張志遠 上海鐵路局上海高鐵維修段

WJ-7B型扣件錨固螺栓松動原因及防松對策

張志遠 上海鐵路局上海高鐵維修段

高速鐵路扣件在保證軌道穩(wěn)定性、可靠性方面發(fā)揮著重要作用。對于有螺栓式扣件系統(tǒng)，錨固螺栓的可靠性很大程度上決定扣件系統(tǒng)功能的正常發(fā)揮。通過以滬寧城際鐵路WJ-7B型彈性分開式扣件系統(tǒng)為例，總結(jié)扣件錨固螺栓松動的原因，分別從設(shè)計、施工和運營方面提出防松對策，進而提出相關(guān)的養(yǎng)護維修建議。

WJ-7B型扣件；錨固螺栓；松動原因；防松對策

扣件是連接鋼軌與下部軌道結(jié)構(gòu)的重要部件，在保證軌道穩(wěn)定性、可靠性方面起著重要作用[1]。為適應(yīng)鋪設(shè)無擋肩無砟軌道，我國研發(fā)了帶鐵墊板的無擋肩彈性分開式結(jié)構(gòu)的WJ-7型無砟軌道扣件系統(tǒng)，可用于橋梁、隧道和路基軌枕埋入式和CRTSⅠ型板式無砟軌道[2]。上海鐵路局局管內(nèi)滬寧城際鐵路的CRTSⅠ型板式無砟軌道采用WJ-7B型扣件系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由T型螺栓、螺母、平墊圈、彈條、絕緣塊、鐵墊板、絕緣緩沖墊板、軌下墊板、錨固螺栓、重型彈簧墊圈、平墊塊和定位于軌道板的預(yù)埋套管等組成。

圖1 WJ-7B型扣件結(jié)構(gòu)組成示意圖

WJ-7B型扣件屬于有螺栓式彈性分開式扣件。該類扣件便于調(diào)整鋼軌高低，扣壓力衰減后可復(fù)擰螺栓予以恢復(fù)，但零部件較多，需進行涂油作業(yè)，養(yǎng)護與維修工作量相對較大。鐵墊板通過錨固螺栓與預(yù)埋于軌道板中的絕緣套管配合緊固，錨固螺栓的固定如圖2所示。作為扣壓力提供的關(guān)鍵部件，錨固螺栓的軸力衰減，給行車安全帶來了巨大的隱患，一旦扣件失效，后果將非常嚴重[3]。

圖2 扣件錨固螺栓固定

目前養(yǎng)護維修部門采取的措施為定期或不定期的上線路對螺栓進行復(fù)緊，為了減少養(yǎng)護資源的浪費，同時也為了保證行車安全[3]。因此，有必要總結(jié)扣件錨固螺栓松動的原因，在此基礎(chǔ)上提出相應(yīng)的預(yù)防對策，為現(xiàn)場養(yǎng)護維修提供指導(dǎo)。

1 錨固螺栓松動原因

一般情況下，螺紋設(shè)計時考慮了自鎖條件，即螺紋升角小于螺紋副的當量摩擦角，以此來防止松動。此外，在預(yù)緊力作用下，螺母支承面上的摩擦力、螺紋與被聯(lián)結(jié)件之間的摩擦力也有防松作用，所以在靜載荷和外界環(huán)境條件變化不大時，螺紋聯(lián)接不會自動松脫。

參考日本東京工業(yè)大學(xué)的山本晃[4]的試驗分析成果，結(jié)合滬寧城際現(xiàn)場實際情況，筆者認為造成錨固螺栓松動的原因主要有以下幾方面：

（1）支承面壓陷引起松動

螺栓頭或螺母支承面的接觸壓強較大時，被聯(lián)接件的表面在與支承面接觸處會出現(xiàn)環(huán)狀壓縮，產(chǎn)生塑性變形，緊固長度內(nèi)的螺栓拉伸力減小，此時即使螺栓不發(fā)生轉(zhuǎn)動，預(yù)緊力也會降低。特別是對于高強度螺栓，這種壓陷是不可避免的。但材料的加工硬化使得支承面的接觸壓強達到某一極限值后，這種變形不再繼續(xù)。這個極限壓強可以通過實驗得到，從而在設(shè)計螺栓時考慮足夠的加工硬度。

（2）徑向滑動引起松動

在螺紋副中，當螺栓中產(chǎn)生軸向拉伸時，由于螺紋牙斜面上的半徑方向分力，螺栓頭或螺母要產(chǎn)生彈性徑向擴張，而由于泊松比的原因，螺栓則產(chǎn)生彈性徑向收縮。因此，支承面之間產(chǎn)生微量的徑向滑動。當這種滑動反復(fù)進行時，由于螺紋有升角，其負載和卸載過程是不可逆的，于是這種滑動的累積就造成了螺栓的松動回轉(zhuǎn)。

（3）摩阻力降低引起松動

在沖擊、振動或動載荷的作用下，軸向力反復(fù)增減，同樣，在接觸螺紋面和荷載支承面之間也存在徑向滑動，當動能十分大時，會降低圓周方向的摩擦阻力，導(dǎo)致螺紋表面的正壓力為零，即摩擦力突然消失，打破自鎖而產(chǎn)生松動。

