許建國(guó)，李忠齊，張志剛

高速接觸網(wǎng)緊固件防松措施差異性技術(shù)研究

許建國(guó)，李忠齊，張志剛

對(duì)螺紋連接副結(jié)構(gòu)防松機(jī)理進(jìn)行了螺紋受力、螺紋自鎖條件和支承面受力分析，闡述了造成螺紋連接副松動(dòng)的主要原因。選取接觸網(wǎng)緊固件M10和M12連接螺栓測(cè)試樣品，針對(duì)不同防松方式進(jìn)行了靜動(dòng)態(tài)測(cè)試，分析總結(jié)出不同防松方式技術(shù)差異特性，提出了接觸網(wǎng)不同緊固件防松方式建議，對(duì)接觸網(wǎng)工程建設(shè)有一定的參考價(jià)值。

接觸網(wǎng)；螺紋連接副；緊固件；布氏硬度

0 引言

標(biāo)準(zhǔn)普通螺紋連接具有自鎖性，在常溫和靜載時(shí)具有較高的連接可靠性，不會(huì)松脫。但在沖擊、振動(dòng)、載荷變化較大的情況下，或者工作溫度變化很大時(shí)，螺紋連接副之間的摩擦阻力不穩(wěn)定，常常因在某一瞬間應(yīng)力急劇減小或增加而失去自鎖能力，螺紋連接副之間就會(huì)出現(xiàn)相對(duì)滑移轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)致螺紋連接副松脫。TB/T2073標(biāo)準(zhǔn)中要求接觸網(wǎng)緊固件螺紋連接副需采取必要的防松措施，但未規(guī)定具體形式。在高速鐵路動(dòng)車組雙弓重聯(lián)編組實(shí)際運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，發(fā)生過(guò)接觸網(wǎng)系統(tǒng)緊固件因受到?jīng)_擊和振動(dòng)產(chǎn)生松脫現(xiàn)象，影響了行車安全。為提高接觸網(wǎng)系統(tǒng)連接的可靠性和技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，確保行車安全，有必要對(duì)接觸網(wǎng)不同緊固件進(jìn)行防松差異性技術(shù)研究。

1 螺紋連接副結(jié)構(gòu)受力及松動(dòng)原理分析

1.1 螺紋連接副結(jié)構(gòu)受力分析

1.1.1 螺紋力學(xué)分析

基于矩形螺紋的受力情況對(duì)螺紋連接副的防松機(jī)理進(jìn)行分析。將矩形螺紋沿平均直徑d2展開(kāi)，得到斜角等于螺紋升角λ的斜面，將螺母簡(jiǎn)化為承受軸向載荷Ff的滑塊，設(shè)Fs為圓周推力，其作用方向與圓周相切，與擰緊（或松退）連接副的力矩Ts等效，如圖1（a）所示。

當(dāng)該滑塊靜止或作等速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)受3個(gè)力的作用，即軸向載荷Ff、推力Fs和摩擦力Rs。當(dāng)滑塊沿斜面等速上升（相當(dāng)于擰緊螺母）時(shí)，作用于滑塊上的各力平衡，力多邊形封閉，如圖1（b）所示，由此可得平衡方程為

式中，ρs為摩擦角，與之對(duì)應(yīng)的摩擦系數(shù)為μs，二者關(guān)系為μs=tanρs。

當(dāng)滑塊沿斜面等速下降（相當(dāng)于松退螺母）時(shí)，摩擦力方向改變，F(xiàn)s成為阻力，作用于滑塊上的各力平衡，力多邊形封閉，如圖1（c）所示，由此可得平衡方程為

擰緊和松退螺母所需力矩為

對(duì)于普通螺紋，牙形角α為60°，可看成楔形塊在斜槽內(nèi)運(yùn)動(dòng)，此時(shí)，以當(dāng)量摩擦系數(shù)sμ′代替摩擦系數(shù)μs，以當(dāng)量摩擦角sρ′代替摩擦角ρs，可得

