王 冬

(中車長春軌道客車股份有限公司國家軌道客車工程研究中心,130062,長春//高級(jí)工程師)

螺栓是動(dòng)車組裝配的關(guān)鍵連接件之一，其性能對(duì)列車的穩(wěn)定運(yùn)行起到至關(guān)重要的作用。國內(nèi)8輛編組的某高速動(dòng)車組，其車下重型電氣設(shè)備吊裝、轉(zhuǎn)向架安裝、車鉤安裝均采用了8.8級(jí)以上的高強(qiáng)度螺栓[1]，規(guī)格有M20、M24、M36等，全列數(shù)量達(dá)到600枚以上。為保證結(jié)構(gòu)的安全性，目前該類螺栓一旦拆卸則不允許再次使用。使用過的螺栓應(yīng)該直接報(bào)廢還是再次利用均無相應(yīng)的理論依據(jù)及數(shù)據(jù)支持，因此有必要對(duì)螺栓的反復(fù)使用進(jìn)行可行性論證，在保證安全的前提下盡量減少造修成本。

1 螺栓應(yīng)用現(xiàn)狀

螺紋連接結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于建筑、軌道交通等領(lǐng)域。根據(jù)應(yīng)用環(huán)境的不同需求，設(shè)計(jì)者會(huì)選用相應(yīng)規(guī)格、材質(zhì)、數(shù)量、強(qiáng)度等級(jí)的螺栓，以獲得合理的安全系數(shù)，并兼顧結(jié)構(gòu)的可靠性及經(jīng)濟(jì)性。對(duì)于螺栓，尤其是高強(qiáng)度螺栓能否多次重復(fù)使用，我國并沒有統(tǒng)一的規(guī)定。對(duì)于塔吊用高強(qiáng)度螺栓，一般螺栓重復(fù)使用次數(shù)不超過2次[2]。對(duì)于建筑機(jī)械與設(shè)備用高強(qiáng)度緊固件，JG/T 5057.40—1995《建設(shè)機(jī)械與設(shè)備 高強(qiáng)度緊固件技術(shù)條件》規(guī)定：高強(qiáng)度螺栓在螺紋牙型、表面狀態(tài)等方面無較大變化的情況下，允許螺栓拆卸后再次使用；JGJ 82—1991《鋼結(jié)構(gòu)高強(qiáng)度螺栓連接的設(shè)計(jì)、施工及驗(yàn)收規(guī)程》規(guī)定：考慮到扭矩系數(shù)變化的影響，不得使用高強(qiáng)度螺栓兼做臨時(shí)螺栓；美國AISC規(guī)程明確規(guī)定：ASTM A490螺栓和鍍鋅ASTM A325不得被重復(fù)利用[3]。

2 動(dòng)車組用螺栓重復(fù)使用的研究方法

要進(jìn)行螺栓的反復(fù)使用可行性論證，首先需要了解螺栓的性能，對(duì)螺栓進(jìn)行全面的性能檢驗(yàn)，從而來判斷該螺栓是否滿足指標(biāo)要求，以及是否存在重新利用的前提條件。然后還需研究在重復(fù)加載過程中螺栓的夾緊力和力矩的變化、表面鍍層破壞程度、螺紋變形情況、拉伸性能變化、疲勞性能變化以及耐腐蝕性能等，研究反復(fù)加載過程中這些性能變化是否對(duì)螺栓的安全使用產(chǎn)生顯著影響。同時(shí)，依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)螺栓的安全系數(shù)進(jìn)行深入分析，從而判斷螺栓重復(fù)利用的可行性。

2.1 新螺栓性能檢驗(yàn)

采用熒光光譜儀對(duì)螺栓的化學(xué)成分進(jìn)行分析，如表1所示。由表1可知，C、Mn兩種元素對(duì)螺栓強(qiáng)度發(fā)揮主要作用；Ni、Cu等元素可提高耐蝕性；Cr提高了鋼的淬透性和回火穩(wěn)定性，并有利于螺栓耐磨性和抗氧化；Mo則可增加螺栓淬透性；雜質(zhì)元素P、S含量較低，表明螺栓的冶金質(zhì)量較好。

