關(guān)于機(jī)車車輛制動系統(tǒng)螺栓緊固力矩影響因素分析

王玥龍， 孫廣合， 劉　鵬

(1　北京縱橫機(jī)電技術(shù)開發(fā)公司， 北京100094;2　中國鐵道科學(xué)研究院　機(jī)車車輛研究所， 北京 100081)

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關(guān)于機(jī)車車輛制動系統(tǒng)螺栓緊固力矩影響因素分析

王玥龍1,2， 孫廣合1,2， 劉鵬1,2

(1北京縱橫機(jī)電技術(shù)開發(fā)公司， 北京100094;2中國鐵道科學(xué)研究院機(jī)車車輛研究所， 北京 100081)

關(guān)于機(jī)車車輛制動系統(tǒng)螺栓緊固力矩的確定，目前主要以參照既有經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)為主，忽略了緊固件表面狀態(tài)對于緊固特性的影響，易造成安全隱患。通過理論分析，得出了摩擦系數(shù)對于緊固力矩的重要影響。進(jìn)而分析得出，表面處理方式與技術(shù)條件對于摩擦系數(shù)的重要作用。最后，歸納出螺栓緊固力矩的確定方法與流程，為科學(xué)、合理的確定機(jī)車車輛制動系統(tǒng)螺栓緊固力矩提供了依據(jù)。

車輛制動； 緊固力矩； 摩擦系數(shù)； 表面處理

機(jī)車車輛制動系統(tǒng)是車輛運(yùn)用的重要組成部分，而其連接螺栓的可靠性，更是直接關(guān)系到車輛運(yùn)行的安全。目前，國內(nèi)關(guān)于機(jī)車車輛制動系統(tǒng)螺栓緊固力矩的確定，是以參照既有經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)為主，尚未考慮緊固件表面狀態(tài)對緊固特性的影響，尤其當(dāng)新的表面處理方式，如達(dá)克羅等的大量運(yùn)用，導(dǎo)致既有的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性降低，以此進(jìn)行設(shè)計(jì)，易造成軸力偏差，造成安全隱患。

首先通過理論分析，確定了影響螺栓緊固力矩的3個關(guān)鍵因素，并分析了螺紋摩擦系數(shù)和支承面摩擦系數(shù)對于緊固力矩的重要影響，進(jìn)而歸納分析了表面處理對于摩擦系數(shù)的重要作用。最后，總結(jié)了確定螺栓緊固力矩的方法與流程，對于保證機(jī)車車輛制動系統(tǒng)連接螺栓的可靠運(yùn)用具有非常重要的意義。

1　螺栓扭矩系數(shù)的分析

1.1螺栓連接緊固力矩

目前，關(guān)于螺栓連接緊固力矩的理論計(jì)算方法，主要參照GB/T 16823.2-1997《螺紋緊固件緊固通則》[1]中關(guān)于擰緊方法的相關(guān)規(guī)定。

彈性區(qū)內(nèi)緊固力矩與預(yù)緊力的關(guān)系：

Tf=Ts+Tw=KFfd

(1)

式(1)中Tf為緊固力矩，Ts為螺紋扭矩，Tw為支承面扭矩，K為扭矩系數(shù)，F(xiàn)f為預(yù)緊力，d為螺紋公稱直徑。

通過式(1)可以發(fā)現(xiàn)，螺栓緊固力矩由兩部分組成：螺紋扭矩與支承面扭矩。其與預(yù)緊力的關(guān)系，由螺栓規(guī)格尺寸和扭矩系數(shù)確定。扭矩系數(shù)K的大小決定了緊固力矩轉(zhuǎn)化為預(yù)緊力所占的比例，因此扭矩系數(shù)K的確定是研究緊固力矩的關(guān)鍵因素。當(dāng)螺栓規(guī)格尺寸和扭矩系數(shù)確定時，緊固力矩與預(yù)緊力成線性關(guān)系。

