軌道交通車輛緊固件的防松設計與表面處理

張九高

（上海申通軌道交通研究咨詢有限公司， 上海 200070）

0 引言

軌道交通車輛結構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行所必須的功能，又確保車體結構重要部件的互換性要求。由于結構的特殊性，車輛上的變速器、制動風缸、水箱等較重的設備均使用高強度螺栓安裝在車輛底架上。 如國內8 輛編組的高速動車組轉向架， 均采用8.8 級及以上的高強度螺栓，規格有M16、M20、M24 和M36 等，全列數量達到約650 顆。 軌道交通車輛設計中螺栓的選用執行TB/T 3246.1—2019《機車車輛螺栓連接設計準則第1 部分：螺栓連接的分類》、TB/T 3246.2—2019 《機車車輛螺栓連接設計準則第2 部分：機械應用設計》和TB/T 3246.6—2019《機車車輛螺栓連接設計準則第6 部分： 連接尺寸》[1-3]。本文將從緊固件的選用、防松設計、表面處理等方面進行簡單介紹， 讓有關人員了解軌道交通車輛緊固件的防松設計與表面處理現狀。

1 螺栓緊固件的選擇

軌道交通車輛TB/T 3246.1—2019 《機車車輛螺栓連接設計準則第1 部分：螺栓連接的分類》和TB/T 3246.2—2019《機車車輛螺栓連接設計準則第2 部分：機械應用設計》 規定螺紋連接中緊固件應為符合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。 在轉向架部分包括構架、輪對、懸掛、牽引和制動系統，連接螺栓主要規格為M12、M16、M20、M24、M30 和M36，其中少量為細牙螺栓。 根據螺栓使用位置，分析螺栓的受力工況， 設計出合適的強度等級， 主要為8.8 級和10.9 級，對于12.9 級等級強度盡量不采用，12.9級強度螺栓易產生氫脆導致的延遲性破壞。 由于緊固件數量較多，為了盡量減少其使用種類，設計規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度等級。

在軌道交通車輛中緊固件主要參照以下標準， 螺栓必須符合GB/T 3098.1《緊固件機械性能 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、陰極保護和表面涂裝。 綜合性價比原因，碳鋼、合金鋼緊固件在軌道交通車輛得到了最廣泛的應用， 而耐蝕性較好的鋁合金及不銹鋼由于力學性能不能完全滿足要求， 且價格相對昂貴，主要用在內飾區域。

2 螺栓防松設計

2.1 螺栓連接部件的風險要素

軌道交通車輛的靜強度和疲勞強度的載荷定義根據EN 12663，通過有限元FEM 可以計算出螺栓連接部位的載荷，根據TB/T 3246.6 預選螺栓連接的尺寸。 首先，根據構件螺栓連接的部位， 載荷的大小以及是否影響行車安全來定義風險等級。 TB/T 3246.1 中風險等級分為高、中、低。其中被定義為高風險等級的螺栓連接，即螺栓連接發生故障失效時，產生直接或間接的身體和生命危險和/或運行危險，必須在圖紙中加以說明，以確保在螺栓擰緊過程中， 預緊扭矩及其公差以及擰緊后的檢查都得到嚴格地控制。

對于螺栓連接的功能而言，TB/T 3246.1 要求必須存在一定的預緊力Fm。預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度，增強連接的緊密性和剛性[4]。通常生產實施螺栓連接時采用的是扭矩法， 即采用定扭矩扳手控制裝配時螺栓的扭矩， 因此要求螺栓伸長率必須在彈性極限范圍內。

預緊力的設計計算主要依據VDI 2230-1：2015《高強度螺栓連接的系統計算 圓柱形旋入式連接》， 來驗證螺栓連接的預緊力是否滿足靜強度要求。

2.2 螺栓連接的防松

螺栓連接件在變載荷、 振動， 甚至工作溫度的影響下，會產生變形或者發生蠕變，從而因預緊力的下降而導致螺栓連接出現松動， 使螺栓中的交變應力比未松動時將大大增加，并且在受力過程中產生沖擊，使得螺栓連接的螺紋出現疲勞破壞。