在高速鐵路上，列車對軌道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了周期性的動荷載，使上述原因造成的松動現(xiàn)象多次積累反復(fù)，而外部環(huán)境的變化（溫度、雨水），也會導(dǎo)致螺紋聯(lián)接件和被聯(lián)接件的材料發(fā)生蠕變和應(yīng)力松弛，使聯(lián)接中的預(yù)緊力和摩擦力逐漸減小，最終將導(dǎo)致錨固螺栓松動、扣件失效。

2 錨固螺栓防松對策

2.1 設(shè)計方面

由于沖擊、振動、螺紋面間摩擦因數(shù)變化，造成螺紋副間摩阻力急劇下降，而溫度變化、材料蠕變將造成螺紋副間聯(lián)接松脫。防松的根本問題在于防止螺旋副相對轉(zhuǎn)動，下面介紹相應(yīng)的防松對策。

（1）摩擦防松

增大螺紋副中的摩擦力可以有效地防止松動，最典型、最有效的形式是對頂螺母（見圖3）。兩螺母對頂，螺栓始終受到附加拉力和附加摩擦力的作用，旋合部分保持了牢固的壓緊有利于排除其他動力響應(yīng)的影響，結(jié)構(gòu)簡單，常用于低速重載線路。例如，采用兩個厚型六角螺母，先用要求預(yù)緊力矩的80%擰緊下部螺母，再用100%的預(yù)緊力矩擰緊上部螺母[3]。

利用增大摩擦力來防松的形式還有彈簧墊圈（如圖4），利用彈簧墊圈受壓時產(chǎn)生的反彈力來使螺紋面見保持正壓力，以及壓緊時的摩擦力。這是用的最普遍的防松措施，但它的防松效果極微。

圖3 對頂螺母

圖4 彈簧墊圈

摩擦防松的另一種形式是利用結(jié)構(gòu)措施產(chǎn)生附加摩擦力矩，稱其為有效力矩，尼龍嵌件鎖緊螺母是其最典型的形式（如圖5），也是極為有效的措施。該螺母的鎖緊部分是嵌在螺母體上沒有內(nèi)螺紋的尼龍圈，尼龍圈上的內(nèi)螺紋在螺栓擰入時擠壓形成，不得預(yù)先用絲錐攻出螺紋。尼龍圈的優(yōu)點是防止螺母松脫的效果好，但防止螺栓軸線垂直方向的松動回轉(zhuǎn)的能力低。而試驗也表面嵌有尼龍圈的螺母在裝卸10次后，其防松性能并不降低[3]。

圖5 尼龍嵌件鎖緊螺母

圖6 止動墊圈

摩擦防松的優(yōu)點是較為簡便，具有較強的經(jīng)濟適用性和施工便利性。但其缺點也很明顯，就是防松效果不可靠。

（2）機械防松

機械防松就是用簡單的金屬止動件直接防止螺紋副的相對運動，主要包括止動墊圈、帶翅墊片和開口銷三種形式。止動墊圈（見圖6）是將止動片的折邊分別彎靠在螺母和被聯(lián)結(jié)件的側(cè)邊，從而起到防松作用。

帶翅墊片（見圖7）是將墊片內(nèi)翅嵌入到螺母的槽內(nèi)，等到螺母裝配擰緊后，再將墊片的外翅之一折嵌到螺母的一個槽內(nèi)。

圖7 帶翅墊片

圖8 開口銷

開口銷，又稱開槽螺母，是機械防松的一種，開口銷穿過螺栓上的橫孔，嵌入開槽螺母的一條槽中，螺母將無法松脫（見圖8）。隨著裝配時槽的位置不同，得到的預(yù)緊力也不同，例如為100%、70%、50%，可根據(jù)工程要求靈活設(shè)置。但這也是這種方法的缺點。只要開口銷不被剪斷，就沒有松動的風險，但一旦發(fā)生剪切破壞，其松動失效發(fā)生時間較快。

機械防松的優(yōu)點是通過增加原件提高放松效果的可靠性，然而雖然大多數(shù)機械防松措施能有效防止螺母“松脫”，但卻無法防止螺母因松動造成的預(yù)緊力下降。

（3）其它方式

除了上述防松方式外，還有涂膠、焊點法和沖點法等方法方式。涂膠防松是在螺紋牙表面涂上厭氧膠，螺母擰緊后，粘合劑自行固化，靠其粘結(jié)作用很好地防止松動；焊點法是在螺母擰緊后，把螺母和螺栓之間的螺紋面焊住，起到永久防松的作用，但只能適用于裝配后不拆卸的工程場合；沖點法是用沖頭沖2～3點，起到永久防松的作用。

這些防松方法的好處是進行了永久性的緊固，防松效果較為可靠。但其缺點也顯而易見，適用場合有限，而且其破壞松動是沒有預(yù)兆、無法觀測的，一旦這些永久性緊固失效，將帶來嚴重的后果。