表1 螺栓的化學(xué)成分

表2為3枚圓棒狀螺栓試樣的拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)。ISO 898-1:2013標(biāo)準(zhǔn)對(duì)8.8級(jí)螺栓規(guī)定：屈服強(qiáng)度≥660 MPa，抗拉強(qiáng)度≥830 MPa，延伸率≥12.0%，斷面收縮率≥52%。由表2可知，試驗(yàn)數(shù)據(jù)均滿足ISO 898-1：2013標(biāo)準(zhǔn)對(duì)8.8級(jí)螺栓規(guī)定的性能要求。

表2 螺栓試樣的拉伸性能數(shù)據(jù)

同時(shí)，對(duì)V型缺口沖擊試樣進(jìn)行了沖擊性能檢驗(yàn)，在低溫條件下的沖擊功達(dá)到了80 J以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)要求的20 J。

2.2 反復(fù)加載試驗(yàn)

2.2.1 加載試驗(yàn)方法

為獲得在加載條件下螺栓所產(chǎn)生的軸向力，參照螺栓的實(shí)際結(jié)構(gòu)，在實(shí)驗(yàn)室范圍內(nèi)進(jìn)行工況模擬。螺栓設(shè)計(jì)緊固力矩為275 Nm，試驗(yàn)時(shí)采用帶數(shù)顯的力矩扳手加載，螺栓的軸向力通過傳感器在計(jì)算機(jī)中直接顯示。圖1 為實(shí)驗(yàn)室范圍內(nèi)螺栓軸向力測(cè)量裝置圖。

圖1 實(shí)驗(yàn)室范圍內(nèi)螺栓軸向力測(cè)量裝置圖

2.2.2 相同力矩下夾緊力的變化

利用數(shù)顯力矩扳手對(duì)螺栓加載至275 Nm，當(dāng)軸向夾緊力保持穩(wěn)定后卸載，按此反復(fù)進(jìn)行試驗(yàn)，以研究相同的加載力矩、不同的加載次數(shù)對(duì)螺栓軸向夾緊力的影響。

表3為加載次數(shù)與軸向夾緊力之間的關(guān)系。由表3可知，首次加載時(shí)夾緊力為114 kN，第2次加載時(shí)夾緊力明顯升高，但隨著加載次數(shù)的增加，夾緊力逐漸降低。加載到第6次時(shí)，夾緊力逐漸趨于穩(wěn)定，但明顯低于初始數(shù)值。

表3 螺栓夾緊力與加載次數(shù)之間的關(guān)系

2.2.3 相同夾緊力下力矩的變化

對(duì)另一枚新螺栓加載275 Nm，此時(shí)顯示軸向力為111.3 kN。卸載后再次加載，直到獲得相同的軸向力，記錄對(duì)應(yīng)的扭矩?cái)?shù)值。該試驗(yàn)用以研究在保持夾緊力不變的條件下，加載力矩的變化情況，見表4。數(shù)據(jù)顯示，保持軸向夾緊力不變時(shí)，第2次的扭矩低于第1次；而第3次的扭矩不僅遠(yuǎn)高于第2次，而且還高于第1次。這與夾緊力變化結(jié)果是吻合的。當(dāng)加載次數(shù)超過3次以后，扭矩值變化較小。

表4 相同軸向夾緊力下螺栓的扭矩變化

為了研究不同螺栓的加載規(guī)律，對(duì)10枚螺栓進(jìn)行了該試驗(yàn)。其中，5枚重復(fù)加載5次，其余5枚為10次，試驗(yàn)結(jié)果見圖2。由圖2可知，加載前期的力矩整體呈下降趨勢(shì)，且變化范圍較小；當(dāng)加載超過4次后，力矩的變化范圍逐漸變大，尤其當(dāng)加載至10次時(shí)，最大力矩達(dá)到了440 Nm，而最小力矩僅為180 Nm。力矩分散性加大時(shí)，表明螺栓不具備該條件重復(fù)使用的可能性。因此，螺栓的最多使用次數(shù)不應(yīng)超過3次。

圖2 10枚螺栓多次加載時(shí)扭矩變化圖

2.2.4 螺栓表面質(zhì)量的變化

圖3分別為經(jīng)過5次、10次加載后螺栓表面的破壞情況。由圖3可知，經(jīng)反復(fù)加載后，螺栓表面的鍍鋅層被完全破壞，這也是再次加載時(shí)螺栓的夾緊力和扭矩變化的重要原因之一。

