軌道交通車輛緊固件的防松設(shè)計與表面處理

張九高

（上海申通軌道交通研究咨詢有限公司， 上海 200070）

0 引言

軌道交通車輛結(jié)構(gòu)件的連接方式除焊接、鉚接外，主要采用螺紋連接， 螺紋連接方式既滿足車輛運行所必須的功能，又確保車體結(jié)構(gòu)重要部件的互換性要求。由于結(jié)構(gòu)的特殊性，車輛上的變速器、制動風(fēng)缸、水箱等較重的設(shè)備均使用高強度螺栓安裝在車輛底架上。 如國內(nèi)8 輛編組的高速動車組轉(zhuǎn)向架， 均采用8.8 級及以上的高強度螺栓，規(guī)格有M16、M20、M24 和M36 等，全列數(shù)量達到約650 顆。 軌道交通車輛設(shè)計中螺栓的選用執(zhí)行TB/T 3246.1—2019《機車車輛螺栓連接設(shè)計準則第1 部分：螺栓連接的分類》、TB/T 3246.2—2019 《機車車輛螺栓連接設(shè)計準則第2 部分：機械應(yīng)用設(shè)計》和TB/T 3246.6—2019《機車車輛螺栓連接設(shè)計準則第6 部分： 連接尺寸》[1-3]。本文將從緊固件的選用、防松設(shè)計、表面處理等方面進行簡單介紹， 讓有關(guān)人員了解軌道交通車輛緊固件的防松設(shè)計與表面處理現(xiàn)狀。

1 螺栓緊固件的選擇

軌道交通車輛TB/T 3246.1—2019 《機車車輛螺栓連接設(shè)計準則第1 部分：螺栓連接的分類》和TB/T 3246.2—2019《機車車輛螺栓連接設(shè)計準則第2 部分：機械應(yīng)用設(shè)計》 規(guī)定螺紋連接中緊固件應(yīng)為符合GB/T 3098.1 及GB/T 3098.2 或者GB/T 3098.6 及GB/T 3098.15 鋼制或者不銹鋼制螺栓和螺母。 在轉(zhuǎn)向架部分包括構(gòu)架、輪對、懸掛、牽引和制動系統(tǒng)，連接螺栓主要規(guī)格為M12、M16、M20、M24、M30 和M36，其中少量為細牙螺栓。 根據(jù)螺栓使用位置，分析螺栓的受力工況， 設(shè)計出合適的強度等級， 主要為8.8 級和10.9 級，對于12.9 級等級強度盡量不采用，12.9級強度螺栓易產(chǎn)生氫脆導(dǎo)致的延遲性破壞。 由于緊固件數(shù)量較多，為了盡量減少其使用種類，設(shè)計規(guī)定在一般情況下使用六角頭螺栓、平墊圈、雙疊自鎖墊圈和六角螺母與構(gòu)件配合的為最基本安裝方式。此外，在同一螺紋連接件中，螺栓及螺母必須屬于同樣的強度等級。

在軌道交通車輛中緊固件主要參照以下標準， 螺栓必須符合GB/T 3098.1《緊固件機械性能 螺栓、螺釘和螺柱》，所需碳鋼、合金鋼材料符合GB/T 3098.1、GB/T 3098.2及DIN EN 20898-1、DIN EN 20898-2 規(guī)定?？刂凭o固件的防腐蝕性能主要有3 種方式：選擇耐蝕材料、陰極保護和表面涂裝。 綜合性價比原因，碳鋼、合金鋼緊固件在軌道交通車輛得到了最廣泛的應(yīng)用， 而耐蝕性較好的鋁合金及不銹鋼由于力學(xué)性能不能完全滿足要求， 且價格相對昂貴，主要用在內(nèi)飾區(qū)域。

2 螺栓防松設(shè)計

2.1 螺栓連接部件的風(fēng)險要素

軌道交通車輛的靜強度和疲勞強度的載荷定義根據(jù)EN 12663，通過有限元FEM 可以計算出螺栓連接部位的載荷，根據(jù)TB/T 3246.6 預(yù)選螺栓連接的尺寸。 首先，根據(jù)構(gòu)件螺栓連接的部位， 載荷的大小以及是否影響行車安全來定義風(fēng)險等級。 TB/T 3246.1 中風(fēng)險等級分為高、中、低。其中被定義為高風(fēng)險等級的螺栓連接，即螺栓連接發(fā)生故障失效時，產(chǎn)生直接或間接的身體和生命危險和/或運行危險，必須在圖紙中加以說明，以確保在螺栓擰緊過程中， 預(yù)緊扭矩及其公差以及擰緊后的檢查都得到嚴格地控制。

