軌道車輛制動壓緊式管接頭理論及試驗研究

張懷耀

(中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司 合肥車輛段，安徽 合肥 230011)

氣制動作為城市軌道車輛的重要系統(tǒng)，直接影響到車輛的運行性能和安全。對于國內(nèi)外城市軌道車輛氣制動管路系統(tǒng)，由于壓緊式和卡套式管接頭具有連接力大、結(jié)構(gòu)緊湊和便于拆卸等優(yōu)點，逐漸發(fā)展成為主流結(jié)構(gòu)形式。同時，氣制動系統(tǒng)管接頭還需要保證管路具有良好的密封性。

不難理解，密封的實現(xiàn)是以被聯(lián)接結(jié)構(gòu)的接觸界面間具有足夠大的張緊力為前提。然而，隨著軌道車輛運行時間的增長，管接頭螺紋聯(lián)接副的張緊力會發(fā)生緩慢下降，即所謂的螺紋聯(lián)接松弛。雖然螺紋聯(lián)接松弛在初始階段并不會引起重大事故，但在其逐步失效過程中，螺紋聯(lián)接副張緊力會越來越低，由此導(dǎo)致的泄漏、制動氣壓不足等故障也是不容忽視的。

1 管接頭螺紋聯(lián)接密封原理

本文以壓緊式管接頭螺紋聯(lián)接作為研究對象，壓緊式管接頭螺紋聯(lián)接副如圖1所示，其中，密封圈和墊片起到密封作用，密封效果由卡簧提供的軸向壓力F所確定，而軸向力F是通過接頭螺母在擰緊過程中對卡簧的擠壓作用而產(chǎn)生的，以下簡稱軸向張緊力。

圖1 壓緊式管接頭結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 管接頭螺紋聯(lián)接緊固力矩及其分配

當(dāng)擰緊螺紋時，需要克服接頭中間體與接頭螺母螺紋副間的摩擦力矩T1和卡簧與接頭螺母內(nèi)表錐形面間的摩擦力矩T2，兩者之和稱為緊固力矩。對于三角形螺紋，借鑒螺栓聯(lián)接緊固力矩公式[1-2]，管接頭螺紋聯(lián)接緊固力矩T的計算式可表述為：

(1)

式中，F(xiàn)是螺紋副擰緊過程中產(chǎn)生的軸向張緊力；d2是接頭中間體外螺紋的有效直徑；φ是螺紋升角，tanφ=p/(πd2)，p是螺距(單頭螺紋)；ρ′是螺紋當(dāng)量摩擦角(tanρ′=μs/cosβ′)，μs是螺紋副間的摩擦因數(shù)，β′是螺紋垂直截面的牙型斜角，它和軸向截面牙型斜角β的關(guān)系為：tanβ′=tanβcosφ，對于米制螺紋有tanβ′=0.577cosφ；θ是卡簧與接頭螺母接觸面傾角；μw是卡簧與接頭螺母接觸面間的摩擦因數(shù)；dw是卡簧支承面摩擦力矩的等效直徑。

對于米制螺紋，φ值通常在2°30′左右，tanφ是一個小量，tanρ′通常也是一個遠(yuǎn)小于1的數(shù)，由此可認(rèn)為：

(2)

于是，式1可以表示為：

(3)

文中以聯(lián)接φ12 mm氣制動管路所用的M20×1.5管接頭為例，代入緊固件尺寸和相應(yīng)的摩擦因數(shù)值(μs=μw=0.1)得出：表征螺旋副斜面作用的第1部分力矩值，即用于軸向張緊的力矩值(Fp/(2π))約占總比率的5.4%；表征螺紋副中摩擦作用的第2部分力矩值(Fd2μs/(2cosβ′))約占24.8%；表征卡簧支承面摩擦作用的第3部分力矩值(Fdwμw/(2cosθ))約占69.8%。

