楊旭堯

摘 要：隨著我國高速鐵路的不斷發(fā)展，鐵路運(yùn)營安全要求不斷提高，鐵路接觸網(wǎng)緊固件的防松性能要求也在不斷提高，而在實際運(yùn)用過程中對產(chǎn)品防松性能的判斷方法與國際標(biāo)準(zhǔn)、國家標(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，分析螺紋松動的主要原因，對目前國際、國內(nèi)防松性能試驗方法進(jìn)行對比試驗分析，提出判斷緊固件防松性能的合理試驗方法。

關(guān)鍵詞：緊固件;螺紋;防松;試驗

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

0 引言

目前國內(nèi)外對緊固件防松性能測試評價的標(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態(tài)測試（振動測試））和GB/T10431-2008（緊固件橫向振動試驗方法）的橫向振動試驗來進(jìn)行判定。

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

上述第一條雖與現(xiàn)行國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)試驗項目相符，但在試驗方法上與現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)存在差異。另外兩條均沒有成文的標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)，本文從螺紋結(jié)構(gòu)特性入手，論述螺紋松動的主要原因;通過對比國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)與鐵路招標(biāo)時緊固件防松試驗方法和判斷方法并進(jìn)行試驗驗證，論述判定緊固件防松性能的試驗方法。

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外螺紋螺栓和一個內(nèi)螺紋螺母組成，螺紋設(shè)計時的螺紋升角設(shè)計均按斜面自鎖原理進(jìn)行設(shè)計，即螺紋連接在靜態(tài)作用下是滿足自鎖調(diào)件不會發(fā)生松動的。

2 螺紋緊固松動的原因

所謂螺紋松動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，為什么還會松動呢？

螺紋的自鎖僅限于靜載狀態(tài)下，而在使用過程中經(jīng)常受到變載荷、振動以及沖擊等不同動載荷的作用，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)生微量相對滑動。位移向擰緊螺母方向比松開螺母方向需要克服更大的阻力，所以造成相對滑動向松開螺母方向進(jìn)行，多次重復(fù)出現(xiàn)的微量滑動相累加導(dǎo)致了預(yù)緊力減小、螺紋松動。

螺紋緊固件使用過程中所受振動載荷有橫向振動載荷、縱向振動載荷或者兩者綜合作用三種情況。而橫向振動是造成螺紋緊固件產(chǎn)生松動的主要原因，目前國內(nèi)外對于緊固件防松性能評判標(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態(tài)測試（振動測試））和GB/T10431-2008（緊固件橫向振動試驗方法）即采用橫向振動試驗來驗證緊固裝置的防松性能。

3 國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)對比

如前所述，目前國內(nèi)外對緊固件螺紋防松的評判主要按ISO16130-2015和GB/T10431-2008兩個標(biāo)準(zhǔn)的橫向振動試驗進(jìn)行。

兩項標(biāo)準(zhǔn)主要內(nèi)容對比如下：

（1）標(biāo)準(zhǔn)適用范圍：以上兩個標(biāo)準(zhǔn)均強(qiáng)調(diào)該試驗是在相同試驗條件下（包括配合的其他緊固件、設(shè)備、潤滑等各項試驗條件）對緊固件防松性能進(jìn)行對比評價，沒有絕對定量指標(biāo)，也不能說明在工況載荷下的緊固件的防松性能。

（2）試驗步驟：ISO16130-2015的試驗過程分為參考試驗和驗證試驗兩個階段。驗證試驗前要按照相同的試驗條件進(jìn)行3次參考試驗并對試驗的實際橫向位移值進(jìn)行記錄，為驗證試驗提供可參考的依據(jù)。而GB/T10431-2008標(biāo)準(zhǔn)中則直接進(jìn)行驗證試驗，且僅記錄試驗設(shè)備的空載振幅（即未安裝緊固件時的橫向位移值）。

