張九高
(上海申通軌道交通研究咨詢有限公司, 上海 200070)
軌道交通車輛結(jié)構(gòu)件的連接方式除焊接、鉚接外,主要采用螺紋連接, 螺紋連接方式既滿足車輛運(yùn)行所必須的功能,又確保車體結(jié)構(gòu)重要部件的互換性要求。由于結(jié)構(gòu)的特殊性,車輛上的變速器、制動(dòng)風(fēng)缸、水箱等較重的設(shè)備均使用高強(qiáng)度螺栓安裝在車輛底架上。 如國(guó)內(nèi)8 輛編組的高速動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架, 均采用8.8 級(jí)及以上的高強(qiáng)度螺栓,規(guī)格有M16、M20、M24 和M36 等,全列數(shù)量達(dá)到約650 顆。 軌道交通車輛設(shè)計(jì)中螺栓的選用執(zhí)行TB/T 3246.1—2019《機(jī)車車輛螺栓連接設(shè)計(jì)準(zhǔn)則第1 部分:螺栓連接的分類》、TB/T 3246.2—2019 《機(jī)車車輛螺栓連接設(shè)計(jì)準(zhǔn)則第2 部分:機(jī)械應(yīng)用設(shè)計(jì)》和TB/T 3246.6—2019《機(jī)車車輛螺栓連接設(shè)計(jì)準(zhǔn)則第6 部分: 連接尺寸》[1-3]。本文將從緊固件的選用、防松設(shè)計(jì)、表面處理等方面進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹, 讓有關(guān)人員了解軌道交通車輛緊固件的防松設(shè)計(jì)與表面處理現(xiàn)狀。
軌道交通車輛TB/T 3246.1—2019 《機(jī)車車輛螺栓連接設(shè)計(jì)準(zhǔn)則第1 部分:螺栓連接的分類》和TB/T 3246.2—2019《機(jī)車車輛螺栓連接設(shè)計(jì)準(zhǔn)則第2 部分:機(jī)械應(yīng)用設(shè)計(jì)》 規(guī)定螺紋連接中緊固件應(yīng)為符合GB/T 3098.1 及GB/T 3098.2 或者GB/T 3098.6 及GB/T 3098.15 鋼制或者不銹鋼制螺栓和螺母。 在轉(zhuǎn)向架部分包括構(gòu)架、輪對(duì)、懸掛、牽引和制動(dòng)系統(tǒng),連接螺栓主要規(guī)格為M12、M16、M20、M24、M30 和M36,其中少量為細(xì)牙螺栓。 根據(jù)螺栓使用位置,分析螺栓的受力工況, 設(shè)計(jì)出合適的強(qiáng)度等級(jí), 主要為8.8 級(jí)和10.9 級(jí),對(duì)于12.9 級(jí)等級(jí)強(qiáng)度盡量不采用,12.9級(jí)強(qiáng)度螺栓易產(chǎn)生氫脆導(dǎo)致的延遲性破壞。 由于緊固件數(shù)量較多,為了盡量減少其使用種類,設(shè)計(jì)規(guī)定在一般情況下使用六角頭螺栓、平墊圈、雙疊自鎖墊圈和六角螺母與構(gòu)件配合的為最基本安裝方式。此外,在同一螺紋連接件中,螺栓及螺母必須屬于同樣的強(qiáng)度等級(jí)。
在軌道交通車輛中緊固件主要參照以下標(biāo)準(zhǔn), 螺栓必須符合GB/T 3098.1《緊固件機(jī)械性能 螺栓、螺釘和螺柱》,所需碳鋼、合金鋼材料符合GB/T 3098.1、GB/T 3098.2及DIN EN 20898-1、DIN EN 20898-2 規(guī)定??刂凭o固件的防腐蝕性能主要有3 種方式:選擇耐蝕材料、陰極保護(hù)和表面涂裝。 綜合性價(jià)比原因,碳鋼、合金鋼緊固件在軌道交通車輛得到了最廣泛的應(yīng)用, 而耐蝕性較好的鋁合金及不銹鋼由于力學(xué)性能不能完全滿足要求, 且價(jià)格相對(duì)昂貴,主要用在內(nèi)飾區(qū)域。