圖3 不同加載次數(shù)下螺栓表面的變化

2.2.5 螺紋形狀的變化

圖4為螺紋齒形的對(duì)比圖。由圖4可知，螺紋齒形變化不大，多次加載反而使得螺紋的齒形更加完整光滑。

圖4 不同加載次數(shù)下螺栓螺紋形狀的變化

2.2.6 螺栓拉伸性能的變化

表5為不同加載次數(shù)螺栓的拉伸性能變化規(guī)律。由表5可知，隨著加載次數(shù)的增加，螺栓的強(qiáng)度和延伸率均未明顯變化，甚至還略有增加，這是螺栓可重復(fù)加載使用的基礎(chǔ)。

表5 不同加載次數(shù)下螺栓拉伸性能對(duì)比

2.2.7 螺栓疲勞性能的變化

按照GB 3075—1982《金屬軸向疲勞試驗(yàn)方法》，對(duì)不同加載次數(shù)的螺栓進(jìn)行疲勞性能測(cè)試。加載波形為正弦波，應(yīng)力比R=0.1。測(cè)試結(jié)果見表6。由表6可知，螺栓的應(yīng)力極限約為750 MPa，故以此為疲勞試驗(yàn)應(yīng)力最大值。對(duì)于首次加載的新試樣，允許的最大應(yīng)力均超過750 MPa，而加載5次的試樣在750 MPa時(shí)對(duì)應(yīng)的疲勞壽命波動(dòng)較大，加載10次的試樣的疲勞壽命又有所回升。本試驗(yàn)采用的是由螺栓加工的試樣，與前文中螺栓的機(jī)械性能數(shù)據(jù)不完全一致。但通過上述數(shù)據(jù)可判定反復(fù)加載后的試樣，其疲勞性能雖有所下降，但仍然保持在較高水平。

表6 不同加載次數(shù)下試樣的疲勞性能對(duì)比

2.2.8 螺栓耐蝕性能的變化

反復(fù)加載后，螺栓表面鍍層被破壞，耐蝕性能也將有所變化。為了更直觀地證明鍍鋅層的作用，按照GB/T 10125—1997《人造氣氛腐蝕試驗(yàn)鹽霧試驗(yàn)》，分別將帶有鍍鋅層和脫掉鍍鋅層的兩種螺栓置于實(shí)驗(yàn)箱中進(jìn)行不同時(shí)間的中性鹽霧試驗(yàn)。取出后去除腐蝕產(chǎn)物并稱重。螺栓表面鍍鋅層的存在使其在NaCl溶液中幾乎保持原狀態(tài)，失重率非常低，4周僅失重0.05 g。相應(yīng)去掉鍍鋅層的螺栓失重則達(dá)到11.88 g。圖5為鹽霧腐蝕后螺栓表面情況對(duì)比。

圖5 鹽霧腐蝕后未除銹前的螺栓表面狀態(tài)

3 試驗(yàn)分析

螺栓在反復(fù)加載過程中，有8個(gè)性能發(fā)生了改變，包括表面質(zhì)量、夾緊力、力矩、螺紋形貌、拉伸性能、疲勞性能、耐腐蝕性能等。其中，螺栓的表面質(zhì)量、力矩發(fā)生較大變化，而拉伸性能、耐腐蝕性能、螺紋形貌則變化較小，疲勞性能略有降低。如果螺栓需要重復(fù)使用，需分析上述因素對(duì)螺紋連接可靠性的影響。

在這些性能中，與螺栓使用直接相關(guān)的是螺栓的夾緊力和力矩的變化。對(duì)于一般螺栓而言，其扭矩和夾緊力需滿足：

P=T/(KD)

(1)

式中：

P——螺栓的夾緊力；

T——扭矩；

K——扭矩系數(shù)；

D——螺栓的直徑。

從式(1)可以看出，在預(yù)設(shè)夾緊力不變的情況下，扭矩與扭矩系數(shù)有關(guān)。而影響扭矩系數(shù)的因素主要包括螺牙表面狀態(tài)、潤滑情況、環(huán)境溫度等，其中螺牙表面狀態(tài)影響最為顯著。螺栓反復(fù)加載時(shí)恰恰對(duì)螺紋表面狀態(tài)的改變最為明顯，大量鍍鋅層被破壞，螺牙表面變得光滑，均對(duì)螺栓的耐蝕性能和夾緊力產(chǎn)生較大的影響。