根據(jù)平面摩擦和槽面摩擦原理，將式(1)進(jìn)一步分解并簡化[2]，可以得到如下公式：

(2)

式(2)中P為螺距，μs為螺紋摩擦系數(shù)，d2為螺紋中徑，α′為螺紋牙側(cè)角，μw為支承面摩擦系數(shù)，Dw支承面摩擦扭矩的等效直徑。

從式(2)可以看出，螺紋扭矩Ts可進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為預(yù)緊力消耗Tp和螺栓螺紋摩擦消耗Ts′即：

(3)

(4)

對應(yīng)支承面矩扭Tw：

(5)

故，總緊固力矩可分為3部分組成，即預(yù)緊力消耗Tp、螺栓螺紋摩擦消耗Ts′和支承面矩扭Tw，即：Tf=Ts+Tw=Tp+Ts′+Tw。

對應(yīng)的扭矩系數(shù)為：

(6)

1.2摩擦系數(shù)對緊固力矩的影響

通過上述分析，從式(6)可以看出，當(dāng)緊固螺栓的型式和尺寸固定后，影響螺栓扭矩系數(shù)K的主要因素為螺紋摩擦系數(shù)μs和支承面摩擦系數(shù)μw。

以機(jī)車制動系統(tǒng)中某高強(qiáng)度連接螺栓為例，規(guī)格M20×32，等級12.9，規(guī)定緊固力矩(625±10)Nm，表面發(fā)黑處理。通過手冊查詢相關(guān)參數(shù)：d=20 mm，α′=30°，P=2.5 mm，d2=18.376 mm，Dw=28.5 mm，公稱應(yīng)力截面積As=245 mm2，螺栓保證應(yīng)力970 MPa，螺栓保證載荷238 kN。

假設(shè)配合件與螺栓的材料與表面狀態(tài)一致，分別取μs=μw=0.08，μs=μw=0.10，μs=μw=0.15，μs=μw=0.20，計(jì)算保證載荷下，扭矩系數(shù)與緊固力矩的分布見表1：

圖1　保證載荷238 kN，不同摩擦系數(shù)緊固力矩分布圖

從圖1可以發(fā)現(xiàn)，支承面摩擦力矩對摩擦系數(shù)的靈敏度最高，當(dāng)摩擦系數(shù)較高時，緊固力矩大部分都消耗在支承面的摩擦上，而轉(zhuǎn)化為預(yù)緊力的力矩很少，要保證相同的預(yù)緊力，就需要非常大的緊固力矩，過大的緊固力矩會導(dǎo)致工具易損、操作危險(xiǎn)等問題。同時若摩擦系數(shù)過小，在相同的預(yù)緊力條件下，所需緊固力矩很小，螺栓易松動，降低了制動系統(tǒng)的可靠性。所以，在確定連接螺栓的緊固力矩時，若不考慮摩擦系數(shù)的影響，就極易發(fā)生緊固力矩不足或過高的情況。

另一方面，保持連接螺栓的緊固力矩625 Nm不變，計(jì)算各摩擦系數(shù)下預(yù)緊力的大小，如圖2所示。

從圖2中可以發(fā)現(xiàn)，若保持連接螺栓的緊固力矩不變，當(dāng)零件的表面狀態(tài)發(fā)生變化，造成摩擦系數(shù)不同時，就極易發(fā)生預(yù)緊力不足或過高的情況。如圖2，當(dāng)摩擦系數(shù)降低到0.08時，該緊固力矩所轉(zhuǎn)化的預(yù)緊力已經(jīng)超過了螺栓的保證載荷，造成軸力過載，存在很大的失效風(fēng)險(xiǎn)。