軌道交通車輛的靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度的載荷定義根據(jù)EN 12663,通過有限元FEM 可以計(jì)算出螺栓連接部位的載荷,根據(jù)TB/T 3246.6 預(yù)選螺栓連接的尺寸。 首先,根據(jù)構(gòu)件螺栓連接的部位, 載荷的大小以及是否影響行車安全來定義風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。 TB/T 3246.1 中風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)分為高、中、低。其中被定義為高風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的螺栓連接,即螺栓連接發(fā)生故障失效時(shí),產(chǎn)生直接或間接的身體和生命危險(xiǎn)和/或運(yùn)行危險(xiǎn),必須在圖紙中加以說明,以確保在螺栓擰緊過程中, 預(yù)緊扭矩及其公差以及擰緊后的檢查都得到嚴(yán)格地控制。
對(duì)于螺栓連接的功能而言,TB/T 3246.1 要求必須存在一定的預(yù)緊力Fm。預(yù)緊力可以提高螺栓連接的可靠性、防松能力和螺栓的疲勞強(qiáng)度,增強(qiáng)連接的緊密性和剛性[4]。通常生產(chǎn)實(shí)施螺栓連接時(shí)采用的是扭矩法, 即采用定扭矩扳手控制裝配時(shí)螺栓的扭矩, 因此要求螺栓伸長(zhǎng)率必須在彈性極限范圍內(nèi)。
預(yù)緊力的設(shè)計(jì)計(jì)算主要依據(jù)VDI 2230-1:2015《高強(qiáng)度螺栓連接的系統(tǒng)計(jì)算 圓柱形旋入式連接》, 來驗(yàn)證螺栓連接的預(yù)緊力是否滿足靜強(qiáng)度要求。
螺栓連接件在變載荷、 振動(dòng), 甚至工作溫度的影響下,會(huì)產(chǎn)生變形或者發(fā)生蠕變,從而因預(yù)緊力的下降而導(dǎo)致螺栓連接出現(xiàn)松動(dòng), 使螺栓中的交變應(yīng)力比未松動(dòng)時(shí)將大大增加,并且在受力過程中產(chǎn)生沖擊,使得螺栓連接的螺紋出現(xiàn)疲勞破壞。
在軌道交通車輛的設(shè)計(jì)中, 根據(jù)螺栓連接部位不同的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)和擰緊場(chǎng)合,采取了不同的防松措施。目前常用的防松形式[5]有以下四類:
一類摩擦防松。 如采用雙面鎖緊墊圈、雙螺母、自鎖螺母和尼龍嵌件鎖緊螺母等防松方式, 以產(chǎn)生一個(gè)可以阻止連接副相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的摩擦力。 不隨外力變化的此正壓力可通過軸向或同時(shí)兩向壓緊連接副來實(shí)現(xiàn)防松。
二類機(jī)械防松。使用止動(dòng)件開口銷、串連鋼絲和止動(dòng)墊圈等防松方式,直接限制連接副的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng),由于止動(dòng)件沒有預(yù)緊力, 當(dāng)螺母松退到止動(dòng)位置時(shí)防松止動(dòng)才能起作用,這實(shí)際上不防松而是防止脫落的方式。
