動車組螺栓擰緊防松及表面處理方法研究

李 暢，呂志龍，周安德

（中車株洲電力機車有限公司，1、工程師，2、3，高級工程師，湖南 株洲412001）

0 引言

由于動車組結構的特殊性，動車組車輛上的變壓器、制動風缸、水箱等較重的設備全部使用高強度螺栓安裝在車輛底架上［1］。所以，螺栓連接是動車組產品裝配過程中一個重要項點，只有保障螺栓連接的質量，才能夠使得整個動車組產品裝配的質量得到提升。相較于歐洲、日本等，中國的軌道交通研究起步較晚，對軌道車輛用的螺栓連接的研究與國外還存在差距。比如公司目前擰緊扭矩的控制直接照搬過去車型而缺少針對具體車型及應用的分析，這樣容易導致螺栓使用過程中的失效。螺栓不恰當的表面處理方法輕者會導致螺栓過早腐蝕導致壽命降低，重者會引起螺栓失效進而引發安全事故。螺栓的失效在整車產品中最不起眼，但是螺栓失效引起的影響和危害卻很大［2］。在動車組整車裝配生產過程中應用了大量的螺栓連接，所以針對動車組目前的螺栓應用情況很有必要對螺栓連接擰緊防松及表面處理方法進行研究。

1 螺栓擰緊的方法

螺栓擰緊的實質是控制螺栓連接的預緊力，以防止螺栓承受工作載荷后在螺栓與被連接件的結合面產生滑移或縫隙，從而導致螺栓連接失效的問題。目前螺栓常用的預緊力的控制方法主要有四種：扭矩法、轉角法、屈服點控制法和螺栓預伸長法。

1.1 扭矩法扭矩法對螺栓進行擰緊的原理是控制作業人員施加的扭矩，通過對扭矩的間接控制實現對擰緊力的控制及施加。目前這種方法是在實際生產制造過程中最經常使用的方法，鐵道行業標準也對不同直徑螺栓施加的扭矩給出了參考值，扭矩法是目前最成熟、最系統的預緊力控制方法。

研究及實際使用經驗表明，作業人員在螺栓上施加的扭矩只有10%左右的做功用來產生螺栓連接的預緊力［3-5］，而其余90%左右的能量轉化為摩擦熱散失。這是因為在給螺栓施加扭矩做功時，螺栓頭與被連接件表面的摩擦，螺紋旋合時的摩擦消耗了大概九成的能量，因此摩擦系數的存在對螺栓擰緊力造成了很大影響。采用扭矩法擰緊螺栓的優點是控制預緊力直觀、簡單、易行，僅僅使用有讀數功能的扭矩扳手即可完成預緊力的施加，可以方便的達到標準規定的扭矩值，而且可以方便的對扭矩值進行檢驗，即存在可檢驗性。如上所述，摩擦系數對施加的扭矩所做的功有很大干擾，這樣就導致了對擰緊力的控制不夠精確，這是使用扭矩法擰緊螺栓最大的劣勢。

1.2 轉角法所謂的轉角法就是研究螺栓擰緊時扳手轉動的角度與螺栓變形的關系的方法。由于螺栓和被連接件的材料存在彈性變形，在扳手轉動時會造成其相應的伸長和壓縮，通過研究變形量和轉動角度的比例關系來控制擰緊力的大小，使安裝人員操作扳手旋轉一定的角度來實現特定預緊力［6］。需要注意的是旋轉角度開始測量的點，應該是在螺栓與被連接剛好貼合時開始計算。因此轉角法只是以旋轉角度作為控制對象，從而摩擦力對預緊力的干擾就可以忽略，故而理論上轉角法的控制精度要比扭矩法高很多。但是這種操作方法需要專用的設備，造成了安裝的成本增加且轉角法沒有可檢驗性。在實際應用時緊貼連接的分界點很難控制，對于被聯接件和緊固件剛性較大的場合，預緊力的離散度就會很大，控制精度就會受到限制，因而實際的擰緊精度和扭矩法差不多。

