馮曉鵬
(河南明華智能系統(tǒng)研究院有限公司,河南 鄭州 450000)
隨著全球鐵路運(yùn)輸?shù)目焖侔l(fā)展,越來(lái)越多的地方修建地鐵和高鐵,作為軌道車(chē)輪盤(pán)結(jié)合面連接的重要組成部分,高強(qiáng)度螺栓的安裝質(zhì)量顯得越來(lái)越重要。目前,安裝螺栓常見(jiàn)的方法有扭矩控制法、屈服點(diǎn)控制法、螺栓伸長(zhǎng)法[1]。其中,螺栓伸長(zhǎng)法對(duì)屈服點(diǎn)控制精準(zhǔn),但對(duì)安裝工具要求較高,成本高,使用范圍較??;屈服點(diǎn)控制法獲得的軸向力較為穩(wěn)定,螺栓的利用率高,但需要前期大量的試驗(yàn)支持;扭矩控制法是使用最廣的螺栓安裝方法,操作簡(jiǎn)單,便于掌握,對(duì)擰緊工具的成本、種類(lèi)要求較低[2]。然而,由于對(duì)螺栓擰緊扭矩系數(shù)K的影響因素較多,導(dǎo)致螺栓軸向力不可控,若螺栓軸向力過(guò)大,可能存在螺栓斷裂風(fēng)險(xiǎn);若螺栓安裝軸向力不足,輪盤(pán)在運(yùn)行振動(dòng)過(guò)程中軸向力更易衰減,可能導(dǎo)致軌道車(chē)行車(chē)安全[3]問(wèn)題。因此在軌道車(chē)輪盤(pán)裝配過(guò)程中,控制螺栓安裝扭矩系數(shù),穩(wěn)定螺栓軸向力尤為重要。本文對(duì)影響螺栓擰緊扭矩系數(shù)的因素進(jìn)行理論分析,實(shí)測(cè)了同一規(guī)格螺栓在不同螺紋副表面處理?xiàng)l件下扭矩系數(shù)的變化,并提出了螺栓優(yōu)化安裝方案。
扭矩控制法擰緊過(guò)程中,螺栓擰緊扭矩分配關(guān)系如下[4]:
(1)
其中:Tf為螺栓擰緊力矩;T1為螺紋副之間的扭矩;T2為支撐面之間的摩擦扭矩;Ff為螺栓軸向預(yù)緊力;dp為外螺紋的有效直徑,計(jì)算時(shí)采用螺紋中徑d2;ρ′為摩擦副的當(dāng)量摩擦角;β為螺旋升角;dw為螺母支撐面摩擦力矩的等效直徑;μw為支撐面摩擦因數(shù)。
螺栓擰緊系數(shù)K的計(jì)算公式為:
(2)
其中:d為螺栓公稱直徑;μs為螺紋副摩擦因數(shù);P為螺紋螺距。
螺栓擰緊力矩Tf的計(jì)算公式為:
Tf=K×Ff×d.