因此，研究不同摩擦系數(shù)下螺栓連接的扭矩系數(shù)，對確定緊固力矩，保證預(yù)緊力在合理范圍內(nèi)，具有非常重要的意義。

圖2　緊固力矩625 Nm，不同摩擦系數(shù)緊固力矩分布圖

2　表面處理對摩擦系數(shù)的影響

表面處理是現(xiàn)代機(jī)械工業(yè)的基礎(chǔ)工藝之一，主要采用有效的物理或化學(xué)方法，改變材料表面的形態(tài)、化學(xué)成分和組織結(jié)構(gòu)，在材料表面生成具有特殊性能的膜層，賦予材料本身所不具備的機(jī)械、物理或化學(xué)性能，滿足產(chǎn)品高技術(shù)性能的目的。

表面處理對摩擦系數(shù)的影響，主要分為兩部分：一方面是不同的表面處理方式，造成緊固件表面狀態(tài)不同，故具有不同的表面摩擦系數(shù)；另一方面，同一種表面處理方式，其技術(shù)條件的差異亦會造成表面摩擦系數(shù)的差異。下面分別對這兩種情況的相關(guān)研究進(jìn)行分析。

2.1表面處理方式對摩擦系數(shù)的影響

目前，機(jī)車車輛制動系統(tǒng)所用緊固件一般都需要經(jīng)過表面處理，主要處理方式有鍍鋅、氧化、達(dá)克羅、磷化等。不同的表面處理技術(shù)，因其膜層的成分、性質(zhì)等不同，會形成不同的表面狀態(tài)，對摩擦系數(shù)的影響很大。此外，在實(shí)際裝配過程中是否進(jìn)行潤滑，摩擦系數(shù)的差別也會很大。

目前，國標(biāo)GB/T 16823.3-2010《緊固件扭矩-夾緊力試驗(yàn)》[3]已經(jīng)對螺栓連接的摩擦系數(shù)測量方法做出了規(guī)定，但尚未有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)對各種不同表面處理的緊固件摩擦系數(shù)進(jìn)行測量并規(guī)范。很多行業(yè)或企業(yè)根據(jù)各自產(chǎn)品的特點(diǎn)，測量總結(jié)了相關(guān)數(shù)據(jù)，并形成了相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

表2為DIN 25202-1992《鐵路車輛·螺栓連接件的鎖緊預(yù)應(yīng)力和緊固扭矩》[4]中，采用滾壓外螺紋、切削內(nèi)螺紋和端面的緊固件摩擦系數(shù)的規(guī)定：

表2　DIN 25202中關(guān)于常用螺紋摩擦系數(shù)μs與支承面摩擦系數(shù)μw的規(guī)定

從表2的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)：

(1)在不進(jìn)行潤滑的情況下，配合最為常用的鍍鋅基材的內(nèi)螺紋與支承面，磷化螺栓比鍍鋅螺栓的摩擦系數(shù)相對較小，這是由于磷化工藝具有自潤滑特性。

(2)同一種表面處理，使用涂油潤滑后，能夠降低螺紋緊固件的摩擦系數(shù)，并提高一致性，尤其對于較高扭矩要求的高強(qiáng)度螺栓，能夠有效避免失效風(fēng)險(xiǎn)。

(3)當(dāng)對螺栓進(jìn)行MoS2潤滑時，摩擦系數(shù)可以降低至0.08～0.12；而對于涂抹膠粘劑的螺紋配合，摩擦系數(shù)可顯著提高至0.14～0.25，故這兩種情況在進(jìn)行緊固力矩的校核時需要特別注意，若不加以區(qū)別就極易造成預(yù)緊力不足或過載。

從上述分析可以看出，緊固件摩擦系數(shù)因表面處理方式的不同而存在差異，但進(jìn)行潤滑處理后，摩擦系數(shù)的穩(wěn)定性和一致性大大提高，可以有效避免失效風(fēng)險(xiǎn)。