對于以上條款，橫向振動試驗時的橫向位移實際值是影響試驗結(jié)果的直接參數(shù)，直接反映了緊固件受振動的強(qiáng)烈程度，是橫向振動試驗的重要試驗條件。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，所能得到的實際橫向位移值不能直觀的確定，必然存在相對的誤差。而且按兩標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍要求，只有在相同試驗條件下對不同產(chǎn)品的試驗數(shù)據(jù)才有進(jìn)行比較的意義。同時ISO16130-2015在驗證試驗前進(jìn)行了參考試驗來盡量減少離散誤差對試驗數(shù)據(jù)采集造成的誤差，保證試驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

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

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

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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，并未要求記錄振動試驗的實際振幅。試驗振幅同樣推薦采用12.5Hz。而試驗夾緊力方面僅推薦了12.9及螺栓的夾緊力，未對其他等級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試驗過程中的實際橫向位移、振動頻率及試驗夾緊力設(shè)置，為同種規(guī)格緊固件確定了相同的試驗條件。

但GB/T10431-2008雖然提出了空載振幅、試驗頻率，僅規(guī)定了12.9級螺栓的試驗夾緊力。對于其他等級的緊固件，除夾緊力試驗條件不能統(tǒng)一外，不同的夾緊力直接導(dǎo)致實際橫向位移的不同;且實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際橫向位移也不同。即在實際橫向位移、試驗夾緊力兩項重要試驗條件均未明確要求，試驗要求的嚴(yán)謹(jǐn)性不足。

通過以上對比：ISO16130-2015在試驗參數(shù)設(shè)置方面更加清楚、具體，明確規(guī)定了試驗的技術(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，實質(zhì)內(nèi)容基本相符，且在實際運(yùn)用中沒有不合理的地方，此處不再進(jìn)行描述。

4 鐵路接觸網(wǎng)行業(yè)對緊固件防松性能的評價方式的合理性研究

鐵路接觸網(wǎng)行業(yè)對緊固件防松性能的評價條款：

（1）緊固裝置安裝完畢后，對零件產(chǎn)生夾緊力作用的螺母緊固后的松開力矩值應(yīng)大于或等于其緊固力矩值;

（2）按TB/T 2073的要求對緊固裝置進(jìn)行振動試驗后，對零件產(chǎn)生夾緊力作用的螺母的緊固力矩值應(yīng)大于或等于其振動試驗前緊固力矩值的95%;

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

針對以上條款，對比現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)并進(jìn)行試驗驗證，具體情況如下：

（1）第一條評價條款中要求緊固裝置安裝完畢后，測量螺母的松開力矩來判斷緊固件的防松性能。

首先，無論是從現(xiàn)行國內(nèi)外防松標(biāo)準(zhǔn)還是各種學(xué)術(shù)文獻(xiàn)上，均沒有把該項目作為評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，而螺紋松動是在運(yùn)用過程中受到振動等動載荷因素造成的，那么靜載荷下的自鎖條件是否能直接反映緊固件在動載荷下的防松性能呢？本研究通過以下對比試驗來進(jìn)行驗證。

本實驗對目前常見的9種防松方式分別進(jìn)行松卸力矩和橫向振動試驗，通過試驗結(jié)果來研究松卸力矩對緊固件防松性能的影響，對比依據(jù)采用國際認(rèn)可的橫向振動試驗，如表1所示。

從試驗結(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試驗結(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，但橫向振動試驗結(jié)果較好;而松卸力矩試驗結(jié)果非常優(yōu)秀的齒形雙墊的橫向振動試驗后殘余軸力為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載荷作用下的防松性能，還與橫向振動試驗結(jié)果存在矛盾情況，嚴(yán)重影響到緊固件動載荷下防松性能的評判。因此采用該條款來對緊固件的防松性能進(jìn)行評判和限制是極為不合理的。

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

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

（3）對于第三條評價條款，本文第3部分“國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)對比”中對ISO16130-2015和GB/T10431-2008兩項標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)劣做了明確對比，建議按ISO16130-2015的相關(guān)要求進(jìn)行試驗來評判緊固件的防松性能。

5 結(jié)語

本文根據(jù)螺紋連接靜態(tài)受力和松動原因進(jìn)行分析，再次肯定了動載荷是造成螺紋松動的主要原因，并通過對現(xiàn)行國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)的對比和分析，得到了判斷緊固件防松性能的合理要求，針對電氣化鐵路緊固件防松性能的評價得到以下結(jié)論：

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

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

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