接觸網(wǎng)緊固件防松性能判定方法探討

楊旭堯

摘 要：隨著我國(guó)高速鐵路的不斷發(fā)展，鐵路運(yùn)營(yíng)安全要求不斷提高，鐵路接觸網(wǎng)緊固件的防松性能要求也在不斷提高，而在實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中對(duì)產(chǎn)品防松性能的判斷方法與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)均存在一定差異，而且這些標(biāo)準(zhǔn)之間也存在一定差異。本文根據(jù)螺紋連接自鎖特性，分析螺紋松動(dòng)的主要原因，對(duì)目前國(guó)際、國(guó)內(nèi)防松性能試驗(yàn)方法進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)分析，提出判斷緊固件防松性能的合理試驗(yàn)方法。

關(guān)鍵詞：緊固件;螺紋;防松;試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：U225.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）06-0060-02

0 引言

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)緊固件防松性能測(cè)試評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)中，主要按照ISO16130-2015（航空航天系列--橫向加載條件下螺栓連接的鎖定行為的動(dòng)態(tài)測(cè)試（振動(dòng)測(cè)試））和GB/T10431-2008（緊固件橫向振動(dòng)試驗(yàn)方法）的橫向振動(dòng)試驗(yàn)來(lái)進(jìn)行判定。

而在國(guó)內(nèi)一些電氣化鐵路接觸網(wǎng)中對(duì)緊固件防松性能主要從以下三方面進(jìn)行評(píng)價(jià)：（1）橫向振動(dòng)試驗(yàn);（2）緊固件隨產(chǎn)品進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)后的殘余力矩試驗(yàn);（3）松卸力矩試驗(yàn)。

上述第一條雖與現(xiàn)行國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)項(xiàng)目相符，但在試驗(yàn)方法上與現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)存在差異。另外兩條均沒(méi)有成文的標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)，本文從螺紋結(jié)構(gòu)特性入手，論述螺紋松動(dòng)的主要原因;通過(guò)對(duì)比國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)與鐵路招標(biāo)時(shí)緊固件防松試驗(yàn)方法和判斷方法并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，論述判定緊固件防松性能的試驗(yàn)方法。

1 螺紋連接靜態(tài)結(jié)構(gòu)力學(xué)情況

螺紋連接一般由一個(gè)外螺紋螺栓和一個(gè)內(nèi)螺紋螺母組成，螺紋設(shè)計(jì)時(shí)的螺紋升角設(shè)計(jì)均按斜面自鎖原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，即螺紋連接在靜態(tài)作用下是滿足自鎖調(diào)件不會(huì)發(fā)生松動(dòng)的。

2 螺紋緊固松動(dòng)的原因

所謂螺紋松動(dòng)是指螺紋連接部分或全部喪失軸向預(yù)緊力的情況。那么一般螺紋緊固滿足螺紋自鎖條件，而且又有支承面摩擦力矩的存在，為什么還會(huì)松動(dòng)呢？

螺紋的自鎖僅限于靜載狀態(tài)下，而在使用過(guò)程中經(jīng)常受到變載荷、振動(dòng)以及沖擊等不同動(dòng)載荷的作用，由于各零件的慣性和其他連接零件的相互作用，造成材料形變，降低螺紋副和螺母支承面的摩擦系數(shù)，瞬間打破力的平衡關(guān)系，產(chǎn)生微量相對(duì)滑動(dòng)。位移向擰緊螺母方向比松開(kāi)螺母方向需要克服更大的阻力，所以造成相對(duì)滑動(dòng)向松開(kāi)螺母方向進(jìn)行，多次重復(fù)出現(xiàn)的微量滑動(dòng)相累加導(dǎo)致了預(yù)緊力減小、螺紋松動(dòng)。