對于螺栓連接的功能而言，TB/T 3246.1 要求必須存在一定的預(yù)緊力Fm。預(yù)緊力可以提高螺栓連接的可靠性、防松能力和螺栓的疲勞強度，增強連接的緊密性和剛性[4]。通常生產(chǎn)實施螺栓連接時采用的是扭矩法， 即采用定扭矩扳手控制裝配時螺栓的扭矩， 因此要求螺栓伸長率必須在彈性極限范圍內(nèi)。

預(yù)緊力的設(shè)計計算主要依據(jù)VDI 2230-1：2015《高強度螺栓連接的系統(tǒng)計算 圓柱形旋入式連接》， 來驗證螺栓連接的預(yù)緊力是否滿足靜強度要求。

2.2 螺栓連接的防松

螺栓連接件在變載荷、 振動， 甚至工作溫度的影響下，會產(chǎn)生變形或者發(fā)生蠕變，從而因預(yù)緊力的下降而導(dǎo)致螺栓連接出現(xiàn)松動， 使螺栓中的交變應(yīng)力比未松動時將大大增加，并且在受力過程中產(chǎn)生沖擊，使得螺栓連接的螺紋出現(xiàn)疲勞破壞。

在軌道交通車輛的設(shè)計中， 根據(jù)螺栓連接部位不同的風(fēng)險等級和擰緊場合，采取了不同的防松措施。目前常用的防松形式[5]有以下四類：

一類摩擦防松。 如采用雙面鎖緊墊圈、雙螺母、自鎖螺母和尼龍嵌件鎖緊螺母等防松方式， 以產(chǎn)生一個可以阻止連接副相對轉(zhuǎn)動的摩擦力。 不隨外力變化的此正壓力可通過軸向或同時兩向壓緊連接副來實現(xiàn)防松。

二類機械防松。使用止動件開口銷、串連鋼絲和止動墊圈等防松方式，直接限制連接副的相對轉(zhuǎn)動，由于止動件沒有預(yù)緊力， 當螺母松退到止動位置時防松止動才能起作用，這實際上不防松而是防止脫落的方式。

三類鉚沖防松。當連接副擰緊后采用焊接、沖點和粘接等方法，使螺紋失去運動特性而成為不可拆連接。此方式的缺點是栓桿只能使用一次，拆卸也非常困難，必須破壞連接副方可拆卸，不可重復(fù)使用。

四類結(jié)構(gòu)防松。它是利用螺紋連接副的自身結(jié)構(gòu)，防松可靠，可重復(fù)使用，拆裝方便[6]。

前三類防松技術(shù)主要依靠第三者力進行防松， 主要是利用摩擦力，而第四類是新型防松技術(shù)，如楔入式鎖緊結(jié)構(gòu)或可變楔形螺紋等。

2.3 螺栓擰緊的方法

螺栓擰緊的實質(zhì)是控制螺紋連接的預(yù)緊力， 為確保裝配的質(zhì)量，必須對螺紋副的擰緊狀態(tài)予以控制，以避免螺栓與被連接件的結(jié)合而產(chǎn)生滑移或縫隙， 從而導(dǎo)致螺紋副連接失效[5]?，F(xiàn)今用于控制螺紋擰緊的方法主要有扭矩法、轉(zhuǎn)角法、屈服點法等。

（1）扭矩法。扭矩法就是利用扭矩與預(yù)緊力的線性關(guān)系在彈性區(qū)進行緊固控制的一種方法。該方法在擰緊時，只對一個確定的緊固扭矩進行控制，因此，該方法操作簡便，是一種常規(guī)的擰緊方法。 但是，由于緊固扭矩的90%左右作用于螺紋摩擦和支承面摩擦的消耗， 真正作用在軸向預(yù)緊力方面僅10%左右， 預(yù)緊力的離散度是隨著擰緊過程中摩擦等因素的控制程度而變化的。