目前，達(dá)克羅因其具有較高的防腐蝕性、無氫脆性、耐熱性等優(yōu)勢，逐步取代鍍鋅工藝，越來越多的應(yīng)用于機(jī)車車輛制動系統(tǒng)中的高強(qiáng)度螺栓。達(dá)克羅處理通常采用噴涂工藝，其摩擦系數(shù)與磷化、鍍鋅有所不同，但現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)尚缺少相關(guān)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，這就需要設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行高強(qiáng)度螺栓緊固力矩的校核時，應(yīng)考慮表面處理對摩擦系數(shù)的影響，必要時進(jìn)行試驗(yàn)與驗(yàn)證。

2.2表面處理技術(shù)條件對摩擦系數(shù)的影響

表面處理對于摩擦系數(shù)的影響，除不同的表面處理方式外，其不同的技術(shù)條件亦會對摩擦系數(shù)產(chǎn)生影響。

以機(jī)車車輛制動系統(tǒng)中，連接螺栓經(jīng)常采用的磷化工藝為例：鋅鹽磷化膜微觀結(jié)構(gòu)為定型晶結(jié)構(gòu)，樹枝狀、針狀、空隙較多。而錳鹽磷化膜微觀結(jié)構(gòu)為密集顆粒狀，空隙少，故錳鹽磷化膜比鋅鹽磷化膜的摩擦系數(shù)相對較小且穩(wěn)定。此外，磷化的溫度、膜層厚度、后處理的種類等均會對摩擦系數(shù)產(chǎn)生影響。

鍍鋅處理，作為機(jī)車車輛制動系統(tǒng)中最為常見的緊固件表面處理方式，其摩擦系數(shù)亦會受到鍍鋅工藝中不同技術(shù)條件的影響。

關(guān)于緊固件鍍鋅工藝對摩擦系數(shù)的影響，有學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)[2]：以M10×1.25×60，強(qiáng)度等級為10.9級的高強(qiáng)度螺栓為對象，分別對4種不同厚度、不同鉻酸鹽封閉方式的螺栓進(jìn)行摩擦系數(shù)與扭矩系數(shù)的測定(見表3)。

表3　試驗(yàn)的4種鍍鋅螺栓

將這4種螺栓各取20組進(jìn)行試驗(yàn)測試，取平均值，其結(jié)果見表4。

表4　4種鍍鋅螺栓的摩擦系數(shù)測定結(jié)果

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出：

(1)在同為c2C后處理的情況下，鍍鋅層厚度由5 μm提高至12 μm時，螺栓支承面摩擦系數(shù)基本保持不變，但螺紋摩擦系數(shù)由0.331提高至0.372，增加了12.4%；而同為c2D后處理的情況下，鍍鋅層厚度由5 μm提高至12 μm時，螺栓支承面摩擦系數(shù)基本保持不變，但螺紋摩擦系數(shù)由0.148提高至0.178，增加了20.3%。這就表明，鍍鋅層厚度對于螺栓支承面摩擦系數(shù)的影響較小，但對螺紋摩擦系數(shù)的影響較大，故對扭矩系數(shù)亦會產(chǎn)生較大影響。

(2)當(dāng)鍍鋅層厚度同為5 μm時，后處理由c2C變?yōu)閏2D，支承面摩擦系數(shù)由0.355降低至0.210，減少了40.8%，而螺紋摩擦系數(shù)由0.331降低至0.148，減少了55.3%；而當(dāng)鍍鋅層厚度同為12 μm時，后處理由c2C變?yōu)閏2D，支承面摩擦系數(shù)由0.355降低至0.211，減少了40.6%，而螺紋摩擦系數(shù)由0.372降低至0.178，減少了52.2%。這就表面，在同種鍍鋅層厚度下，c2D后處理較c2C后處理的支承面摩擦系數(shù)和螺紋摩擦系數(shù)均有大幅下降，對扭矩系數(shù)影響較大。

(3)從上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析結(jié)果可以看出，針對緊固件鍍鋅工藝而言，鍍層厚度與后處理方式是影響其扭矩系數(shù)的兩個關(guān)鍵因素，且后處理方式的影響更為顯著。這是由于不同的封閉處理造成了零件不同的表面狀態(tài)，故對摩擦系數(shù)產(chǎn)生了較大影響。