螺紋緊固件使用過(guò)程中所受振動(dòng)載荷有橫向振動(dòng)載荷、縱向振動(dòng)載荷或者兩者綜合作用三種情況。而橫向振動(dòng)是造成螺紋緊固件產(chǎn)生松動(dòng)的主要原因，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于緊固件防松性能評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)ISO16130-2015（航空航天系列--橫向加載條件下螺栓連接的鎖定行為的動(dòng)態(tài)測(cè)試（振動(dòng)測(cè)試））和GB/T10431-2008（緊固件橫向振動(dòng)試驗(yàn)方法）即采用橫向振動(dòng)試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證緊固裝置的防松性能。

3 國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比

如前所述，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)緊固件螺紋防松的評(píng)判主要按ISO16130-2015和GB/T10431-2008兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的橫向振動(dòng)試驗(yàn)進(jìn)行。

兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)主要內(nèi)容對(duì)比如下：

（1）標(biāo)準(zhǔn)適用范圍：以上兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)均強(qiáng)調(diào)該試驗(yàn)是在相同試驗(yàn)條件下（包括配合的其他緊固件、設(shè)備、潤(rùn)滑等各項(xiàng)試驗(yàn)條件）對(duì)緊固件防松性能進(jìn)行對(duì)比評(píng)價(jià)，沒(méi)有絕對(duì)定量指標(biāo)，也不能說(shuō)明在工況載荷下的緊固件的防松性能。

（2）試驗(yàn)步驟：ISO16130-2015的試驗(yàn)過(guò)程分為參考試驗(yàn)和驗(yàn)證試驗(yàn)兩個(gè)階段。驗(yàn)證試驗(yàn)前要按照相同的試驗(yàn)條件進(jìn)行3次參考試驗(yàn)并對(duì)試驗(yàn)的實(shí)際橫向位移值進(jìn)行記錄，為驗(yàn)證試驗(yàn)提供可參考的依據(jù)。而GB/T10431-2008標(biāo)準(zhǔn)中則直接進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，且僅記錄試驗(yàn)設(shè)備的空載振幅（即未安裝緊固件時(shí)的橫向位移值）。

對(duì)于以上條款，橫向振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)的橫向位移實(shí)際值是影響試驗(yàn)結(jié)果的直接參數(shù)，直接反映了緊固件受振動(dòng)的強(qiáng)烈程度，是橫向振動(dòng)試驗(yàn)的重要試驗(yàn)條件。而相同空載狀態(tài)下的橫向位移在受到螺紋夾緊力、緊固件鎖緊方式、設(shè)備誤差等諸多因素影響的情況下，所能得到的實(shí)際橫向位移值不能直觀的確定，必然存在相對(duì)的誤差。而且按兩標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍要求，只有在相同試驗(yàn)條件下對(duì)不同產(chǎn)品的試驗(yàn)數(shù)據(jù)才有進(jìn)行比較的意義。同時(shí)ISO16130-2015在驗(yàn)證試驗(yàn)前進(jìn)行了參考試驗(yàn)來(lái)盡量減少離散誤差對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集造成的誤差，保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

以上分析表明，ISO16130-2015是試驗(yàn)方法方面更加的嚴(yán)謹(jǐn)，更準(zhǔn)確的反映了試驗(yàn)條件，為不同緊固件的防松性能對(duì)比提供了更明確的信息，有利于試驗(yàn)結(jié)論的運(yùn)用。

（3）試驗(yàn)設(shè)置：ISO16130-2015要求M12及以下緊固件實(shí)際橫向位移值設(shè)置為±0.5mm，M12以上緊固件實(shí)際橫向位置值設(shè)置為±0.8mm，試驗(yàn)頻率為12.5Hz，試驗(yàn)夾緊力為0.75Fu。

;