三類鉚沖防松。當(dāng)連接副擰緊后采用焊接、沖點(diǎn)和粘接等方法,使螺紋失去運(yùn)動(dòng)特性而成為不可拆連接。此方式的缺點(diǎn)是栓桿只能使用一次,拆卸也非常困難,必須破壞連接副方可拆卸,不可重復(fù)使用。
四類結(jié)構(gòu)防松。它是利用螺紋連接副的自身結(jié)構(gòu),防松可靠,可重復(fù)使用,拆裝方便[6]。
前三類防松技術(shù)主要依靠第三者力進(jìn)行防松, 主要是利用摩擦力,而第四類是新型防松技術(shù),如楔入式鎖緊結(jié)構(gòu)或可變楔形螺紋等。
螺栓擰緊的實(shí)質(zhì)是控制螺紋連接的預(yù)緊力, 為確保裝配的質(zhì)量,必須對(duì)螺紋副的擰緊狀態(tài)予以控制,以避免螺栓與被連接件的結(jié)合而產(chǎn)生滑移或縫隙, 從而導(dǎo)致螺紋副連接失效[5]?,F(xiàn)今用于控制螺紋擰緊的方法主要有扭矩法、轉(zhuǎn)角法、屈服點(diǎn)法等。
(1)扭矩法。扭矩法就是利用扭矩與預(yù)緊力的線性關(guān)系在彈性區(qū)進(jìn)行緊固控制的一種方法。該方法在擰緊時(shí),只對(duì)一個(gè)確定的緊固扭矩進(jìn)行控制,因此,該方法操作簡(jiǎn)便,是一種常規(guī)的擰緊方法。 但是,由于緊固扭矩的90%左右作用于螺紋摩擦和支承面摩擦的消耗, 真正作用在軸向預(yù)緊力方面僅10%左右, 預(yù)緊力的離散度是隨著擰緊過程中摩擦等因素的控制程度而變化的。
(2)轉(zhuǎn)角法。轉(zhuǎn)角法就是在擰緊時(shí)將螺栓于螺母相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度,稱之為緊固轉(zhuǎn)角,把一個(gè)確定的緊固轉(zhuǎn)角作為指標(biāo)來對(duì)初始預(yù)緊力進(jìn)行控制的一種方法。 該擰緊方法可在彈性區(qū)和塑性區(qū)使用。 Q-F 曲線斜率急劇變化時(shí), 隨著緊固轉(zhuǎn)角的設(shè)定誤差, 預(yù)緊力的離散度也會(huì)變大。 因此,在被連接件和螺栓剛性較高的場(chǎng)合,對(duì)彈性區(qū)的緊固是不利的;在塑性區(qū)緊固時(shí),初始預(yù)緊力的離散度主要取決于螺栓的屈服點(diǎn),而轉(zhuǎn)角誤差對(duì)其影響不大,故該緊固方法具有可最大限度地利用螺栓強(qiáng)度的優(yōu)點(diǎn) (即可獲得較高的預(yù)緊力)。
轉(zhuǎn)角法是將螺栓的預(yù)緊力控制在達(dá)到或接近屈服強(qiáng)度的先進(jìn)工藝方法,它克服了傳統(tǒng)扭矩法的設(shè)計(jì)中,軸向力大小分散、材料浪費(fèi)、連接笨拙和可靠性差的缺點(diǎn),故理論上轉(zhuǎn)角法的控制精度要比扭矩法高很多, 工藝參數(shù)要求嚴(yán)格,且對(duì)擰緊工具的功能要求特別高,同扭矩法相比,其工裝設(shè)備的價(jià)格要高出數(shù)倍甚至數(shù)10 倍,通常比較重要的部位才采用此方法安裝。
(3)屈服點(diǎn)法。 屈服點(diǎn)擰緊法就是在裝配擰緊時(shí),螺栓受到的預(yù)緊應(yīng)力達(dá)到螺栓材料的屈服極限, 從而充分發(fā)揮其承載潛力的方法。 這是一個(gè)包括螺栓連接強(qiáng)度設(shè)計(jì)準(zhǔn)則在內(nèi)的設(shè)計(jì)、制造、安裝和維修等方面觀念上發(fā)生了變化的大問題。