上述式（1）—式（3）可分別改寫(xiě)為

圖1 矩形螺紋連接副受力分析

1.1.2 螺紋自鎖條件

從式（2）和式（5）可以看出，當(dāng)λ≤ρs或λ≤sρ′時(shí)，推力Fs≤0，表明Fs為零或其方向改變，此時(shí)，螺母只有受到與圖1中Fs方向相反的推力才能松退，軸向力無(wú)論多大螺母都不會(huì)松退，而且軸向推力越大，松退力也越大。故螺紋自鎖條件為

根據(jù)三角展開(kāi)公式可得

螺紋緊固件采用普通螺紋，螺紋升角于2°30′～3°之間，tanλ≤tan3°=0.052 4，而金屬材料的靜摩擦系數(shù)一般為0.1～0.3，式（8）中tanλstanρ′遠(yuǎn)小于l，因而可以近似得到

式（9）表明普通螺紋緊固件可滿足螺紋自鎖條件。

1.1.3 支承面的受力分析

在裝配及使用中，緊固件支承面（螺栓、螺釘?shù)念^下支承面、螺母的承載端面等）同時(shí)也承受與螺紋大小相同的軸向力Ff，在擰緊或松退時(shí)，該支承面產(chǎn)生與運(yùn)動(dòng)（或運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)）方向相反的力矩Tw，其值為

式中，μw為支承面摩擦系數(shù)；Dw為支承面摩擦扭矩的等效直徑，該直徑與支承面形狀有關(guān)。

1.2 螺紋松動(dòng)原理分析

所謂螺紋松動(dòng)是指螺栓連接副全部或部分喪失軸向預(yù)緊力。既然緊固件的螺紋可滿足自鎖條件，又有支承面摩擦力矩存在，螺紋仍會(huì)出現(xiàn)松動(dòng)，有如下2個(gè)方面原因：

（1）交變載荷、振動(dòng)和沖擊造成螺紋連接副松動(dòng)。在靜載荷條件下，螺栓僅承受軸向載荷，由于螺紋升角的作用，緊固螺母和松退螺母所需的扭矩不同，經(jīng)過(guò)測(cè)試，松退力矩通常約為緊固力矩的80%。在沒(méi)有附加扭矩的情況下，由于摩擦力作用，連接副不會(huì)松動(dòng)。但在振動(dòng)或有沖擊的環(huán)境中，由于慣性作用，被緊固零部件之間會(huì)產(chǎn)生相互搓動(dòng)，使螺紋連接副和螺母支承面的摩擦系數(shù)急劇下降，甚至出現(xiàn)摩擦阻力瞬時(shí)消失，破壞了原有力的平衡關(guān)系，使螺紋連接副不能滿足自鎖條件而產(chǎn)生微量相對(duì)滑動(dòng)。從式（9）不難看出，滑動(dòng)向擰緊螺母方向比向松退螺母方向需要克服更大的阻力，所以，向擰緊螺母方向滑動(dòng)的可能性極小。反復(fù)出現(xiàn)的微量相對(duì)滑動(dòng)累加會(huì)使預(yù)緊力減小，最終導(dǎo)致連接副松動(dòng)。

（2）螺紋連接副和被連接零部件在過(guò)大的應(yīng)力作用下產(chǎn)生的塑性變形造成螺紋連接副松動(dòng)。連接副中各零部件的材質(zhì)、硬度及表面粗糙度等不同，螺紋緊固后會(huì)存在某些局部塑性變形，且這種塑性變形在使用過(guò)程中繼續(xù)增大，使螺紋軸向緊固力下降，導(dǎo)致螺紋表面正壓力減小，自鎖性能下降，從而加速了螺紋連接副的松動(dòng)。

2 緊固件防松性能評(píng)定和常用防松措施

目前評(píng)定緊固件的防松性能采用的試驗(yàn)方法有2種標(biāo)準(zhǔn)：（1）國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)緊固件加速振動(dòng)試驗(yàn)方法（GJB 715.3A-2002），該方法的加載方式和振動(dòng)、沖擊條件更接近于各種緊固件的實(shí)際使用狀態(tài)，但對(duì)緊固件連接副的防松性能無(wú)法直接評(píng)定；（2）緊固件橫向振動(dòng)試驗(yàn)方法（GB/T 10431-2008），這是目前國(guó)內(nèi)緊固件防松性能試驗(yàn)普遍采用的方法。它是通過(guò)對(duì)螺栓（或螺釘）直接加力，使緊固件連接副在較短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生松動(dòng)，通過(guò)監(jiān)測(cè)振動(dòng)過(guò)程中緊固件軸向預(yù)緊力的變化及振動(dòng)次數(shù)（或時(shí)間），衡量不同防松方式緊固件的防松性能。緊固件常用防松措施原理和類型如表1所示。