其中：d2為平均螺紋中徑，單位mm;d3為平均螺紋小徑，單位mm;Fu為極限夾緊力，單位N。

而GB/T10431-2008要求M18以下緊固件試驗(yàn)的空載振幅為±0.1dmm，M20和M22為±1.9mm，M24為±2.0mm，并未要求記錄振動(dòng)試驗(yàn)的實(shí)際振幅。試驗(yàn)振幅同樣推薦采用12.5Hz。而試驗(yàn)夾緊力方面僅推薦了12.9及螺栓的夾緊力，未對(duì)其他等級(jí)所采用的夾緊力做任何要求。

故，ISO16130-2015標(biāo)準(zhǔn)明確要求了各種規(guī)格緊固件在橫向振動(dòng)試驗(yàn)過(guò)程中的實(shí)際橫向位移、振動(dòng)頻率及試驗(yàn)夾緊力設(shè)置，為同種規(guī)格緊固件確定了相同的試驗(yàn)條件。

但GB/T10431-2008雖然提出了空載振幅、試驗(yàn)頻率，僅規(guī)定了12.9級(jí)螺栓的試驗(yàn)夾緊力。對(duì)于其他等級(jí)的緊固件，除夾緊力試驗(yàn)條件不能統(tǒng)一外，不同的夾緊力直接導(dǎo)致實(shí)際橫向位移的不同;且實(shí)際橫向位移還因緊固件類型不同、鎖緊方式不同等因素造成在相同夾緊力下實(shí)際橫向位移也不同。即在實(shí)際橫向位移、試驗(yàn)夾緊力兩項(xiàng)重要試驗(yàn)條件均未明確要求，試驗(yàn)要求的嚴(yán)謹(jǐn)性不足。

通過(guò)以上對(duì)比：ISO16130-2015在試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置方面更加清楚、具體，明確規(guī)定了試驗(yàn)的技術(shù)條件，符合以上兩標(biāo)準(zhǔn)適用范圍的具體要求。

（4）其他條款：以上兩標(biāo)準(zhǔn)的其他條款雖然在描述方法上存在一定差異，實(shí)質(zhì)內(nèi)容基本相符，且在實(shí)際運(yùn)用中沒(méi)有不合理的地方，此處不再進(jìn)行描述。

4 鐵路接觸網(wǎng)行業(yè)對(duì)緊固件防松性能的評(píng)價(jià)方式的合理性研究

鐵路接觸網(wǎng)行業(yè)對(duì)緊固件防松性能的評(píng)價(jià)條款：

（1）緊固裝置安裝完畢后，對(duì)零件產(chǎn)生夾緊力作用的螺母緊固后的松開(kāi)力矩值應(yīng)大于或等于其緊固力矩值;

（2）按TB/T 2073的要求對(duì)緊固裝置進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)后，對(duì)零件產(chǎn)生夾緊力作用的螺母的緊固力矩值應(yīng)大于或等于其振動(dòng)試驗(yàn)前緊固力矩值的95%;

（3）按GB/T 10431的要求，在不同防松方式規(guī)定的試驗(yàn)緊固力矩及潤(rùn)滑的條件下，對(duì)緊固裝置進(jìn)行振幅為0.1d、頻率為10Hz、振動(dòng)次數(shù)為1200次的橫向振動(dòng)試驗(yàn)后，螺栓殘余軸力與初始軸力之比應(yīng)大于或等于80%。

針對(duì)以上條款，對(duì)比現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，具體情況如下：

（1）第一條評(píng)價(jià)條款中要求緊固裝置安裝完畢后，測(cè)量螺母的松開(kāi)力矩來(lái)判斷緊固件的防松性能。

首先，無(wú)論是從現(xiàn)行國(guó)內(nèi)外防松標(biāo)準(zhǔn)還是各種學(xué)術(shù)文獻(xiàn)上，均沒(méi)有把該項(xiàng)目作為評(píng)判緊固件防松性能的依據(jù)。