緊固力矩產(chǎn)生的效果分配情況如圖2所示。從圖2可以看出，真正分配到軸向張緊力上的力矩只占很少的一部分[3]。

圖2 螺紋副緊固力矩分配情況

1.2 軸向張緊力理論方程

由式3可知，管接頭中的軸向張緊力F可表達(dá)為：

(4)

式4描述了在聯(lián)接件之間的接觸應(yīng)力達(dá)到屈服極限前的軸向張緊力的理論關(guān)系，稱為理論方程。由式4可以看出，張緊力的大小由緊固力矩(T)、螺紋副及卡簧與接頭螺母接觸面間的摩擦因數(shù)(μs、μw)和螺紋副的幾何變量(d2、dw、β′、p、θ)確定。

若摩擦因數(shù)是常數(shù)，則由方程可知，對于確定的聯(lián)接件，軸向張緊力和緊固力矩呈線性關(guān)系。M20×1.5螺紋聯(lián)接管接頭副軸向張緊力F與緊固力矩T之間的關(guān)系曲線如圖3所示，此處設(shè)定μs=μw。從圖3中可以看出不同摩擦因數(shù)與軸向張緊力F的對應(yīng)關(guān)系。設(shè)定緊固力矩為100 N·m，當(dāng)摩擦因數(shù)為0.5時，得到軸向張緊力為4.71 kN；當(dāng)摩擦因數(shù)為0.05時，則軸向張緊力>40 kN，管接頭內(nèi)的軸向張緊力受摩擦因數(shù)的影響極大。因此，要得到穩(wěn)定的軸向張緊力，僅僅控制緊固力矩是不夠的，必須對摩擦因數(shù)加以控制，避免摩擦因數(shù)的波動導(dǎo)致軸向張緊力的不穩(wěn)定。

圖3 F-T關(guān)系曲線

1.3 管接頭螺紋聯(lián)接的松弛力矩

對于有張緊力F的管接頭，若使之松馳，則需施加一反向力矩。與擰緊力矩類似，在松弛力矩T′的計算公式中，僅需將式1中螺紋升角φ改變?yōu)樨?fù)號，即：

(5)

有文獻(xiàn)表明，螺紋松弛力矩約為擰緊力矩的80%[4-5]，若要使聯(lián)接松動，則所施加的力矩比擰緊力矩要低20%左右，這是由螺紋聯(lián)接的結(jié)構(gòu)特點決定的，也是促成螺紋聯(lián)接易松動的內(nèi)在原因。

一般情況下，由于螺紋聯(lián)接中螺紋接觸面的摩擦角一般大于螺紋的螺旋角，滿足自鎖條件。對于管接頭螺紋聯(lián)接副，自鎖條件可表述為：

(6)

則：

(7)

由式7可以得出，對于粗牙螺紋，由于螺距p較大，為保證安全的自鎖條件，必須要有較高的摩擦因數(shù)；反之，對于細(xì)牙螺紋，選擇較小的摩擦因數(shù)即可?？紤]到小摩擦因數(shù)有利于提高軸向張緊力的特點，制動管路應(yīng)優(yōu)先選用小摩擦因數(shù)細(xì)牙的管接頭。

2 管接頭聯(lián)接性能影響因素及其試驗研究

2.1 管接頭聯(lián)接性能影響因素

管接頭聯(lián)接性能的影響因素有如下幾個方面。

1)蠕變松弛引起的螺紋松動。管接頭聯(lián)接完成后，由于張緊力的存在，引起管接頭螺紋副局部塑性變形，會造成聯(lián)接在某種程度上的初始松動，稱為蠕變松馳(亦稱為應(yīng)力松弛)。試驗發(fā)現(xiàn)，在管接頭擰緊后，緊固力矩會立即發(fā)生大幅度減小現(xiàn)象；之后，隨時間的延長，緊固力矩減小的速度降低，最終達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)。在今后的工作中，有必要對管接頭緊固力矩達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的時間進(jìn)行研究，為緊固力矩復(fù)扭時間的確定提供依據(jù)[6-7]。