屈服點(diǎn)擰緊法的特性及應(yīng)用條件, 安裝擰緊后螺栓受的預(yù)緊應(yīng)力已達(dá)到了屈服極限,再加上工作載荷,螺栓所受到的總應(yīng)力將超出屈服極限一定范圍,這就突破了以屈服極限作為門檻值的傳統(tǒng)強(qiáng)度準(zhǔn)則。 由于螺栓連接在其功能上有別于其他零件, 它的特殊性就是在大多數(shù)情況下, 在承受預(yù)緊力和工作載荷后產(chǎn)生彈性變形和一定程度的、局部的塑性變形,只要螺栓不斷裂、螺紋不脫扣、連接不松動(dòng)就不會(huì)影響連接的工作性能。這種變形之所以能在一定范圍內(nèi)允許存在, 就在于利用了螺栓材料機(jī)械性能的屈強(qiáng)比這一潛力, 而經(jīng)受不了安裝時(shí)摩擦系數(shù)、 扳手誤差等因素引起的擰緊力矩較大范圍的散差所帶來應(yīng)力較大范圍的變化,因此,運(yùn)用屈服點(diǎn)擰緊法時(shí),在安裝工藝上應(yīng)采用精準(zhǔn)的擰緊方法和精密的工具,達(dá)到防松的目的。
如轉(zhuǎn)向架下變壓器吊裝結(jié)構(gòu), 以彈性橡膠件結(jié)構(gòu)為例,8.8 級(jí)螺栓通過套筒與放置在底架邊梁上的滑塊連接,螺栓緊固力矩為275 N·m。 在螺栓緊固前,會(huì)在螺紋表面涂MoS2潤(rùn)滑脂,以降低并穩(wěn)定扭矩系數(shù),且保護(hù)螺栓連接不會(huì)造成螺紋損傷。 在制造流程中螺栓連接副摩擦系數(shù)試驗(yàn),規(guī)定達(dá)到扭矩系數(shù)平均值0.09~0.15,扭矩系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)偏差值應(yīng)≤0.010。 實(shí)施的目的為了減小螺紋部分摩擦力,使螺紋擰緊時(shí)達(dá)到規(guī)定的預(yù)緊力。
根據(jù)軌道交通車輛連接件之間、 擰緊場(chǎng)合和風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)以及螺栓連接所在部位, 其表面處理影響連接功能的可靠性及使用壽命, 扭矩系數(shù)K 是由內(nèi)外螺紋之間的摩擦系數(shù), 螺栓或螺母支撐面與被緊固零件與緊固件接觸的承壓面的摩擦系數(shù)綜合而成;它與緊固件的表面處理、抗拉強(qiáng)度、形位公差、螺紋精度、被緊固零件承壓面粗糙度、剛度等諸多因素有關(guān),其中表面處理是一個(gè)關(guān)鍵的因素。不同的表面處理其扭矩系數(shù)相差很大,有時(shí)相差近1倍。如: 同螺紋規(guī)格同強(qiáng)度的螺紋連接副表面處理為磷化時(shí)扭矩系數(shù)約為0.13~0.18,而表面處理為電鍍鋅時(shí),扭矩系數(shù)可達(dá)0.22~0.26。
眾所周知,螺栓連接最主要的腐蝕就是接觸腐蝕,應(yīng)選擇具有可控范圍的表面涂層。在車輛的某些部位,由于日常維修保養(yǎng)的原因,如車輛下抗側(cè)滾扭桿螺栓、底蓋板連接螺栓由于日常洗車, 清洗液會(huì)停留在靠近兩側(cè)裙板下邊緣的螺栓上,使螺栓連接周圍經(jīng)常處于潮濕狀態(tài);或由于運(yùn)行環(huán)境極端的惡劣,如車輛轉(zhuǎn)向架上的連接螺栓,現(xiàn)有采用涂隔離脂的方式, 在螺栓安裝達(dá)到規(guī)定預(yù)緊力后,將整個(gè)螺栓連接外露四周全部涂特定的隔離脂,以保護(hù)螺栓連接不受環(huán)境的影響,確保行車安全。
目前, 軌道交通車輛緊固件的表面涂層種類主要有電鍍鋅、粉末滲鋅、達(dá)克羅、特氟龍涂層等。