在軌道交通車輛的設計中， 根據螺栓連接部位不同的風險等級和擰緊場合，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， 以產生一個可以阻止連接副相對轉動的摩擦力。 不隨外力變化的此正壓力可通過軸向或同時兩向壓緊連接副來實現防松。

二類機械防松。使用止動件開口銷、串連鋼絲和止動墊圈等防松方式，直接限制連接副的相對轉動，由于止動件沒有預緊力， 當螺母松退到止動位置時防松止動才能起作用，這實際上不防松而是防止脫落的方式。

三類鉚沖防松。當連接副擰緊后采用焊接、沖點和粘接等方法，使螺紋失去運動特性而成為不可拆連接。此方式的缺點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，不可重復使用。

四類結構防松。它是利用螺紋連接副的自身結構，防松可靠，可重復使用，拆裝方便[6]。

前三類防松技術主要依靠第三者力進行防松， 主要是利用摩擦力，而第四類是新型防松技術，如楔入式鎖緊結構或可變楔形螺紋等。

2.3 螺栓擰緊的方法

螺栓擰緊的實質是控制螺紋連接的預緊力， 為確保裝配的質量，必須對螺紋副的擰緊狀態予以控制，以避免螺栓與被連接件的結合而產生滑移或縫隙， 從而導致螺紋副連接失效[5]?，F今用于控制螺紋擰緊的方法主要有扭矩法、轉角法、屈服點法等。

（1）扭矩法。扭矩法就是利用扭矩與預緊力的線性關系在彈性區進行緊固控制的一種方法。該方法在擰緊時，只對一個確定的緊固扭矩進行控制，因此，該方法操作簡便，是一種常規的擰緊方法。 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， 真正作用在軸向預緊力方面僅10%左右， 預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）轉角法。轉角法就是在擰緊時將螺栓于螺母相對轉動一個角度，稱之為緊固轉角，把一個確定的緊固轉角作為指標來對初始預緊力進行控制的一種方法。 該擰緊方法可在彈性區和塑性區使用。 Q-F 曲線斜率急劇變化時， 隨著緊固轉角的設定誤差， 預緊力的離散度也會變大。 因此，在被連接件和螺栓剛性較高的場合，對彈性區的緊固是不利的；在塑性區緊固時，初始預緊力的離散度主要取決于螺栓的屈服點，而轉角誤差對其影響不大，故該緊固方法具有可最大限度地利用螺栓強度的優點 （即可獲得較高的預緊力）。

轉角法是將螺栓的預緊力控制在達到或接近屈服強度的先進工藝方法，它克服了傳統扭矩法的設計中，軸向力大小分散、材料浪費、連接笨拙和可靠性差的缺點，故理論上轉角法的控制精度要比扭矩法高很多， 工藝參數要求嚴格，且對擰緊工具的功能要求特別高，同扭矩法相比，其工裝設備的價格要高出數倍甚至數10 倍，通常比較重要的部位才采用此方法安裝。

（3）屈服點法。 屈服點擰緊法就是在裝配擰緊時，螺栓受到的預緊應力達到螺栓材料的屈服極限， 從而充分發揮其承載潛力的方法。 這是一個包括螺栓連接強度設計準則在內的設計、制造、安裝和維修等方面觀念上發生了變化的大問題。

屈服點擰緊法的特性及應用條件， 安裝擰緊后螺栓受的預緊應力已達到了屈服極限，再加上工作載荷，螺栓所受到的總應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強度準則。 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情況下， 在承受預緊力和工作載荷后產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、連接不松動就不會影響連接的工作性能。這種變形之所以能在一定范圍內允許存在， 就在于利用了螺栓材料機械性能的屈強比這一潛力， 而經受不了安裝時摩擦系數、 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力較大范圍的變化，因此，運用屈服點擰緊法時，在安裝工藝上應采用精準的擰緊方法和精密的工具，達到防松的目的。

2.4 防松案例

如轉向架下變壓器吊裝結構， 以彈性橡膠件結構為例，8.8 級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，會在螺紋表面涂MoS2潤滑脂，以降低并穩定扭矩系數，且保護螺栓連接不會造成螺紋損傷。 在制造流程中螺栓連接副摩擦系數試驗，規定達到扭矩系數平均值0.09～0.15，扭矩系數標準偏差值應≤0.010。 實施的目的為了減小螺紋部分摩擦力，使螺紋擰緊時達到規定的預緊力。