所以，不單是表面處理的方式對于摩擦系數(shù)有較大影響，就是同一種表面處理方式的不同技術(shù)條件，亦會顯著的影響緊固件的摩擦系數(shù)。而不同的表面處理方式，其技術(shù)條件的類型并不相同，如達(dá)克羅涂層的等級、磷化液的類別和溫度等，故對于摩擦系數(shù)的關(guān)鍵影響因素就不會完全一致。這就需要我們研究確定每一種表面處理方式中影響摩擦系數(shù)的關(guān)鍵因素，才能更為科學(xué)、合理的確定緊固件的緊固力矩。

3　螺栓緊固力矩的確定方法與流程

目前，國內(nèi)機(jī)車車輛制動系統(tǒng)螺栓緊固力矩的確定方法，主要的依據(jù)是設(shè)計(jì)人員提取過時標(biāo)準(zhǔn)中的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，當(dāng)緊固件表面狀態(tài)變化時，不能合理的調(diào)整裝配扭矩值，很可能造成預(yù)緊力過大或過小。

通過前述分析可以看出：

(1)影響螺栓緊固力矩的關(guān)鍵因素有3個：緊固連接的形式與規(guī)格、螺紋摩擦系數(shù)μs和支承面摩擦系數(shù)μw，所以控制摩擦系數(shù)是合理選擇裝配扭矩的核心。

(2)影響摩擦系數(shù)的關(guān)鍵因素是緊固件的表面處理方式與技術(shù)條件。所以，要科學(xué)、合理的確定機(jī)車車輛制動系統(tǒng)螺栓連接的緊固力矩，就需要綜合考慮緊固件規(guī)格、表面處理方式與技術(shù)條件3方面因素的共同影響。為此機(jī)車車輛制動系統(tǒng)螺栓緊固力矩的確定,應(yīng)首先明確緊固件的表面處理方式與技術(shù)條件的關(guān)鍵因素，通過試驗(yàn)方法進(jìn)行摩擦系數(shù)測定，然后統(tǒng)計(jì)歸納得到摩擦系數(shù)的分布規(guī)律，從企業(yè)層面建立標(biāo)準(zhǔn)，科學(xué)、合理的計(jì)算得出，如圖3所示。

圖3　機(jī)車車輛制動系統(tǒng)螺栓緊固力矩的確定方法與流程

要科學(xué)、合理的確定機(jī)車車輛制動系統(tǒng)螺栓緊固力矩，需要進(jìn)行如下兩個方面的工作：

(1)摩擦系數(shù)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的建立。

首先要對制動系統(tǒng)中，常用的緊固件配套及其表面處理方式與技術(shù)條件進(jìn)行歸納。雖然表面處理的技術(shù)條件因素眾多，但其每種表面處理方式中影響摩擦系數(shù)的因素是有限的，且制動系統(tǒng)中這些因素通常有固定的參數(shù)模式。歸納完成后，就可以確定試驗(yàn)對象，按照國家標(biāo)準(zhǔn)[3]進(jìn)行扭矩-夾緊力試驗(yàn)，得到每種配套的螺紋摩擦系數(shù)μs和支承面摩擦系數(shù)μw值。對其進(jìn)行回歸分析，確定分布形式，從而得到期望值與方差值。然后，確定表面處理供應(yīng)商的工藝穩(wěn)定性，最終明確每種表面處理方式與對應(yīng)技術(shù)條件的摩擦系數(shù)范圍，從而建立相應(yīng)的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