2)振動環(huán)境引起的聯(lián)接松動。制動管路在軌道車輛運行過程中承受著由車輛振動引起的交變載荷。當(dāng)管接頭在受到瞬時的較大沖擊或持續(xù)的振動時，由于部件尺寸微小變化及相互位置的瞬時移動, 從而導(dǎo)致螺紋副之間、卡簧與接頭螺母之間，以及卡簧與管壁之間的摩擦阻力會突然減小，進(jìn)而導(dǎo)致殘余緊固力矩和軸向張緊力都會降低，造成松動失效[8-10]。

3)螺紋鎖固劑對聯(lián)接松動的影響。實際上，螺紋鎖固劑相當(dāng)于粘結(jié)劑，可以提高螺紋副之間的摩擦力，使其不容易松脫；因此，添加了螺紋鎖固劑后，管接頭的殘余緊固力矩會有所增加。

4)溫度對聯(lián)接松動的影響。溫度對管接頭松動的影響主要表現(xiàn)在2個方面：熱脹冷縮和應(yīng)力松弛。如果內(nèi)螺紋材料熱膨脹系數(shù)大于外螺紋材料，則在低溫環(huán)境下，螺紋副之間會產(chǎn)生微觀間隙，從而降低螺紋副間的殘余緊固力矩；然而，應(yīng)力松弛卻在高溫環(huán)境下容易產(chǎn)生，由此高溫會減弱殘余緊固力矩。兩方面相互制約，因此探討溫度對聯(lián)接松動的影響應(yīng)該從這2個方面進(jìn)行綜合評估[11-12]。

2.2 管接頭聯(lián)接性能試驗

通過對不同材料和規(guī)格的管接頭，在不同工況下進(jìn)行試驗，以確認(rèn)相關(guān)因素對聯(lián)接性能影響的大小。由于管接頭聯(lián)接密封性能指標(biāo)(軸向張緊力)在試驗過程中難以精確測定，因此采用與軸向張緊力成正比關(guān)系的殘余力矩作為密封性能指標(biāo)。

管接頭試驗件包括管路直徑分別為12和22 mm的壓緊式碳鋼管接頭和壓緊式不銹鋼管接頭2類，管接頭編號參見表1。靜態(tài)殘余力矩測試是在管接頭擰緊后靜置24 h后進(jìn)行。振動試驗按照IEC 61373—2010(機(jī)車車輛設(shè)備沖擊振動試驗)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。使用的螺紋鎖固劑牌號為LOCTITE 577。試驗溫度參數(shù)設(shè)定為低溫(-10 ℃)、常溫(10 ℃)和高溫(40 ℃)等3種，其中，高、低溫度下的殘余力矩是指將管接頭擰緊后在相應(yīng)溫度下加溫24 h，再置于室內(nèi)待恢復(fù)常溫后進(jìn)行的測量值。

表1 管接頭編號說明表

2.2.1 壓緊式碳鋼管接頭試驗

設(shè)定管路直徑為12和22 mm的管接頭初始緊固力矩分別為50和100 N·m，其在各種工況下的殘余緊固力矩如圖4所示。

圖4 壓緊式碳鋼管接頭螺紋殘余緊固力矩

從圖4分析如下。

1)螺紋鎖固劑的影響。在無沖擊振動環(huán)境下，對于直徑為12 mm的管接頭，有鎖固劑比無鎖固劑的殘余緊固力矩平均提高了約16%，對于公稱直徑為22 mm的管接頭提高了約24%；而在沖擊振動環(huán)境下，對于直徑為12和22 mm的管接頭，鎖固劑使得殘余緊固力矩分別提高了約6%和36%。試驗結(jié)果表明，螺紋鎖固劑確實可提高管接頭的殘余緊固力矩，尤其是對公稱直徑大的管接頭的影響更為明顯。對此可以解釋為是由于螺紋公稱直徑增加后，鎖固劑產(chǎn)生的摩擦力矩增加的緣故。