1.3 屈服點控制法屈服點控制法的控制思路是用計算機實時測算擰緊時螺栓材料的屈服點，將預緊力控制在螺栓的屈服點附件位置，以達到精確控制預緊力大小和最大化的利用螺栓材料強度的目的。顯然屈服點控制法有著扭矩法和轉角法無以比擬的控制精度，獲得的預緊力數值的精度可以控制在95%以上，而且可以充分利用材料性能。但是專用的安裝設備價格不菲，提高了螺栓裝配成本，同時，在空間不足的地方還無法應用。此外，在使用屈服點控制法時，如果計算機受外界因素干擾而不能準確測得屈服點時，存在將螺栓拉斷的風險，這對屈服強度和抗拉強度相差不大的螺栓材料來說風險性更大。

1.4 螺栓伸長量控制法該控制法的原理是通過安裝設備發出的超聲波測量擰緊時螺栓的伸長量來控制施加的預緊力。此方法和屈服點控制法有異曲同工之妙，都是采用專用設備測量材料本身的屬性來達到控制擰緊力的目的，都有著很高的控制精度。伸長量控制法測量的是螺栓的微變形，與擰緊時的摩擦無關。但是其缺點也是需要專門的控制工具，使用環境受到限制。

通過分析可知預緊力的四種控制方法中，除了扭矩法均需要專用的擰緊設備進行作業，其生產成本較高。由于扭矩法控制預緊力成本低、使用范圍廣、操作方便及其可檢測性，目前在國內除了對預緊力有很高要求的應用場合采用專用設備擰緊外，應用最廣的依然是扭矩法，也是中車株洲電力機車有限公司（以下簡稱公司）使用最為廣泛的方法。

2 螺栓連接的防松

螺栓在使用一段時間后受工作設備震動或工作環境溫度、濕度的影響而產生蠕變時，預緊力會出現下降情況進而導致螺栓松動。螺栓連接的失效會導致列車發生不可估量的財產損失，嚴重時會造成人員傷亡，所以很有必要對螺栓連接進行防松處理。根據螺栓防松機理的不同可以分為摩擦防松、機械防松和破壞螺旋副運動關系防松等。

摩擦防松是利用螺栓和被連接件之間的摩擦力來實現防松目的；其原理是盡可能的給螺紋副間施加大的正壓力，從而產生足夠大的摩擦力以防止螺栓連接發生松扣現象。實際應用時為了獲得更大的正壓力，通常會在螺栓與被連接件之間使用彈墊、對頂螺母、自鎖螺母等部件，一方面可以增大連接正壓力，另一方面可以分散被連接件承壓面的應力集中，防止壓潰現象。機械防松是采用添加機械聯動件的方法防止旋合的螺紋松動，常用的聯動件有開口銷、串連鋼絲和止動墊圈等。根據工業應用上的使用經驗，對于螺栓在設備內部安裝而不易檢查維護的連接，適合采用機械防松［7］。值得注意的是聯動件沒有預緊力，只有當螺母松動至與聯動件接觸后才能起到防松的目的，因此機械防松是一種被動的防松方法。破壞螺旋副運動關系防松，是要直接破壞螺栓安裝后的連接關系，比如采用沖鉚、焊接等人為手段使螺紋連接遭到損壞，徹底使其喪失運動能力。因此這種防松方法是一次性的螺栓使用行為，是不能達到拆卸保養目的的一種做法，實際應用場合并不多。

由于摩擦防松方法簡單，操作方便，維護時拆卸簡單，成本低，所以目前在公司使用最廣泛的防松方法是摩擦防松。

3 螺栓的表面處理方法

動車組上所用的螺栓都是由碳鋼、合金鋼制成，其表面涂層影響連接件功能的可靠性及其壽命，選擇涂層時通常需要考慮的因素有：防腐蝕性能，不僅需要注意電化學的電壓等級，還需考慮一切有關材料及涂層的實際腐蝕性能；涂層影響安裝時達到的預緊力，應選擇具有確定的狹窄摩擦系數范圍的涂層。動車組螺栓連接常用的表面處理方法有以下所述的幾種。