電鍍鋅是軌道交通車輛緊固件最常用的鍍層。 現(xiàn)行ISO 4042:2018《緊固件電鍍層》替代ISO 4042:1999(GB/T 5267.1—2002《緊固件電鍍層》)。電鍍鋅層成本低、外觀也較好看,可以有蘭白色、彩虹色、黑色、軍綠色,為了降低價(jià)格,一般緊固件電鍍鋅鍍層厚度采用(5~8)μm。
電鍍鋅層是典型的陽極性鍍層,發(fā)生腐蝕時(shí),陽極優(yōu)先溶解從而保護(hù)了基體材料。 軌道交通車輛緊固件鍍層厚度(8~14)μm,經(jīng)鉻酸鹽鈍化處理后,其防腐蝕性能大幅度提高,能抵抗(96~120)h 的中性鹽霧試驗(yàn),可用于中性的室外防護(hù)。 近年來發(fā)展的Zn-Ni、Zn-Fe、Zn-Co 電鍍層,尤其是Zn-Ni、Zn-Co 電鍍層,當(dāng)鍍層中Ni 含量為6%~10%時(shí)或Co 含量為0.4%~1.0%時(shí),(5~8)μm 的鍍層鈍化后,可取得極好的防腐蝕效果,可抗720h 以上的中性鹽霧試驗(yàn)。 但價(jià)格較貴,是一般鍍鋅的(5~8)倍[7]。
電鍍鋅加工過程易產(chǎn)生氫脆,10.9 級(jí)以上的螺栓不建議采用此工藝。 緊固件扭矩-預(yù)緊力一致性較差,且不穩(wěn)定,一般不用于軌道交通車輛重要部位的連接。為了改善扭矩-預(yù)緊力一致性,也可采用鍍后涂覆潤(rùn)滑物質(zhì)的方法改善和提高扭矩-預(yù)緊力一致性。
達(dá)克羅(Dacromet)是一種以鋅粉、鋁粉、鉻酸和去離子水為主要成分的防腐涂料, 國(guó)內(nèi)命名為鋅鉻涂層。 GB/T 5267.2—2017《緊固件非電解鋅片涂層》修改采用ISO 10683:2014《緊固件非電解鋅片涂層》。 達(dá)克羅涂層的防銹效果優(yōu)于傳統(tǒng)電鍍鋅、熱浸鍍鋅或涂料涂覆法。達(dá)克羅涂層具有多種性能: 如極強(qiáng)的抗腐蝕性, 比電鍍鋅提高(7~10)倍;無氫脆;高耐熱性,耐熱溫度300℃,特別適用于高強(qiáng)度緊固件。 達(dá)克羅涂層是用片狀金屬粉和有機(jī)物及添加劑在300℃左右條件下燒結(jié)成膜,軌道交通車輛緊固件達(dá)克羅膜厚(6~8)μm,采用三涂三烘等工藝,以保證其耐蝕壽命,以灰色和銀白色顏色為主,耐中性鹽霧試驗(yàn)必須≥600h。
在多次拆卸的螺栓中, 達(dá)克羅涂層的耐腐蝕不如電鍍鋅;由于涂層中含有毒的六價(jià)鉻,環(huán)保性差;達(dá)克羅的表面硬度不高、耐磨性不好,涂層的制品不適合與銅、鎂、鋁等合金和不銹鋼的緊固件接觸或連接, 因?yàn)樗麄儠?huì)產(chǎn)生接觸性腐蝕,影響螺栓表面質(zhì)量及防腐性能。
降低成本是推廣達(dá)克羅技術(shù)應(yīng)用于軌道交通車輛緊固件防腐的一個(gè)重要內(nèi)容。納米-鋅鋁復(fù)合涂料是以無機(jī)和有機(jī)混成原理制成,具有無機(jī)材質(zhì)的復(fù)合式材料結(jié)構(gòu),具有無機(jī)材質(zhì)的高硬度和耐磨損的特性。 在產(chǎn)品的制程中,以相當(dāng)精密的條件控制下,其組成分子分布介于(30~60)nm 之間,是一種相當(dāng)微細(xì)的納米涂料。 涂層具有高光澤、高透明的特點(diǎn);具有高硬度和優(yōu)異的耐磨損特質(zhì)。 在金屬防銹蝕功能上,不需要使用重金屬皮膜工藝,即可與金屬產(chǎn)生化學(xué)鏈結(jié),達(dá)到防腐防銹功能;與金屬所產(chǎn)生的鏈結(jié),在防腐防銹功能上,甚至?xí)葌鹘y(tǒng)高分子涂料具有更好的抗氧化性能。 若以適當(dāng)方式涂裝, 膜厚可控制在3μm 以下。 自干型涂液,在室溫下自然固化(最少8h),膜厚在8μm 可耐中性鹽霧試驗(yàn)≥1000h;而封閉涂液,工件使用后不可再重涂,可在較低溫(160~180)℃×(20~30)min烘烤固化,且一涂一烘就可耐中性鹽霧試驗(yàn)≥1000h。
