接觸網螺栓緊固力矩應用淺析

趙正路，閆軍芳

0 引言

接觸網是一種無備用的戶外供電設備，經常受冰、風等惡劣氣象條件的影響。相對于普速鐵路，高速鐵路接觸網振動幅度顯著加大，雙弓運行更增加了接觸網振動的復雜性。國內大部分電氣化鐵路接觸網采用大量的螺栓連接形式，為保證緊固質量，不同零部件螺栓規定了不同的緊固力矩值，但在運營中，還是經常發生因螺栓連接預緊力不足，螺栓產生松動，或者緊固力矩過高，螺栓失效，造成弓網事故，影響行車，降低了接觸網的可靠性。因此，對接觸網零部件螺栓緊固力矩進行分析，對提高接觸網施工和維修水平是非常必要的。

1 螺栓連接的受力情況

接觸網零部件螺栓連接受力情況有以下幾種：

（1）只受預緊力的螺栓連接，即只在螺栓的軸向受力，如：吊弦線夾螺栓、棒式絕緣子的壓板U 螺栓、承力索座壓緊螺栓、中心錨結線夾緊固螺栓等。

該種結構承受垂直于螺栓軸線的橫向工作載荷F，螺栓桿與孔間有間隙。所受的橫向載荷依靠被連接件結合面間的摩擦力來傳遞。因此，在施加工作載荷后，螺栓所受拉力不變，還是等于F′（圖1）。為了加大結合面間的壓力，盡量加大螺栓預緊力（壓力），預緊力達螺栓屈服強度的78%，在沖擊環境中工作不可靠，緊固件制造成本高，安裝要求高；因螺栓所受拉應力高，出現螺栓延遲斷裂的可能性較大。

圖1 只受預緊力的螺栓連接圖

（2）受剪切力的螺栓連接，即螺栓承受軸向緊固力和橫向的工作載荷，螺栓受力表現在剪切、預緊力（圖2）。如：腕臂下底座連接螺栓、棘輪下錨底座固定螺栓等。工作時，螺栓除受預緊力外，還承受垂直螺栓方向的工作載荷。

圖2 受剪切力的螺栓連接圖

（3）受軸向力的螺栓連接，即螺栓的軸向受力，受預緊力和軸向工作載荷的螺栓連接（圖3）。如：下錨底座連接螺栓、支柱地腳螺栓、定位管兩端的套管單耳U 螺栓、定位器支座U 螺栓等。工作時，螺栓除受預緊力外，還承受工作載荷。

圖3 受軸向力的螺栓連接圖

（4）受剪切和軸向力的螺栓連接，即螺栓承受軸向緊固力和垂直于軸向的工作載荷，如：腕臂上底座螺栓、拉線底板固定螺栓等。工作時，螺栓除受預緊力外，還承受工作載荷。

上述情況（1）和（3）中受力是采取受拉螺栓連接，也可采用受剪螺栓連接，情況（2）和（4）中受力情況采取受剪螺栓連接。在接觸網零部件中，采用受拉螺栓連接居多，按國家標準選用的螺栓也為受拉螺栓，下文以此為例進行分析。

2 扭矩與擰緊原理

2.1 擰緊過程中各量的變化

在螺栓擰緊時，總體受力情況是螺栓受拉，連接件受壓；在整個擰緊過程中，受力的大小是不同的，大體分為4 個階段：

（1）開始擰緊時，由于螺栓未靠座，故壓緊力F 為零；但由于存在摩擦力，故扭矩T保持在一個較小的數值。

（2）當靠座后（Z 點），真正的擰緊才開始，壓緊力F 和擰距T 隨轉角A的增加而迅速上升。

（3）達到屈服點，螺栓開始塑性變形，轉角增加較大而壓緊力和扭矩卻增加較小，甚至不變。

（4）再繼續擰緊，力矩T 和壓緊力F 下降，直至螺栓產生斷裂。

圖4 緊固過程力矩和壓緊力變化曲線圖

2.2 緊固力矩值的確定

螺栓連接件接觸面積通常大于螺栓的截面積，在螺栓緊固過程中，隨著緊固力矩的加大，一般發生螺栓拉斷，不會發生連接件壓裂，因此，緊固力矩值主要取決于螺栓強度，而螺栓與螺母強度應相配，在連接強度校核時，一般只校核螺栓的強度。特殊情況下，需要考慮連接件，如承力索吊弦線夾、接觸線吊弦線夾，連接件為片狀結構，受壓過度將發生變形，造成連接失效。對螺栓的特性進行分析，為保證螺栓獲得較大的緊固力矩，而又不使螺栓發生塑性變形，因此螺栓緊固力矩值應處于彈性區域內，即抗拉強度在50%～85%之間。如：M10 的不銹鋼螺栓的緊固力矩為25 N·m，M16 的普通碳素鋼（Q235A）螺栓的緊固力矩為70 N·m。