3.1 鈍化和磷化處理所謂的鈍化就是在鈍化液中發生化學反應形成一層氧化膜，此方法成本低，防銹效果比涂油好，穩定鍍層性能，并提高耐蝕性；磷化處理就是將螺栓置于磷化液中形成一層薄膜，在螺栓安裝時要與防銹油配合使用。磷化膜的防腐性能對所涂的防銹油的質量有較大的依賴作用。同時，磷化膜表面粗糙、不耐磨，也不能承受沖擊與彎曲。但是磷化膜有較好的扭矩-預緊力一致性，即可以較好的將安裝扭矩轉化為預緊力。另外，磷化處理可以使高強度螺栓在表面處理時避免發生氫脆問題，所以10.9 級以上的高強度螺栓一般采用磷化的表面處理方法。

3.2 發黑處理由于發黑處理是成本最低的表面處理方法，所以發黑+涂油的方式是螺栓表面處理中比較常用的方法。但是發黑幾乎無防銹能力，所以無油后它很快就會發生腐蝕。發黑處理的螺栓扭矩轉換為預緊力的能力很差，通常在裝配時在內處螺紋上涂抹油脂后再旋合，因此發黑處理比較依賴防銹油。

3.3 電鍍鋅及滲鋅處理電鍍鋅的鍍層厚度為5～30 μm，具有成本低、工藝簡單、外觀好看（有亮黃、銀白、黑、軍綠等色）等優點，是目前最常用的鍍層處理方法。但是，其防腐性能一般，加工過程易產生氫脆，10.9級以上的螺栓一般不采用鍍鋅處理；滲鋅處理的鍍層厚度一般為10～110 μm，并且誤差可控制在10%左右。鍍層均勻性好，螺紋、盲孔內都能獲得均勻層，不會產生氫脆。它與基體的結合強度和防腐性能在鋅涂層中是最好的，其加工過程無污染，環保性比較好。但粉末滲鋅處理方法生產耗時較長，導致了生產成本的增加。

3.4 達克羅表面處理達克羅又稱鋅鉻涂層，涂層厚度約6～10 μm，呈銀灰色。有極好的耐腐蝕性（是電鍍鋅的5～8 倍）、滲透性、附著性，無氫脆特性，具有非常優良的耐蝕性和高溫化學穩定性。但是涂層硬度低、耐磨性差，二次裝配容易使鍍層破壞，使耐蝕性降低［8］。在多次拆卸的螺栓中，達克羅涂層的耐蝕性不及滲鋅層。此外，涂層中含有毒的Cr6+，環保性差。整體上說，達克羅技術是目前綜合性能最好的表面處理方法，也比較適用于高防腐要求的高強度緊固件。

目前動車組螺栓連接最常用的表面處理方法是成本較低的磷化和發黑處理，在易腐蝕環境下使用的螺栓，比如動車組車底水箱的安裝會采用鍍鋅處理的螺栓連接。達克羅起源于美國，后經日本于90年代傳入中國，是相對較先進的表面處理工藝，目前在汽車工業上已有應用，以后在軌道交通車輛上也會是一個發展方向。目前公司的動車組設備還采用了大量的不銹鋼螺栓連接，為了提升車輛的美觀性，建議司機室內、客室內等人機界面采用發黑處理的不銹鋼材質的螺栓進行部件安裝連接。

4 結語

本文分析論證螺栓不同的擰緊及防松方法，在公司的實際生產過程中得到驗證和認同，推動扭矩法和摩擦防松法等具有控制成本低、可檢驗性、操作和維護便利性等優點的方法在公司廣泛運用。同時本文分析了螺栓不同的表面處理方法的特點，指出了達克羅是動車組螺栓將來表面處理的發展方向，對于改變目前國內在軌道交通車輛所用螺栓連接研究相對滯后發達國家狀況，或能起到拋磚引玉集思廣益作用。