特氟龍(Teflon)是一種以聚四氟乙烯(PTFE)為基體樹脂的涂料,一般稱作“不粘涂層”,是使用氟取代聚乙烯中所有氫原子的人工合成高分子材料。 該材料具有抗酸抗堿、抗各種有機(jī)溶劑的特點(diǎn),幾乎不溶于所有的溶劑,可以保護(hù)緊固件免于遭受任何種類的化學(xué)腐蝕。同時(shí),聚四氟乙烯具有耐溫的特點(diǎn),一般在(240~260)℃之間可連續(xù)使用,具有顯著的熱穩(wěn)定性,它也可以在冷凍溫度下工作而不脆化。 其摩擦系數(shù)極低,所以可起到潤(rùn)滑作用,因此也成為了軌道交通車輛連接件的理想涂料。
粉末滲鋅是利用加熱狀態(tài)下金屬原子的滲透擴(kuò)散作用,在基體金屬?zèng)]有相變的條件下,將金屬鋅滲入鋼件表面,形成不同Zn-Fe 比例的合金保護(hù)層(簡(jiǎn)稱為滲層)。粉末滲鋅滲層厚度均勻性好,厚度一般在(15~130)μm,涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度和防腐性能在鍍鋅層中是最好的,硬度高、耐磨損和抗劃傷能力強(qiáng)。滲鋅涂層鋅鐵合金的顯微硬度一般為(250~400)HV0.3,是目前鋅涂層中硬度最高的,不影響高強(qiáng)度緊固件的力學(xué)性能。
滲鋅技術(shù)的質(zhì)量控制目前主要參照ASTM A1 059/A1 059H:2008《鋼鐵緊固件、五金器具及其他產(chǎn)品上鋅合金熱擴(kuò)散涂層》和GB/T 35505-2017《鋼結(jié)構(gòu)件滲鋅耐蝕作業(yè)質(zhì)量控制評(píng)定技術(shù)規(guī)范》。
隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展,城鎮(zhèn)化速度不斷加快,城市軌道交通需求量增大。 軌道交通車輛可靠的螺栓連接保證了列車的安全運(yùn)行,采用TB/T 3246,對(duì)螺栓的選用、設(shè)計(jì)與技術(shù)研發(fā),有詳細(xì)和明確的定義,它提供了城市軌道交通車輛可靠的理論依據(jù)。 當(dāng)今軌道交通車輛緊固件所面臨的短板現(xiàn)實(shí), 創(chuàng)新能力弱和基礎(chǔ)不強(qiáng)仍然是主要制約因素之一,車輛高強(qiáng)度螺栓國(guó)產(chǎn)化的難點(diǎn)主要問題大致有:
螺栓性能不均勻、 散差大, 安裝時(shí)或使用中扭矩衰減,易造成早期失效;若過分強(qiáng)調(diào)預(yù)緊力,過大的安全系數(shù),導(dǎo)致螺栓不能發(fā)揮其材料效能,造成螺栓使用時(shí)的浪費(fèi)和生產(chǎn)成本的增加,匹配不當(dāng)。
電鍍鋅防腐性能差、達(dá)克羅涂層脫落等。由于機(jī)車對(duì)零部件表面防腐性能要求極高, 可以優(yōu)先選用表面涂防腐蠟、鋅鎳滲層、非電解鋅鋁涂層等,并組織技術(shù)攻關(guān),產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合以提高表面保護(hù)等級(jí)。
期待技術(shù)上有所突破,以解決發(fā)展中的難題,爭(zhēng)取在三年內(nèi)實(shí)現(xiàn)完全國(guó)產(chǎn)化, 為實(shí)現(xiàn)交通強(qiáng)國(guó)做出新的更大貢獻(xiàn)。