(2)計(jì)算制動系統(tǒng)螺栓緊固力矩。

計(jì)算緊固力矩的前提條件，是設(shè)計(jì)所需的軸向預(yù)緊力，其核心思想是：裝配產(chǎn)生的最小軸向預(yù)緊力滿足功能要求、最大不超過螺栓的許用載荷，對于關(guān)鍵連接部位，裝配工藝必須通過設(shè)計(jì)計(jì)算及裝配工藝模擬驗(yàn)證，確認(rèn)裝配工藝滿足設(shè)計(jì)軸向預(yù)緊力要求。之后，根據(jù)部件結(jié)構(gòu)等要求確定緊固件的連接形式與規(guī)格。根據(jù)防腐性、潤滑性等要求確定表面處理的方式與技術(shù)條件參數(shù)，在企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中確定摩擦系數(shù)的范圍。對于關(guān)鍵連接，還需進(jìn)行試制、試驗(yàn)等驗(yàn)證工作。

4　結(jié)　論

根據(jù)理論計(jì)算與分析，得出扭矩系數(shù)不止與螺栓的規(guī)格尺寸有關(guān)，更與螺栓的摩擦系數(shù)相關(guān)。其中，擰緊螺栓的緊固力矩大部分都消耗在螺紋和支承面的摩擦上，而轉(zhuǎn)化為預(yù)緊力的力矩很少。摩擦系數(shù)的微小變化，可以引起緊固特性的較大變化。這就表明了螺紋摩擦系數(shù)和支承面摩擦系數(shù)對于緊固特性的重要影響，是確定螺栓緊固力矩的重要因素。

通過歸納與分析，得出表面處理方式與技術(shù)條件對于摩擦系數(shù)的重要作用。不同類型的表面處理，受膜層的成分、性質(zhì)等不同的影響，其摩擦系數(shù)并不相同，但進(jìn)行潤滑處理后，摩擦系數(shù)的穩(wěn)定性和一致性大大提高，可以有效避免失效風(fēng)險(xiǎn)。除表面處理方式外，表面處理的技術(shù)條件亦會對摩擦系數(shù)產(chǎn)生影響。本文通過分析鍍鋅工藝中，膜厚與封閉方式對摩擦系數(shù)的影響，表明在確定螺栓緊固力矩時，不能忽略緊固件表面處理的技術(shù)條件的不同。

[1]GB/T 16823.2-1997 螺紋緊固件緊固通則[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1997.

[2]覃雄臻.表面處理對螺栓擰緊特性的影響分析[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，35(4)：511-514.

[3]GB/T 16823.3-2010 緊固件扭矩-夾緊力試驗(yàn)[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011.

[4]DIN 25202-1992.鐵路車輛·螺栓連接件的鎖緊預(yù)應(yīng)力和緊固扭矩[S].

[5]楊涯學(xué)，曹衛(wèi)亮. 達(dá)克羅高強(qiáng)螺栓扭矩系數(shù)的影響因素[J].理化檢驗(yàn):物理分冊, 2011，(03):196-198.

[6]趙海川，王晶.關(guān)于風(fēng)電螺栓扭矩系數(shù)與摩擦系數(shù)的探討[J].風(fēng)能，2010，(9):54-56.

Analysis of Influencing Factors on Tightening Torque in Vehicle's Braking System

WANGYuelong1,2，SUNGuanghe1,2，LIUPeng1,2

(1Beijing Zongheng Electro-Mechanical Technology Development Co.，Beijing 100094，China；2Locomotive & Car Research Institute, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China)

The calculation of the bolt tightening torque in vehicle’s braking system is usually based on the empirical value currently. Neglecting the effect of surface state on the tightening torque will lead to the significant security risk. This paper analyzes the important effect of friction coefficient on the tightening torque, and then the friction coefficient is affected by the technical conditions of surface treatment. Finally, the calculation method and process of tightening torque are obtained, and it provides a scientific and rational basis for calculating tightening torque.

vehicle’s braking system; tightening torque; friction coefficient; surface treatment

1008-7842 (2016) 03-0056-05

??)男，助理研究員(

2016-01-08)

U260.35

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.03.12