表1 緊固件常用防松措施原理和類型

3 測(cè)試方案

3.1 接觸網(wǎng)緊固件防松技術(shù)要求和檢測(cè)取樣

TB/T2073規(guī)定接觸網(wǎng)緊固件在采用螺栓、螺母、螺紋連接或其他形式連接時(shí)應(yīng)有防松措施。其防松性能參照GB/T 10431中要求：在不同防松方式規(guī)定的緊固力矩及潤(rùn)滑條件下，振幅0.1d（d為緊固件直徑），頻率10 Hz，振動(dòng)1 200次，緊固1次及5次拆裝后，殘余軸力與初始軸力之比不低于70%。

本文基于接觸網(wǎng)零部件中關(guān)鍵部位和使用量較大的M10、M12螺栓連接，隨機(jī)抽取各10件，以“螺母/彈墊/平墊”的裝配方式安裝進(jìn)行試驗(yàn)，記錄基礎(chǔ)數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析。

3.2 靜態(tài)測(cè)試內(nèi)容

（1）依照GB/T231.4-2009《布氏硬度試驗(yàn)》對(duì)各種類型防松緊固件進(jìn)行布氏硬度檢測(cè)。

（2）對(duì)“普通螺母/彈墊/平墊”方式按標(biāo)準(zhǔn)緊固力矩值進(jìn)行緊固，測(cè)量其軸向夾緊力，以該數(shù)值作為基準(zhǔn)，對(duì)其他形式緊固件進(jìn)行緊固力矩、松退力矩的對(duì)比測(cè)試。

（3）將“普通螺母/彈墊/平墊”方式的標(biāo)準(zhǔn)緊固力矩值作為基準(zhǔn)，對(duì)其他形式緊固件進(jìn)行軸向夾緊力及松退力矩的對(duì)比測(cè)試。

3.3 動(dòng)態(tài)測(cè)試內(nèi)容

以“普通螺母/彈墊/平墊”方式在標(biāo)準(zhǔn)緊固力矩緊固后的軸向夾緊力為基準(zhǔn)，對(duì)各種形式的防松方式依據(jù)GB/T 10431-2008《緊固件橫向振動(dòng)試驗(yàn)方法》要求進(jìn)行橫向振動(dòng)試驗(yàn)，將經(jīng)過(guò)1 200次橫向振動(dòng)后的殘余軸向夾緊力進(jìn)行對(duì)比分析。軸向夾緊力變化與振動(dòng)次數(shù)關(guān)系如圖2所示。

對(duì)應(yīng)于每一個(gè)試件均可得到一條類似于圖2所示的曲線，通過(guò)對(duì)比各試件的測(cè)試曲線，評(píng)價(jià)其防松效果。

圖2 軸向夾緊力與振動(dòng)次數(shù)關(guān)系

4 接觸網(wǎng)緊固件試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 接觸網(wǎng)緊固件靜態(tài)測(cè)試分析

靜態(tài)測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表2—表4，通過(guò)分析可得：（1）對(duì)不同防松類型的緊固件施加相同的緊固力矩，其軸向夾緊力差別很大；（2）防松類緊固件的緊固力矩大于松退力矩；（3）在相同軸向夾緊力條件下，防松類緊固件緊固力矩值的變化與防松方式、具體連接螺栓規(guī)格有關(guān)；（4）在相同緊固力矩條件下，防松類緊固件軸向夾緊力的變化與防松方式、具體連接螺栓規(guī)格有關(guān)；（5）緊固件表面硬度對(duì)螺栓緊固過(guò)程和防松性能有一定影響；（6）緊固件表面光潔度及潤(rùn)滑情況對(duì)螺栓緊固力矩、軸向夾緊力有一定影響。

表2 各種防松緊固件布氏硬度值測(cè)試數(shù)據(jù) HBS

表3 相同軸向夾緊力條件下防松緊固件緊固力矩與松退力矩測(cè)試數(shù)據(jù)