（2）轉(zhuǎn)角法。轉(zhuǎn)角法就是在擰緊時將螺栓于螺母相對轉(zhuǎn)動一個角度，稱之為緊固轉(zhuǎn)角，把一個確定的緊固轉(zhuǎn)角作為指標來對初始預(yù)緊力進行控制的一種方法。 該擰緊方法可在彈性區(qū)和塑性區(qū)使用。 Q-F 曲線斜率急劇變化時， 隨著緊固轉(zhuǎn)角的設(shè)定誤差， 預(yù)緊力的離散度也會變大。 因此，在被連接件和螺栓剛性較高的場合，對彈性區(qū)的緊固是不利的；在塑性區(qū)緊固時，初始預(yù)緊力的離散度主要取決于螺栓的屈服點，而轉(zhuǎn)角誤差對其影響不大，故該緊固方法具有可最大限度地利用螺栓強度的優(yōu)點 （即可獲得較高的預(yù)緊力）。

轉(zhuǎn)角法是將螺栓的預(yù)緊力控制在達到或接近屈服強度的先進工藝方法，它克服了傳統(tǒng)扭矩法的設(shè)計中，軸向力大小分散、材料浪費、連接笨拙和可靠性差的缺點，故理論上轉(zhuǎn)角法的控制精度要比扭矩法高很多， 工藝參數(shù)要求嚴格，且對擰緊工具的功能要求特別高，同扭矩法相比，其工裝設(shè)備的價格要高出數(shù)倍甚至數(shù)10 倍，通常比較重要的部位才采用此方法安裝。

（3）屈服點法。 屈服點擰緊法就是在裝配擰緊時，螺栓受到的預(yù)緊應(yīng)力達到螺栓材料的屈服極限， 從而充分發(fā)揮其承載潛力的方法。 這是一個包括螺栓連接強度設(shè)計準則在內(nèi)的設(shè)計、制造、安裝和維修等方面觀念上發(fā)生了變化的大問題。

屈服點擰緊法的特性及應(yīng)用條件， 安裝擰緊后螺栓受的預(yù)緊應(yīng)力已達到了屈服極限，再加上工作載荷，螺栓所受到的總應(yīng)力將超出屈服極限一定范圍，這就突破了以屈服極限作為門檻值的傳統(tǒng)強度準則。 由于螺栓連接在其功能上有別于其他零件， 它的特殊性就是在大多數(shù)情況下， 在承受預(yù)緊力和工作載荷后產(chǎn)生彈性變形和一定程度的、局部的塑性變形，只要螺栓不斷裂、螺紋不脫扣、連接不松動就不會影響連接的工作性能。這種變形之所以能在一定范圍內(nèi)允許存在， 就在于利用了螺栓材料機械性能的屈強比這一潛力， 而經(jīng)受不了安裝時摩擦系數(shù)、 扳手誤差等因素引起的擰緊力矩較大范圍的散差所帶來應(yīng)力較大范圍的變化，因此，運用屈服點擰緊法時，在安裝工藝上應(yīng)采用精準的擰緊方法和精密的工具，達到防松的目的。

2.4 防松案例

如轉(zhuǎn)向架下變壓器吊裝結(jié)構(gòu)， 以彈性橡膠件結(jié)構(gòu)為例，8.8 級螺栓通過套筒與放置在底架邊梁上的滑塊連接，螺栓緊固力矩為275 N·m。 在螺栓緊固前，會在螺紋表面涂MoS2潤滑脂，以降低并穩(wěn)定扭矩系數(shù)，且保護螺栓連接不會造成螺紋損傷。 在制造流程中螺栓連接副摩擦系數(shù)試驗，規(guī)定達到扭矩系數(shù)平均值0.09～0.15，扭矩系數(shù)標準偏差值應(yīng)≤0.010。 實施的目的為了減小螺紋部分摩擦力，使螺紋擰緊時達到規(guī)定的預(yù)緊力。

3 螺栓連接的表面處理

根據(jù)軌道交通車輛連接件之間、 擰緊場合和風(fēng)險等級以及螺栓連接所在部位， 其表面處理影響連接功能的可靠性及使用壽命， 扭矩系數(shù)K 是由內(nèi)外螺紋之間的摩擦系數(shù)， 螺栓或螺母支撐面與被緊固零件與緊固件接觸的承壓面的摩擦系數(shù)綜合而成；它與緊固件的表面處理、抗拉強度、形位公差、螺紋精度、被緊固零件承壓面粗糙度、剛度等諸多因素有關(guān)，其中表面處理是一個關(guān)鍵的因素。不同的表面處理其扭矩系數(shù)相差很大，有時相差近1倍。如： 同螺紋規(guī)格同強度的螺紋連接副表面處理為磷化時扭矩系數(shù)約為0.13～0.18，而表面處理為電鍍鋅時，扭矩系數(shù)可達0.22～0.26。