2.2 施工方面

在施工階段，對錨固螺栓進行預(yù)緊時，傳統(tǒng)的擰緊方法有經(jīng)驗法、扭矩扳手法。精度較高的擰緊方法有伸長法、轉(zhuǎn)角法[3]。

（1）經(jīng)驗法憑借工人的感覺，將施加的力矩分為幾個等級：

M6—只施加手腕力道；M8—施加腕力和肘力；M10—施加全手臂力道；M12—施加上半身力道；M14—施加全身力道；M20—壓上全身重量。

這種方法最簡單、最經(jīng)濟，但是不可靠，擰緊偏差達±40%。

（2）現(xiàn)在在高鐵線路和有條件的既有線路普遍采用扭矩扳手，但摩擦因素K受到各方面因素的影響，難以預(yù)測和控制，因此這種方法精度也不高，誤差達±25%～±30%。

（3）精度較高的預(yù)緊力控制方法還有伸長法，即利用螺栓和螺母的垂向變形，假設(shè)螺栓為理想的桿狀零件，其預(yù)緊力（拉力）與其伸長δ成正比，呈線性相關(guān)：

式中，E—螺栓材料的彈性模量；d—螺栓公稱直徑；le—螺栓有效長度。

因此，只需要測量或控制螺栓的伸長就能控制預(yù)緊力，這種方法精度較高，偏差為±1%～±10%，但目前相關(guān)器械還有待研究，方法有待普及[3]。

（4）轉(zhuǎn)角法即利用螺母或螺栓頭轉(zhuǎn)角與軸力的關(guān)系，來控制預(yù)緊力。這種方法的優(yōu)點在于螺母轉(zhuǎn)角誤差在測量精度有一定保證的前提下比螺栓拉伸變形的誤差要小的多，而且最大拉力點對應(yīng)360°轉(zhuǎn)角，破壞極限點對應(yīng)500°轉(zhuǎn)角，在施工現(xiàn)場按照這樣的轉(zhuǎn)角控制不易導(dǎo)致誤擰。同時，轉(zhuǎn)角法較扭矩扳手法不用考慮到摩擦因素K的穩(wěn)定，在高強度應(yīng)力下，還可以使用此方法。美國和英國已經(jīng)在研究此方法的實際應(yīng)用，日本也著手致力于這方面的研究[3]。

2.3 運營方面

（1）按照科學(xué)的復(fù)緊周期，使用合適的扭矩扳手，按照螺栓的要求力矩，規(guī)范、均勻、有次序地對錨固螺栓進行復(fù)緊，保證力矩大小合適。

（2）對于螺母進行轉(zhuǎn)角標記，保證運營時能及時發(fā)現(xiàn)扭矩異常，才能有利于長期的轉(zhuǎn)角監(jiān)測，以及軸力衰減變化的監(jiān)測。

（3）監(jiān)測錨固螺栓垂直于軌道板方向的位移，避免發(fā)生轉(zhuǎn)角過大超過360°后相對于標記點轉(zhuǎn)角仍較小，而未發(fā)現(xiàn)其松動的隱患。

（4）根據(jù)文獻[3]中初步研究，在錨固螺栓轉(zhuǎn)角2°～7°前應(yīng)緊密監(jiān)測，而轉(zhuǎn)角2°～7°后認為螺栓軸力衰減進入穩(wěn)定階段，應(yīng)更關(guān)注與螺栓的疲勞壽命，而不是松動回轉(zhuǎn)。

3 結(jié)束語

本文探討了錨固螺栓松動的原因，并從設(shè)計和施工等方面提出了防松對策。除了在螺栓元件方面進行防松改善之外，基于我國目前的線路設(shè)施條件和施工實用性，施工、運營方面防松對策有以下幾個建議：

（1）在擰緊作業(yè)時用扭矩扳手先使預(yù)緊力達到所需預(yù)緊力的80%后，再作第二次擰緊，以達到要求的100%預(yù)緊力。

（2）對于螺母進行轉(zhuǎn)角標記，保證及時發(fā)現(xiàn)扭矩異常，避免因人工遺忘而沒擰緊的差錯，同時，有利于長期的轉(zhuǎn)角監(jiān)測，以及軸力衰減變化的監(jiān)測。

（3）在實際線路養(yǎng)護維修中，為了確定螺栓是否擰緊得當，應(yīng)在線路上選取一定百分比數(shù)量的螺栓，抽樣進行復(fù)測，保證其預(yù)緊力偏差在±10%。

[1]盧祖文.我國鐵路的鋼軌扣件[J].中國鐵路.2005(7)∶25-27.

[2]肖俊恒.客運專線無作軌道扣件系統(tǒng)技術(shù)研究[J].中國鐵路.2009(2)∶44-47、54.

[3]張志遠.鋼軌扣件扣壓力變化規(guī)律研究[D].上海：同濟大學(xué)碩士學(xué)位論文.2012.

[4]山本晃.螺紋聯(lián)接的理論與計算[M].上?！蒙虾？茖W(xué)技術(shù)文獻出版社. 1984.

責任編輯：許耀元 龔佩毅
來稿日期：2014-01-27