4.2 動(dòng)態(tài)檢測(cè)結(jié)果分析

根據(jù)動(dòng)態(tài)測(cè)試結(jié)果，以同一軸向夾緊力為前提，對(duì)橫向振動(dòng)后各類型的緊固件連接副軸向夾緊力下降幅值進(jìn)行排序比對(duì)，得出以下結(jié)論：

（1）緊固件的松退力矩和緊固力矩的大小與防松效果沒(méi)有必然聯(lián)系。

（2）采用不同防松措施的緊固件其防松穩(wěn)定性也各不相同。如彈簧嵌件螺母、ERM自鎖螺母、尼龍嵌件螺母、偏心雙螺母的測(cè)試數(shù)據(jù)比較穩(wěn)定；錐壓抱緊螺母、雙斜開(kāi)槽螺母、齒形雙墊片的測(cè)試數(shù)據(jù)穩(wěn)定性較差；齒形雙墊片與其相接觸的螺母和被緊固基體的硬度相關(guān)。

（3）不同防松緊固件的防松性能不同。若以防松件的殘余軸向夾緊力與初始軸向夾緊力的百分比作為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，防松性能優(yōu)劣排序?yàn)椋郝菁y鎖固膠、偏心雙螺母、錐壓抱緊螺母、彈墊/止動(dòng)墊片、施比牢螺母、彈簧嵌件螺母、尼龍嵌件螺母、ERM自鎖螺母、普通雙螺母（不銹鋼）、雙斜開(kāi)槽螺母、齒形雙墊片。

表4 相同緊固力矩條件下防松緊固件軸向夾緊力與松退力矩對(duì)比測(cè)試數(shù)據(jù)

5 結(jié)語(yǔ)

從上述螺紋連接副防松機(jī)理和靜動(dòng)態(tài)測(cè)試結(jié)果可知：（1）防松類緊固件的緊固力矩大于松退力矩；（2）不同防松類型的緊固件施加相同的緊固力矩，其軸向夾緊力差別很大；（3）緊固件防松效果主要與緊固件的防松結(jié)構(gòu)有關(guān)，螺紋連接副的硬度、表面光潔度等因素對(duì)防松效果也有一定影響。為接觸網(wǎng)系統(tǒng)連接選用防松措施時(shí)，應(yīng)充分考慮其實(shí)際工況，并結(jié)合技術(shù)經(jīng)濟(jì)性、安全可靠等級(jí)進(jìn)行差異性選擇，不能僅依賴于廣義的規(guī)定或指定。

[1]TB/T 2073-2010電氣化鐵路接觸網(wǎng)零部件技術(shù)條件[S].

[2]TB/T 2074-2010電氣化鐵路接觸網(wǎng)零部件試驗(yàn)方法[S].

[3]TB/T 2075-2010電氣化鐵路接觸網(wǎng)零部件[S].

[4]GB/T 10431-2008緊固件橫向振動(dòng)試驗(yàn)方法[S].

[5]GJB715.3A-2002緊固件試驗(yàn)方法振動(dòng)[S].

[6]GB/T231.4-2009布氏硬度試驗(yàn)[S].

The paper analyzes the anti-loosening mechanism of thread connecting sets in terms of thread stress,self-locking conditions of thread and stress of supporting face,illustrates main factors resulting in loosening of thread connecting sets.Bolts of M10 and M12,served as OCSfasteners,are selected as samples for testing,both static and dynamic tests are made under different anti-loosening modes,analyzes and summarizes the technological differences under different anti-loosening modes,and puts forward the proposals for adopting the anti-loosening modes for OCS,providing certain references for construction of OCSengineering.

Overhead contact system;thread connecting sets;fastener;Brinell hardness

U225.4

A

1007-936X(2017)06-0025-05

10.19587/j.cnki.1007-936x.2017.06.007

許建國(guó).中鐵電氣化局集團(tuán)有限公司，教授級(jí)高級(jí)工程師；

李忠齊.中鐵電氣化局集團(tuán)寶雞器材有限公司，教授級(jí)高級(jí)工程師；

張志剛.朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司原平分公司，工程師。

2016-10-23