2)沖擊振動的影響。對于無鎖固劑的管接頭，沖擊振動使得直徑為12和22 mm的管接頭殘余緊固力矩分別降低了約25%和15%；對于有鎖固劑的管接頭，沖擊振動使得直徑為12和22 mm的管接頭殘余緊固力矩分別降低了約31%和7%。試驗結(jié)果表明，沖擊振動可明顯降低管接頭的殘余緊固力矩，尤其是對公稱直徑小的管接頭的影響更為明顯。

2.2.2 壓緊式不銹鋼管接頭試驗

設(shè)定管路直徑為12和22 mm的管接頭初始緊固力矩分別為50和100 N·m，其在各種工況下的殘余緊固力矩如圖5所示。

圖5 壓緊式不銹鋼管接頭螺紋殘余緊固力矩

從圖5分析如下。

1)卡環(huán)是否帶齒的影響?？ōh(huán)是否帶齒對殘余緊固力矩的影響規(guī)律不夠明晰。比如，在低溫?zé)o振動環(huán)境下，直徑為12 mm的卡環(huán)帶齒的管接頭殘余緊固力矩比無齒的要小，但是在直徑為22 mm的管接頭中，卡環(huán)帶齒的管接頭殘余緊固力矩比無齒的要大；直徑為12 mm的管接頭在高溫?zé)o振動環(huán)境下，卡環(huán)是否帶齒對殘余緊固力矩并無影響。

2)溫度的影響。與低溫狀態(tài)相比，高溫(40 ℃)會降低殘余緊固力矩，但公稱尺寸不同，振動環(huán)境不同，其影響程度也不同。在無振動環(huán)境中，直徑為12 mm的有齒卡簧管接頭高溫比低溫的殘余緊固力矩小11%，但直徑為22 mm的有齒卡簧管接頭高溫比低溫的殘余緊固力矩小38%。在有振動環(huán)境中，高溫對殘余緊固力矩的影響減弱，比如直徑為22 mm的有齒卡簧管接頭高溫比低溫的殘余緊固力矩小13%，直徑為12 mm的管接頭殘余緊固力矩在高溫下甚至大于低溫時的殘余緊固力矩。

3)沖擊振動的影響。在低溫狀態(tài)下，沖擊振動對殘余緊固力矩的影響比較明顯，與無振動狀態(tài)下的殘余緊固力矩相比，振動使得殘余緊固力矩下降幅度達(dá)30%～50%；但高溫狀態(tài)下，沖擊振動對殘余緊固力矩的影響不夠明顯。

3 結(jié)語

通過上述研究，可以得出如下結(jié)論。

1)通過管接頭螺紋聯(lián)接緊固力矩的理論公式，給出緊固力矩產(chǎn)生的效果分配情況，結(jié)果表明，真正分配到軸向張緊力上的力矩只占緊固力矩總值很少的一部分。

2)管接頭螺紋聯(lián)接軸向張緊力理論公式表明，要得到穩(wěn)定的軸向張緊力，必須對摩擦因數(shù)加以控制。

3)綜合考慮管接頭螺紋聯(lián)接的軸向張緊力和松弛力矩公式，制動管路應(yīng)優(yōu)先選用細(xì)牙小摩擦因數(shù)的管接頭。

4)管接頭聯(lián)接性能試驗結(jié)果表明，在低溫和常溫狀態(tài)下，沖擊振動可明顯降低管接頭的殘余緊固力矩；但在高溫狀態(tài)下，沖擊振動對殘余緊固力矩的影響不顯著。另外，溫度對管接頭聯(lián)接性能的影響比較復(fù)雜，具體討論應(yīng)從熱脹冷縮和應(yīng)力松弛這2個方面進(jìn)行綜合評估。

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