動車組螺栓擰緊防松及表面處理方法研究

李 暢，呂志龍，周安德

（中車株洲電力機(jī)車有限公司，1、工程師，2、3，高級工程師，湖南 株洲412001）

0 引言

由于動車組結(jié)構(gòu)的特殊性，動車組車輛上的變壓器、制動風(fēng)缸、水箱等較重的設(shè)備全部使用高強(qiáng)度螺栓安裝在車輛底架上［1］。所以，螺栓連接是動車組產(chǎn)品裝配過程中一個重要項(xiàng)點(diǎn)，只有保障螺栓連接的質(zhì)量，才能夠使得整個動車組產(chǎn)品裝配的質(zhì)量得到提升。相較于歐洲、日本等，中國的軌道交通研究起步較晚，對軌道車輛用的螺栓連接的研究與國外還存在差距。比如公司目前擰緊扭矩的控制直接照搬過去車型而缺少針對具體車型及應(yīng)用的分析，這樣容易導(dǎo)致螺栓使用過程中的失效。螺栓不恰當(dāng)?shù)谋砻嫣幚矸椒ㄝp者會導(dǎo)致螺栓過早腐蝕導(dǎo)致壽命降低，重者會引起螺栓失效進(jìn)而引發(fā)安全事故。螺栓的失效在整車產(chǎn)品中最不起眼，但是螺栓失效引起的影響和危害卻很大［2］。在動車組整車裝配生產(chǎn)過程中應(yīng)用了大量的螺栓連接，所以針對動車組目前的螺栓應(yīng)用情況很有必要對螺栓連接擰緊防松及表面處理方法進(jìn)行研究。

1 螺栓擰緊的方法

螺栓擰緊的實(shí)質(zhì)是控制螺栓連接的預(yù)緊力，以防止螺栓承受工作載荷后在螺栓與被連接件的結(jié)合面產(chǎn)生滑移或縫隙，從而導(dǎo)致螺栓連接失效的問題。目前螺栓常用的預(yù)緊力的控制方法主要有四種：扭矩法、轉(zhuǎn)角法、屈服點(diǎn)控制法和螺栓預(yù)伸長法。

1.1 扭矩法扭矩法對螺栓進(jìn)行擰緊的原理是控制作業(yè)人員施加的扭矩，通過對扭矩的間接控制實(shí)現(xiàn)對擰緊力的控制及施加。目前這種方法是在實(shí)際生產(chǎn)制造過程中最經(jīng)常使用的方法，鐵道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)也對不同直徑螺栓施加的扭矩給出了參考值，扭矩法是目前最成熟、最系統(tǒng)的預(yù)緊力控制方法。

研究及實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)表明，作業(yè)人員在螺栓上施加的扭矩只有10%左右的做功用來產(chǎn)生螺栓連接的預(yù)緊力［3-5］，而其余90%左右的能量轉(zhuǎn)化為摩擦熱散失。這是因?yàn)樵诮o螺栓施加扭矩做功時，螺栓頭與被連接件表面的摩擦，螺紋旋合時的摩擦消耗了大概九成的能量，因此摩擦系數(shù)的存在對螺栓擰緊力造成了很大影響。采用扭矩法擰緊螺栓的優(yōu)點(diǎn)是控制預(yù)緊力直觀、簡單、易行，僅僅使用有讀數(shù)功能的扭矩扳手即可完成預(yù)緊力的施加，可以方便的達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的扭矩值，而且可以方便的對扭矩值進(jìn)行檢驗(yàn)，即存在可檢驗(yàn)性。如上所述，摩擦系數(shù)對施加的扭矩所做的功有很大干擾，這樣就導(dǎo)致了對擰緊力的控制不夠精確，這是使用扭矩法擰緊螺栓最大的劣勢。

1.2 轉(zhuǎn)角法所謂的轉(zhuǎn)角法就是研究螺栓擰緊時扳手轉(zhuǎn)動的角度與螺栓變形的關(guān)系的方法。由于螺栓和被連接件的材料存在彈性變形，在扳手轉(zhuǎn)動時會造成其相應(yīng)的伸長和壓縮，通過研究變形量和轉(zhuǎn)動角度的比例關(guān)系來控制擰緊力的大小，使安裝人員操作扳手旋轉(zhuǎn)一定的角度來實(shí)現(xiàn)特定預(yù)緊力［6］。需要注意的是旋轉(zhuǎn)角度開始測量的點(diǎn)，應(yīng)該是在螺栓與被連接剛好貼合時開始計算。因此轉(zhuǎn)角法只是以旋轉(zhuǎn)角度作為控制對象，從而摩擦力對預(yù)緊力的干擾就可以忽略，故而理論上轉(zhuǎn)角法的控制精度要比扭矩法高很多。但是這種操作方法需要專用的設(shè)備，造成了安裝的成本增加且轉(zhuǎn)角法沒有可檢驗(yàn)性。在實(shí)際應(yīng)用時緊貼連接的分界點(diǎn)很難控制，對于被聯(lián)接件和緊固件剛性較大的場合，預(yù)緊力的離散度就會很大，控制精度就會受到限制，因而實(shí)際的擰緊精度和扭矩法差不多。