圖5 螺栓特性曲線圖

2.3 螺栓的標識

碳鋼螺栓的等級分為3.6、4.6、4.8、5.6、6.8、8.8、9.8、10.9、12.9 等10 余個等級，小數點前后的數字分別表示螺栓材料的公稱抗拉強度和屈強比，例如：標記8.8 級螺栓表示材料的抗拉強度達到800 MPa，屈強比為0.8 即其屈服強度達到800×0.8 = 640 MPa；不銹鋼螺栓的等級分為45、50、60、70、80，材料主要分奧氏體A1、A2、A4，馬氏體和鐵素體C1、C2、C4，其表示方法例如：A2-70，“-”前后分別表示螺栓材料奧氏體不銹鋼，抗拉強度為700 MPa。

2.4 摩擦力與壓緊力對壓緊的影響

扭矩等于力乘以力臂，同一力矩值，由于摩擦系數值的不同，壓緊力可能相差很大。所以，摩擦系數對壓緊力的影響是非常大的。這里的摩擦系數主要是指螺紋接觸面、螺栓與被連接件支撐面間的摩擦系數。一般接觸網零部件螺栓大約90%的扭矩被摩擦力消耗，只有10%的扭矩轉化為夾緊力。

3 緊固力矩工藝要求

（1）凡規定使用力矩扳手緊固的接觸網零部件，安裝時必須全程使用力矩扳手緊固，不得使用活動（棘輪）扳手或無力矩的緊固工具緊固。

（2）使用力矩扳手對零部件緊固時，必須先調整力矩至標稱緊固力矩值，然后將手柄上的鎖環鎖死，再進行緊固。

（3）力矩扳手在使用時應緩慢平穩地施加扭力，嚴禁施加沖擊扭力。施力時手握緊手柄，并以垂直扭力扳手的方向用力。使用力矩扳手時不得傾斜手柄，隨阻力的不斷增加，施力的速度應放緩，當達到標稱力矩值后立即停止施力。

（4）使用力矩扳手時不得在力矩扳手尾端加接套管。

（5）3 個以上螺栓連接的零部件力矩緊固要求：

機械連接的零部件（支柱地腳螺栓、拉線底板固定螺栓、棘輪底座固定螺栓等），按設計規定的順序，由中心向兩側交替施加扭矩，扭矩遞增值不應超過標稱值的40%，根據力矩緊固的標稱值逐步遞增力矩，循環3 次及以上后力矩緊固達到規定值。緊固力矩超過50%的標稱值后，應均勻緩慢進行緊固，不應有沖擊；電氣連接的零部件接頭線夾、中心錨結夾板、并溝線夾等，按設計規定的順序，由中心向兩側交替施加扭矩，可只進行一次循環緊固使力矩達到規定值。

4 擰緊力矩的檢測

根據螺栓連接的受力情況不同，對螺栓擰緊力矩應采用不同的方法檢測，一般可分為力矩扳手檢測法和目測法2 種。力矩扳手檢測法適用于擰緊過程完成但未承受工作負荷，或只承受預緊力和受剪切的螺栓，具體檢測方法主要有緊固檢測、標記檢測和松開檢測3 種不同形式。目測檢測法適用于安裝完成且受軸向力的螺栓連接，由于軸向工作載荷的影響，工作中的實際力矩和安裝時的緊固力矩偏差較大，對于下錨補償裝置等接觸網關鍵零部件受力螺栓，如采用力矩檢測的方法，有可能發生接觸網脫落的危險，只能采用目測法，用眼睛觀察螺栓和連接件間是否密貼、螺紋是否有松動痕跡來評判，也可在緊固完成后在已經擰緊的位置做一個標記，以后只檢查標記是否改變即可。

（1）緊固檢測：對已經擰緊的螺栓用力矩扳手沿螺栓的擰緊方向再施加一個逐漸增大的扭矩，直至螺栓再一次產生擰緊運動，讀出此時的瞬間值。采用該方法檢測，其扭矩偏差為實際扭矩的-5%～20%。

（2）標記檢測：在已經擰緊的位置做一個標記，將螺栓擰松之后再次緊固，讀出再擰緊到原來位置時的扭矩值。采用該方法檢測，該扭矩偏差為實際扭矩的-12%～5%。對不允許重復擰緊的螺栓嚴禁使用該方法。

（3）松開檢測：將擰緊的螺栓用力矩扳手松開，讀出松開時的瞬間值。采用該方法監測，由于螺紋升角的關系，松開的扭矩比擰緊的扭矩要小，一般要差30%左右。該檢測方法誤差較大，很少采用。

5 結語

為減少接觸網零部件發生螺栓連接故障，接觸網在施工時普遍采用物流預配中心模式，統一配置腕臂、吊弦預配作業平臺、力矩扳手等精準儀器設備，做到了“測量精確化、計算微機化、預配工廠化、安裝標準化”。推行腕臂組裝和吊弦制作的工廠化流水預配，實現了“高空作業地面化、野外作業室內化、緊固作業力矩化”的施工新方式。大大減少了接觸網“松、脫、斷、裂”等故障的發生，提高了接觸網的可靠性和安全性。

[1] 周潤分.緊固件連接設計手冊[K].北京：國防工業出版社，1990.

[2] 徐孝恩.螺紋標準與檢驗手冊[K].北京：中國計量出版社，1991.