(3)
當(dāng)螺栓規(guī)格、擰緊力矩一定時(shí),由式(3)可知,螺栓軸向力與扭矩系數(shù)成反比關(guān)系,扭矩系數(shù)越小,軸向力越大;由式(2)可知,扭矩系數(shù)主要受螺紋副摩擦因數(shù)和支撐面摩擦因數(shù)的影響,且呈一定的正相關(guān)性。國(guó)標(biāo)GB/T 16823.2—《螺紋緊固件通則》給出了螺紋副摩擦因數(shù)μs和支撐面摩擦因數(shù)μw與扭矩系數(shù)K的關(guān)系[5],如表1所示。
表1 支撐面摩擦因數(shù)μw和螺紋副摩擦因數(shù)μs與扭矩系數(shù)K的關(guān)系
VDI2230標(biāo)準(zhǔn)中指出,墊片材料、螺紋加工精度、支撐面的剛度、螺桿的表面處理、擰緊速度、安裝次數(shù)等都會(huì)影響摩擦因數(shù),從而影響扭矩系數(shù),因此,為了獲得更精確的扭矩系數(shù),本文實(shí)測(cè)了軌道車(chē)螺栓在不同螺紋表面處理要求下的扭矩系數(shù),為扭矩系數(shù)的設(shè)定提供參考。
螺栓扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)可實(shí)時(shí)顯示螺栓在安裝擰緊時(shí)的力矩和軸向力、轉(zhuǎn)角、變形量等參數(shù),可以實(shí)時(shí)反饋螺栓在擰緊過(guò)程中的特征。螺栓扭矩系數(shù)測(cè)試平臺(tái)如圖1所示。
圖1 螺栓扭矩系數(shù)測(cè)試平臺(tái)
試驗(yàn)螺栓為同一規(guī)格、同一批次,強(qiáng)度等級(jí)為10.9級(jí),加工精度為C級(jí),表面發(fā)黑處理,且每根螺栓不重復(fù)使用。試驗(yàn)共分為4組,每組6根,每組螺栓安裝時(shí)墊片材質(zhì)一致,硬度均為HV300,擰緊力矩相同,均為1 775 Nm,擰緊速度為30 r/min。按照實(shí)際裝配操作流程,對(duì)螺柱螺紋副進(jìn)行不同表面處理,第一組涂油、第二組清洗、第三組涂天山螺紋緊固膠、第四組涂潤(rùn)滑脂。螺栓在測(cè)試平臺(tái)安裝后,使用扭矩控制法擰緊,通過(guò)測(cè)量結(jié)合面預(yù)緊力得出扭矩系數(shù),測(cè)試過(guò)程如圖2所示,測(cè)試結(jié)果如圖3所示。
圖2 螺栓扭矩系數(shù)測(cè)試過(guò)程
由圖3可知:第一組螺栓,在油層保護(hù)下,螺栓扭矩系數(shù)相對(duì)穩(wěn)定;第二組螺栓在清洗后,扭矩系數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)差都有所增加,這是因?yàn)槁菟ㄇ逑春?,表面防銹保護(hù)油層被洗掉,表面摩擦因數(shù)變大導(dǎo)致扭矩系數(shù)增加,與第一組數(shù)據(jù)對(duì)比,清洗過(guò)后的螺栓扭矩系數(shù)更加離散;
第三組螺栓,涂有天山螺紋緊固膠,扭矩系數(shù)有一定的上升,但浮動(dòng)范圍和標(biāo)準(zhǔn)差都降低,這是因?yàn)椴粠?rùn)滑功能的厭氧緊固膠中單體或樹(shù)脂黏性較大,導(dǎo)致摩擦因數(shù)增大[6-7],螺栓均勻涂膠后,摩擦因數(shù)受螺栓本身粗糙度的影響降低,扭矩系數(shù)更趨于穩(wěn)定;第四組螺栓,涂潤(rùn)滑脂后,不僅降低了扭矩系數(shù)而且還更加穩(wěn)定,提高了螺栓的利用率,將扭矩系數(shù)控制在0.103~0.13范圍內(nèi),是理想的螺栓表面涂層,也是軌道車(chē)輪盤(pán)螺栓安裝的優(yōu)選方案。
圖3 螺栓在不同表面處理下的扭矩系數(shù)
通過(guò)對(duì)螺栓擰緊扭矩系數(shù)的研究,結(jié)論如下:
(1) 在相同規(guī)格螺栓條件下,影響螺栓扭矩系數(shù)的因素主要有螺紋副摩擦因數(shù)μs和支撐面摩擦因數(shù)μw,影響這兩個(gè)摩擦因數(shù)的因素較多,在工程應(yīng)用中應(yīng)該實(shí)際測(cè)量扭矩系數(shù)。
(2) 螺栓清洗后,表面摩擦因數(shù)增大,導(dǎo)致扭矩系數(shù)變大,離散型較差。
(3) 涂抹無(wú)潤(rùn)滑的螺紋緊固膠之后,扭矩系數(shù)相對(duì)增大,但離散性變好,扭矩系數(shù)更加穩(wěn)定。
(4) 涂抹潤(rùn)滑脂的螺栓,扭矩系數(shù)明顯降低,且變化范圍相對(duì)更小,扭矩系數(shù)穩(wěn)定可控,適合用于軌道車(chē)輪盤(pán)螺栓的裝配。