1.3 屈服點(diǎn)控制法屈服點(diǎn)控制法的控制思路是用計算機(jī)實(shí)時測算擰緊時螺栓材料的屈服點(diǎn)，將預(yù)緊力控制在螺栓的屈服點(diǎn)附件位置，以達(dá)到精確控制預(yù)緊力大小和最大化的利用螺栓材料強(qiáng)度的目的。顯然屈服點(diǎn)控制法有著扭矩法和轉(zhuǎn)角法無以比擬的控制精度，獲得的預(yù)緊力數(shù)值的精度可以控制在95%以上，而且可以充分利用材料性能。但是專用的安裝設(shè)備價格不菲，提高了螺栓裝配成本，同時，在空間不足的地方還無法應(yīng)用。此外，在使用屈服點(diǎn)控制法時，如果計算機(jī)受外界因素干擾而不能準(zhǔn)確測得屈服點(diǎn)時，存在將螺栓拉斷的風(fēng)險，這對屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度相差不大的螺栓材料來說風(fēng)險性更大。

1.4 螺栓伸長量控制法該控制法的原理是通過安裝設(shè)備發(fā)出的超聲波測量擰緊時螺栓的伸長量來控制施加的預(yù)緊力。此方法和屈服點(diǎn)控制法有異曲同工之妙，都是采用專用設(shè)備測量材料本身的屬性來達(dá)到控制擰緊力的目的，都有著很高的控制精度。伸長量控制法測量的是螺栓的微變形，與擰緊時的摩擦無關(guān)。但是其缺點(diǎn)也是需要專門的控制工具，使用環(huán)境受到限制。

通過分析可知預(yù)緊力的四種控制方法中，除了扭矩法均需要專用的擰緊設(shè)備進(jìn)行作業(yè)，其生產(chǎn)成本較高。由于扭矩法控制預(yù)緊力成本低、使用范圍廣、操作方便及其可檢測性，目前在國內(nèi)除了對預(yù)緊力有很高要求的應(yīng)用場合采用專用設(shè)備擰緊外，應(yīng)用最廣的依然是扭矩法，也是中車株洲電力機(jī)車有限公司（以下簡稱公司）使用最為廣泛的方法。

2 螺栓連接的防松

螺栓在使用一段時間后受工作設(shè)備震動或工作環(huán)境溫度、濕度的影響而產(chǎn)生蠕變時，預(yù)緊力會出現(xiàn)下降情況進(jìn)而導(dǎo)致螺栓松動。螺栓連接的失效會導(dǎo)致列車發(fā)生不可估量的財產(chǎn)損失，嚴(yán)重時會造成人員傷亡，所以很有必要對螺栓連接進(jìn)行防松處理。根據(jù)螺栓防松機(jī)理的不同可以分為摩擦防松、機(jī)械防松和破壞螺旋副運(yùn)動關(guān)系防松等。

摩擦防松是利用螺栓和被連接件之間的摩擦力來實(shí)現(xiàn)防松目的；其原理是盡可能的給螺紋副間施加大的正壓力，從而產(chǎn)生足夠大的摩擦力以防止螺栓連接發(fā)生松扣現(xiàn)象。實(shí)際應(yīng)用時為了獲得更大的正壓力，通常會在螺栓與被連接件之間使用彈墊、對頂螺母、自鎖螺母等部件，一方面可以增大連接正壓力，另一方面可以分散被連接件承壓面的應(yīng)力集中，防止壓潰現(xiàn)象。機(jī)械防松是采用添加機(jī)械聯(lián)動件的方法防止旋合的螺紋松動，常用的聯(lián)動件有開口銷、串連鋼絲和止動墊圈等。根據(jù)工業(yè)應(yīng)用上的使用經(jīng)驗(yàn)，對于螺栓在設(shè)備內(nèi)部安裝而不易檢查維護(hù)的連接，適合采用機(jī)械防松［7］。值得注意的是聯(lián)動件沒有預(yù)緊力，只有當(dāng)螺母松動至與聯(lián)動件接觸后才能起到防松的目的，因此機(jī)械防松是一種被動的防松方法。破壞螺旋副運(yùn)動關(guān)系防松，是要直接破壞螺栓安裝后的連接關(guān)系，比如采用沖鉚、焊接等人為手段使螺紋連接遭到損壞，徹底使其喪失運(yùn)動能力。因此這種防松方法是一次性的螺栓使用行為，是不能達(dá)到拆卸保養(yǎng)目的的一種做法，實(shí)際應(yīng)用場合并不多。

由于摩擦防松方法簡單，操作方便，維護(hù)時拆卸簡單，成本低，所以目前在公司使用最廣泛的防松方法是摩擦防松。

3 螺栓的表面處理方法

動車組上所用的螺栓都是由碳鋼、合金鋼制成，其表面涂層影響連接件功能的可靠性及其壽命，選擇涂層時通常需要考慮的因素有：防腐蝕性能，不僅需要注意電化學(xué)的電壓等級，還需考慮一切有關(guān)材料及涂層的實(shí)際腐蝕性能；涂層影響安裝時達(dá)到的預(yù)緊力，應(yīng)選擇具有確定的狹窄摩擦系數(shù)范圍的涂層。動車組螺栓連接常用的表面處理方法有以下所述的幾種。

