知，扭矩系数主要受螺纹副摩擦因数和支撑面摩擦因数的影响，且呈一定的正相关性。国标GB/T 16823.2—《螺纹紧固件通则》给出了螺纹副摩擦因数μs和支撑面摩擦因数μw与扭矩系数K的关系[5]，如表1所示。

表1 支撑面摩擦因数μw和螺纹副摩擦因数μs与扭矩系数K的关系

VDI2230标准中指出，垫片材料、螺纹加工精度、支撑面的刚度、螺杆的表面处理、拧紧速度、安装次数等都会影响摩擦因数，从而影响扭矩系数，因此，为了获得更精确的扭矩系数，本文实测了轨道车螺栓在不同螺纹表面处理要求下的扭矩系数，为扭矩系数的设定提供参考。

2 不同螺纹副表面处理下的扭矩系数实测

螺栓扭转试验机可实时显示螺栓在安装拧紧时的力矩和轴向力、转角、变形量等参数，可以实时反馈螺栓在拧紧过程中的特征。螺栓扭矩系数测试平台如图1所示。

图1 螺栓扭矩系数测试平台

试验螺栓为同一规格、同一批次，强度等级为10.9级，加工精度为C级，表面发黑处理，且每根螺栓不重复使用。试验共分为4组，每组6根，每组螺栓安装时垫片材质一致，硬度均为HV300，拧紧力矩相同，均为1 775 Nm，拧紧速度为30 r/min。按照实际装配操作流程，对螺柱螺纹副进行不同表面处理，第一组涂油、第二组清洗、第三组涂天山螺纹紧固胶、第四组涂润滑脂。螺栓在测试平台安装后，使用扭矩控制法拧紧，通过测量结合面预紧力得出扭矩系数，测试过程如图2所示，测试结果如图3所示。

图2 螺栓扭矩系数测试过程

由图3可知：第一组螺栓，在油层保护下，螺栓扭矩系数相对稳定；第二组螺栓在清洗后，扭矩系数和标准差都有所增加，这是因为螺栓清洗后，表面防锈保护油层被洗掉，表面摩擦因数变大导致扭矩系数增加，与第一组数据对比，清洗过后的螺栓扭矩系数更加离散；

第三组螺栓，涂有天山螺纹紧固胶，扭矩系数有一定的上升，但浮动范围和标准差都降低，这是因为不带润滑功能的厌氧紧固胶中单体或树脂黏性较大，导致摩擦因数增大[6-7]，螺栓均匀涂胶后，摩擦因数受螺栓本身粗糙度的影响降低，扭矩系数更趋于稳定；第四组螺栓，涂润滑脂后，不仅降低了扭矩系数而且还更加稳定，提高了螺栓的利用率，将扭矩系数控制在0.103～0.13范围内，是理想的螺栓表面涂层，也是轨道车轮盘螺栓安装的优选方案。

图3 螺栓在不同表面处理下的扭矩系数

3 结论

通过对螺栓拧紧扭矩系数的研究，结论如下：

(1) 在相同规格螺栓条件下，影响螺栓扭矩系数的因素主要有螺纹副摩擦因数μs和支撑面摩擦因数μw，影响这两个摩擦因数的因素较多，在工程应用中应该实际测量扭矩系数。

(2) 螺栓清洗后，表面摩擦因数增大，导致扭矩系数变大，离散型较差。

(3) 涂抹无润滑的螺纹紧固胶之后，扭矩系数相对增大，但离散性变好，扭矩系数更加稳定。

(4) 涂抹润滑脂的螺栓，扭矩系数明显降低，且变化范围相对更小，扭矩系数稳定可控，适合用于轨道车轮盘螺栓的装配。