3.1 螺紋表面再處理

若螺栓在沿海環(huán)境性氣候、潮濕性氣候以及具有腐蝕性氣候等地域使用，螺栓表面的鍍鋅層極易受到環(huán)境腐蝕，甚至形成局部電池，破壞螺栓基體。同時(shí)，在雨水中酸性物質(zhì)的作用下，可能存在電解氫，使得螺栓存在氫脆、延遲斷裂的風(fēng)險(xiǎn)[4]。在這種環(huán)境下，如果螺栓重復(fù)利用，則必須重新鍍鋅，以保護(hù)螺栓基體。鍍鋅后不僅可改善螺栓的耐蝕性能，而且也減小了相同力矩下螺栓夾緊力的分散性。

3.2 螺栓重復(fù)使用時(shí)的緊固方式

圖6為不同螺栓均按275 Nm的力矩初次加載時(shí)所獲得的夾緊力測(cè)試結(jié)果，其夾緊力范圍為95～115 kN。前文采用相同扭矩對(duì)同一螺栓進(jìn)行反復(fù)加載，其夾緊力范圍已擴(kuò)大至80～130 kN。通過換算得出兩種加載方式下螺栓的應(yīng)力范圍分別為387～469 MPa、326～530 MPa。試驗(yàn)測(cè)得螺栓的屈服強(qiáng)度為780 MPa，對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)范圍分別為2.02～1.66、2.39～1.47。

圖6 螺栓在初次加載時(shí)所獲得的夾緊力

采用相同力矩多次加載時(shí)，螺栓的應(yīng)力變化幅度較大，安全系數(shù)分散性亦較大。故采用控制螺紋表面狀態(tài)或控制力矩進(jìn)行螺栓的重復(fù)利用，更符合實(shí)際應(yīng)用條件，亦更有利于重復(fù)使用的螺紋連接的可靠性。

以2.2.2、2.2.3節(jié)中的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行分析，選擇同一螺栓反復(fù)加載時(shí)的力矩。圖7為不同螺栓獲得與初次加載相同夾緊力時(shí)第2次加載力矩的變化規(guī)律。由圖7可以看出，螺栓在第2次使用時(shí)，其力矩范圍為200 ～270 Nm。考慮到數(shù)據(jù)的波動(dòng)性,并為獲得穩(wěn)定的夾緊力，螺栓第2次使用時(shí)力矩可控制在240～260 Nm。

圖7 不同螺栓第2次加載時(shí)的力矩變化圖

當(dāng)螺栓進(jìn)行第3次加載時(shí)，其力矩的波動(dòng)范圍逐漸加大，見圖8。除第1、第2和第4這3枚螺栓外，其余螺栓力矩的穩(wěn)定性亦較高，均在240～260 Nm范圍內(nèi)。從安全角度考慮，建議螺栓不進(jìn)行第3次使用。

圖8 不同螺栓第3次加載時(shí)的力矩變化圖

4 結(jié)語

在實(shí)驗(yàn)室范圍內(nèi)研究了螺栓反復(fù)加載下力矩、夾緊力、螺紋狀態(tài)、疲勞性能的變化。在有限的試驗(yàn)樣本條件下，獲得了螺栓能否重復(fù)使用的相關(guān)試驗(yàn)及評(píng)價(jià)方法，并為工程應(yīng)用提供了數(shù)據(jù)支撐，形成的結(jié)論如下：

1) 螺栓的化學(xué)成分、機(jī)械性能等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，低溫沖擊性能良好，具備可重復(fù)利用的基礎(chǔ)條件。

2) 往復(fù)加載對(duì)螺栓的拉伸性能、疲勞性能以及螺栓基體的耐腐蝕性能影響不大。

3) 往復(fù)加載破壞了螺紋表面的鍍鋅層，使得螺栓的耐腐蝕性能顯著下降。

4) 往復(fù)加載后，螺栓的夾緊力和力矩均發(fā)生明顯的改變，但具有一定的規(guī)律性。

5) 對(duì)使用過的螺栓重新進(jìn)行表面鍍鋅處理后，重復(fù)利用的可靠性更高。

6) 在不對(duì)螺栓表面重新處理的條件下，經(jīng)篩選的螺栓第2次使用時(shí)，其加載力矩與初始設(shè)計(jì)力矩可能不同，具體以試驗(yàn)數(shù)據(jù)為準(zhǔn)。

7) 對(duì)于本文中的試驗(yàn)螺栓，建議重復(fù)使用次數(shù)不超過2次。在實(shí)際工程應(yīng)用中，需注意做好詳細(xì)記錄，避免超次數(shù)使用帶來的安全風(fēng)險(xiǎn)。