3.1 鈍化和磷化處理所謂的鈍化就是在鈍化液中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成一層氧化膜，此方法成本低，防銹效果比涂油好，穩(wěn)定鍍層性能，并提高耐蝕性；磷化處理就是將螺栓置于磷化液中形成一層薄膜，在螺栓安裝時要與防銹油配合使用。磷化膜的防腐性能對所涂的防銹油的質(zhì)量有較大的依賴作用。同時，磷化膜表面粗糙、不耐磨，也不能承受沖擊與彎曲。但是磷化膜有較好的扭矩-預(yù)緊力一致性，即可以較好的將安裝扭矩轉(zhuǎn)化為預(yù)緊力。另外，磷化處理可以使高強(qiáng)度螺栓在表面處理時避免發(fā)生氫脆問題，所以10.9 級以上的高強(qiáng)度螺栓一般采用磷化的表面處理方法。

3.2 發(fā)黑處理由于發(fā)黑處理是成本最低的表面處理方法，所以發(fā)黑+涂油的方式是螺栓表面處理中比較常用的方法。但是發(fā)黑幾乎無防銹能力，所以無油后它很快就會發(fā)生腐蝕。發(fā)黑處理的螺栓扭矩轉(zhuǎn)換為預(yù)緊力的能力很差，通常在裝配時在內(nèi)處螺紋上涂抹油脂后再旋合，因此發(fā)黑處理比較依賴防銹油。

3.3 電鍍鋅及滲鋅處理電鍍鋅的鍍層厚度為5～30 μm，具有成本低、工藝簡單、外觀好看（有亮黃、銀白、黑、軍綠等色）等優(yōu)點(diǎn)，是目前最常用的鍍層處理方法。但是，其防腐性能一般，加工過程易產(chǎn)生氫脆，10.9級以上的螺栓一般不采用鍍鋅處理；滲鋅處理的鍍層厚度一般為10～110 μm，并且誤差可控制在10%左右。鍍層均勻性好，螺紋、盲孔內(nèi)都能獲得均勻?qū)樱粫a(chǎn)生氫脆。它與基體的結(jié)合強(qiáng)度和防腐性能在鋅涂層中是最好的，其加工過程無污染，環(huán)保性比較好。但粉末滲鋅處理方法生產(chǎn)耗時較長，導(dǎo)致了生產(chǎn)成本的增加。

3.4 達(dá)克羅表面處理達(dá)克羅又稱鋅鉻涂層，涂層厚度約6～10 μm，呈銀灰色。有極好的耐腐蝕性（是電鍍鋅的5～8 倍）、滲透性、附著性，無氫脆特性，具有非常優(yōu)良的耐蝕性和高溫化學(xué)穩(wěn)定性。但是涂層硬度低、耐磨性差，二次裝配容易使鍍層破壞，使耐蝕性降低［8］。在多次拆卸的螺栓中，達(dá)克羅涂層的耐蝕性不及滲鋅層。此外，涂層中含有毒的Cr6+，環(huán)保性差。整體上說，達(dá)克羅技術(shù)是目前綜合性能最好的表面處理方法，也比較適用于高防腐要求的高強(qiáng)度緊固件。

目前動車組螺栓連接最常用的表面處理方法是成本較低的磷化和發(fā)黑處理，在易腐蝕環(huán)境下使用的螺栓，比如動車組車底水箱的安裝會采用鍍鋅處理的螺栓連接。達(dá)克羅起源于美國，后經(jīng)日本于90年代傳入中國，是相對較先進(jìn)的表面處理工藝，目前在汽車工業(yè)上已有應(yīng)用，以后在軌道交通車輛上也會是一個發(fā)展方向。目前公司的動車組設(shè)備還采用了大量的不銹鋼螺栓連接，為了提升車輛的美觀性，建議司機(jī)室內(nèi)、客室內(nèi)等人機(jī)界面采用發(fā)黑處理的不銹鋼材質(zhì)的螺栓進(jìn)行部件安裝連接。

4 結(jié)語

本文分析論證螺栓不同的擰緊及防松方法，在公司的實(shí)際生產(chǎn)過程中得到驗(yàn)證和認(rèn)同，推動扭矩法和摩擦防松法等具有控制成本低、可檢驗(yàn)性、操作和維護(hù)便利性等優(yōu)點(diǎn)的方法在公司廣泛運(yùn)用。同時本文分析了螺栓不同的表面處理方法的特點(diǎn)，指出了達(dá)克羅是動車組螺栓將來表面處理的發(fā)展方向，對于改變目前國內(nèi)在軌道交通車輛所用螺栓連接研究相對滯后發(fā)達(dá)國家狀況，或能起到拋磚引玉集思廣益作用。