眾所周知，螺栓連接最主要的腐蝕就是接觸腐蝕，應(yīng)選擇具有可控范圍的表面涂層。在車輛的某些部位，由于日常維修保養(yǎng)的原因，如車輛下抗側(cè)滾扭桿螺栓、底蓋板連接螺栓由于日常洗車， 清洗液會停留在靠近兩側(cè)裙板下邊緣的螺栓上，使螺栓連接周圍經(jīng)常處于潮濕狀態(tài)；或由于運行環(huán)境極端的惡劣，如車輛轉(zhuǎn)向架上的連接螺栓，現(xiàn)有采用涂隔離脂的方式， 在螺栓安裝達到規(guī)定預(yù)緊力后，將整個螺栓連接外露四周全部涂特定的隔離脂，以保護螺栓連接不受環(huán)境的影響，確保行車安全。

目前， 軌道交通車輛緊固件的表面涂層種類主要有電鍍鋅、粉末滲鋅、達克羅、特氟龍涂層等。

3.1 電鍍鋅

電鍍鋅是軌道交通車輛緊固件最常用的鍍層。 現(xiàn)行ISO 4042：2018《緊固件電鍍層》替代ISO 4042：1999（GB/T 5267.1—2002《緊固件電鍍層》）。電鍍鋅層成本低、外觀也較好看，可以有蘭白色、彩虹色、黑色、軍綠色，為了降低價格，一般緊固件電鍍鋅鍍層厚度采用（5～8）μm。

電鍍鋅層是典型的陽極性鍍層，發(fā)生腐蝕時，陽極優(yōu)先溶解從而保護了基體材料。 軌道交通車輛緊固件鍍層厚度（8～14）μm，經(jīng)鉻酸鹽鈍化處理后，其防腐蝕性能大幅度提高，能抵抗（96～120）h 的中性鹽霧試驗，可用于中性的室外防護。 近年來發(fā)展的Zn-Ni、Zn-Fe、Zn-Co 電鍍層，尤其是Zn-Ni、Zn-Co 電鍍層，當鍍層中Ni 含量為6%～10%時或Co 含量為0.4%～1.0%時，（5～8）μm 的鍍層鈍化后，可取得極好的防腐蝕效果，可抗720h 以上的中性鹽霧試驗。 但價格較貴，是一般鍍鋅的（5～8）倍[7]。

電鍍鋅加工過程易產(chǎn)生氫脆，10.9 級以上的螺栓不建議采用此工藝。 緊固件扭矩-預(yù)緊力一致性較差，且不穩(wěn)定，一般不用于軌道交通車輛重要部位的連接。為了改善扭矩-預(yù)緊力一致性，也可采用鍍后涂覆潤滑物質(zhì)的方法改善和提高扭矩-預(yù)緊力一致性。

3.2 達克羅

達克羅（Dacromet）是一種以鋅粉、鋁粉、鉻酸和去離子水為主要成分的防腐涂料， 國內(nèi)命名為鋅鉻涂層。 GB/T 5267.2—2017《緊固件非電解鋅片涂層》修改采用ISO 10683：2014《緊固件非電解鋅片涂層》。 達克羅涂層的防銹效果優(yōu)于傳統(tǒng)電鍍鋅、熱浸鍍鋅或涂料涂覆法。達克羅涂層具有多種性能： 如極強的抗腐蝕性， 比電鍍鋅提高（7～10）倍；無氫脆；高耐熱性，耐熱溫度300℃，特別適用于高強度緊固件。 達克羅涂層是用片狀金屬粉和有機物及添加劑在300℃左右條件下燒結(jié)成膜，軌道交通車輛緊固件達克羅膜厚（6～8）μm，采用三涂三烘等工藝，以保證其耐蝕壽命，以灰色和銀白色顏色為主，耐中性鹽霧試驗必須≥600h。

在多次拆卸的螺栓中， 達克羅涂層的耐腐蝕不如電鍍鋅；由于涂層中含有毒的六價鉻，環(huán)保性差；達克羅的表面硬度不高、耐磨性不好，涂層的制品不適合與銅、鎂、鋁等合金和不銹鋼的緊固件接觸或連接， 因為他們會產(chǎn)生接觸性腐蝕，影響螺栓表面質(zhì)量及防腐性能。