另外，根據(jù)本文第一部分的螺紋緊固結(jié)構(gòu)力學(xué)分析結(jié)果，緊固件的松開(kāi)力矩值反映了緊固件在靜載荷狀態(tài)下螺紋自鎖的情況，而螺紋松動(dòng)是在運(yùn)用過(guò)程中受到振動(dòng)等動(dòng)載荷因素造成的，那么靜載荷下的自鎖條件是否能直接反映緊固件在動(dòng)載荷下的防松性能呢？本研究通過(guò)以下對(duì)比試驗(yàn)來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證。

本實(shí)驗(yàn)對(duì)目前常見(jiàn)的9種防松方式分別進(jìn)行松卸力矩和橫向振動(dòng)試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果來(lái)研究松卸力矩對(duì)緊固件防松性能的影響，對(duì)比依據(jù)采用國(guó)際認(rèn)可的橫向振動(dòng)試驗(yàn)，如表1所示。

從試驗(yàn)結(jié)果可以清晰的發(fā)現(xiàn)，緊固件靜載荷狀態(tài)下松卸力矩與橫向振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果不存在必然的聯(lián)系，特別是偏心螺母和錐壓抱緊螺母的松卸力矩效果并不好，但橫向振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果較好;而松卸力矩試驗(yàn)結(jié)果非常優(yōu)秀的齒形雙墊的橫向振動(dòng)試驗(yàn)后殘余軸力為0，表現(xiàn)最差。

因此，松卸力矩不僅不能直接反映緊固件在動(dòng)載荷作用下的防松性能，還與橫向振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果存在矛盾情況，嚴(yán)重影響到緊固件動(dòng)載荷下防松性能的評(píng)判。因此采用該條款來(lái)對(duì)緊固件的防松性能進(jìn)行評(píng)判和限制是極為不合理的。

（2）第二條評(píng)價(jià)條款中要求緊固件隨產(chǎn)品進(jìn)行在線模擬振動(dòng)試驗(yàn)后測(cè)量其殘余力矩值并根據(jù)結(jié)果進(jìn)行判定，該試驗(yàn)方法理論上是比較合理的，直接模擬了緊固件的實(shí)際工作情況。但是，安裝在產(chǎn)品上的緊固件的殘余力矩值是無(wú)法進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量的。既然試驗(yàn)數(shù)據(jù)無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量，那么試驗(yàn)條款也就失去了意義。針對(duì)這一情況，可以有以下處理措施：

振動(dòng)試驗(yàn)后采用對(duì)緊固件試驗(yàn)后的松轉(zhuǎn)量或試樣是否出現(xiàn)裂紋等情況來(lái)判斷緊固件的防松性能。

（3）對(duì)于第三條評(píng)價(jià)條款，本文第3部分“國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比”中對(duì)ISO16130-2015和GB/T10431-2008兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)劣做了明確對(duì)比，建議按ISO16130-2015的相關(guān)要求進(jìn)行試驗(yàn)來(lái)評(píng)判緊固件的防松性能。

5 結(jié)語(yǔ)

本文根據(jù)螺紋連接靜態(tài)受力和松動(dòng)原因進(jìn)行分析，再次肯定了動(dòng)載荷是造成螺紋松動(dòng)的主要原因，并通過(guò)對(duì)現(xiàn)行國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)比和分析，得到了判斷緊固件防松性能的合理要求，針對(duì)電氣化鐵路緊固件防松性能的評(píng)價(jià)得到以下結(jié)論：

（1）按ISO16130-2015的要求，對(duì)不同防松防松緊固件在要求的夾緊力、潤(rùn)滑條件等相同試驗(yàn)條件下，對(duì)緊固裝置進(jìn)行橫向振動(dòng)試驗(yàn)，并按螺栓殘余軸力與初始軸力之比對(duì)緊固件防松性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

（2）按TB/T 2073的要求將緊固裝置安裝在產(chǎn)品上進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)后，對(duì)緊固件試驗(yàn)后的松轉(zhuǎn)量或試樣是否出現(xiàn)裂紋等情況來(lái)判斷緊固件的防松性能。

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