降低成本是推廣達克羅技術(shù)應(yīng)用于軌道交通車輛緊固件防腐的一個重要內(nèi)容。納米-鋅鋁復(fù)合涂料是以無機和有機混成原理制成，具有無機材質(zhì)的復(fù)合式材料結(jié)構(gòu)，具有無機材質(zhì)的高硬度和耐磨損的特性。 在產(chǎn)品的制程中，以相當精密的條件控制下，其組成分子分布介于（30～60）nm 之間，是一種相當微細的納米涂料。 涂層具有高光澤、高透明的特點；具有高硬度和優(yōu)異的耐磨損特質(zhì)。 在金屬防銹蝕功能上，不需要使用重金屬皮膜工藝，即可與金屬產(chǎn)生化學(xué)鏈結(jié)，達到防腐防銹功能；與金屬所產(chǎn)生的鏈結(jié)，在防腐防銹功能上，甚至?xí)葌鹘y(tǒng)高分子涂料具有更好的抗氧化性能。 若以適當方式涂裝， 膜厚可控制在3μm 以下。 自干型涂液，在室溫下自然固化（最少8h），膜厚在8μm 可耐中性鹽霧試驗≥1000h；而封閉涂液，工件使用后不可再重涂，可在較低溫（160～180）℃×（20～30）min烘烤固化，且一涂一烘就可耐中性鹽霧試驗≥1000h。

3.3 特氟龍涂層

特氟龍（Teflon）是一種以聚四氟乙烯（PTFE）為基體樹脂的涂料，一般稱作“不粘涂層”，是使用氟取代聚乙烯中所有氫原子的人工合成高分子材料。 該材料具有抗酸抗堿、抗各種有機溶劑的特點，幾乎不溶于所有的溶劑，可以保護緊固件免于遭受任何種類的化學(xué)腐蝕。同時，聚四氟乙烯具有耐溫的特點，一般在（240～260）℃之間可連續(xù)使用，具有顯著的熱穩(wěn)定性，它也可以在冷凍溫度下工作而不脆化。 其摩擦系數(shù)極低，所以可起到潤滑作用，因此也成為了軌道交通車輛連接件的理想涂料。

3.4 粉末滲鋅

粉末滲鋅是利用加熱狀態(tài)下金屬原子的滲透擴散作用，在基體金屬沒有相變的條件下，將金屬鋅滲入鋼件表面，形成不同Zn-Fe 比例的合金保護層（簡稱為滲層）。粉末滲鋅滲層厚度均勻性好，厚度一般在（15～130）μm，涂層與基體結(jié)合強度和防腐性能在鍍鋅層中是最好的，硬度高、耐磨損和抗劃傷能力強。滲鋅涂層鋅鐵合金的顯微硬度一般為（250～400）HV0.3，是目前鋅涂層中硬度最高的，不影響高強度緊固件的力學(xué)性能。

滲鋅技術(shù)的質(zhì)量控制目前主要參照ASTM A1 059／A1 059H：2008《鋼鐵緊固件、五金器具及其他產(chǎn)品上鋅合金熱擴散涂層》和GB/T 35505-2017《鋼結(jié)構(gòu)件滲鋅耐蝕作業(yè)質(zhì)量控制評定技術(shù)規(guī)范》。

4 結(jié)束語

隨著經(jīng)濟發(fā)展，城鎮(zhèn)化速度不斷加快，城市軌道交通需求量增大。 軌道交通車輛可靠的螺栓連接保證了列車的安全運行，采用TB/T 3246，對螺栓的選用、設(shè)計與技術(shù)研發(fā)，有詳細和明確的定義，它提供了城市軌道交通車輛可靠的理論依據(jù)。 當今軌道交通車輛緊固件所面臨的短板現(xiàn)實， 創(chuàng)新能力弱和基礎(chǔ)不強仍然是主要制約因素之一，車輛高強度螺栓國產(chǎn)化的難點主要問題大致有：

螺栓性能不均勻、 散差大， 安裝時或使用中扭矩衰減，易造成早期失效；若過分強調(diào)預(yù)緊力，過大的安全系數(shù)，導(dǎo)致螺栓不能發(fā)揮其材料效能，造成螺栓使用時的浪費和生產(chǎn)成本的增加，匹配不當。

電鍍鋅防腐性能差、達克羅涂層脫落等。由于機車對零部件表面防腐性能要求極高， 可以優(yōu)先選用表面涂防腐蠟、鋅鎳滲層、非電解鋅鋁涂層等，并組織技術(shù)攻關(guān)，產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合以提高表面保護等級。

期待技術(shù)上有所突破，以解決發(fā)展中的難題，爭取在三年內(nèi)實現(xiàn)完全國產(chǎn)化， 為實現(xiàn)交通強國做出新的更大貢獻。