3 螺栓連接的表面處理

根據軌道交通車輛連接件之間、 擰緊場合和風險等級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K 是由內外螺紋之間的摩擦系數， 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綜合而成；它與緊固件的表面處理、抗拉強度、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，其中表面處理是一個關鍵的因素。不同的表面處理其扭矩系數相差很大，有時相差近1倍。如： 同螺紋規格同強度的螺紋連接副表面處理為磷化時扭矩系數約為0.13～0.18，而表面處理為電鍍鋅時，扭矩系數可達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，由于日常維修保養的原因，如車輛下抗側滾扭桿螺栓、底蓋板連接螺栓由于日常洗車， 清洗液會停留在靠近兩側裙板下邊緣的螺栓上，使螺栓連接周圍經常處于潮濕狀態；或由于運行環境極端的惡劣，如車輛轉向架上的連接螺栓，現有采用涂隔離脂的方式， 在螺栓安裝達到規定預緊力后，將整個螺栓連接外露四周全部涂特定的隔離脂，以保護螺栓連接不受環境的影響，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、達克羅、特氟龍涂層等。

3.1 電鍍鋅

電鍍鋅是軌道交通車輛緊固件最常用的鍍層。 現行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，發生腐蝕時，陽極優先溶解從而保護了基體材料。 軌道交通車輛緊固件鍍層厚度（8～14）μm，經鉻酸鹽鈍化處理后，其防腐蝕性能大幅度提高，能抵抗（96～120）h 的中性鹽霧試驗，可用于中性的室外防護。 近年來發展的Zn-Ni、Zn-Fe、Zn-Co 電鍍層，尤其是Zn-Ni、Zn-Co 電鍍層，當鍍層中Ni 含量為6%～10%時或Co 含量為0.4%～1.0%時，（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。 但價格較貴，是一般鍍鋅的（5～8）倍[7]。

電鍍鋅加工過程易產生氫脆，10.9 級以上的螺栓不建議采用此工藝。 緊固件扭矩-預緊力一致性較差，且不穩定，一般不用于軌道交通車輛重要部位的連接。為了改善扭矩-預緊力一致性，也可采用鍍后涂覆潤滑物質的方法改善和提高扭矩-預緊力一致性。

3.2 達克羅

達克羅（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， 國內命名為鋅鉻涂層。 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》。 達克羅涂層的防銹效果優于傳統電鍍鋅、熱浸鍍鋅或涂料涂覆法。達克羅涂層具有多種性能： 如極強的抗腐蝕性， 比電鍍鋅提高（7～10）倍；無氫脆；高耐熱性，耐熱溫度300℃，特別適用于高強度緊固件。 達克羅涂層是用片狀金屬粉和有機物及添加劑在300℃左右條件下燒結成膜，軌道交通車輛緊固件達克羅膜厚（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，耐中性鹽霧試驗必須≥600h。

在多次拆卸的螺栓中， 達克羅涂層的耐腐蝕不如電鍍鋅；由于涂層中含有毒的六價鉻，環保性差；達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， 因為他們會產生接觸性腐蝕，影響螺栓表面質量及防腐性能。

降低成本是推廣達克羅技術應用于軌道交通車輛緊固件防腐的一個重要內容。納米-鋅鋁復合涂料是以無機和有機混成原理制成，具有無機材質的復合式材料結構，具有無機材質的高硬度和耐磨損的特性。 在產品的制程中，以相當精密的條件控制下，其組成分子分布介于（30～60）nm 之間，是一種相當微細的納米涂料。 涂層具有高光澤、高透明的特點；具有高硬度和優異的耐磨損特質。 在金屬防銹蝕功能上，不需要使用重金屬皮膜工藝，即可與金屬產生化學鏈結，達到防腐防銹功能；與金屬所產生的鏈結，在防腐防銹功能上，甚至會比傳統高分子涂料具有更好的抗氧化性能。 若以適當方式涂裝， 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≥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≥1000h。

3.3 特氟龍涂層

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、抗各種有機溶劑的特點，幾乎不溶于所有的溶劑，可以保護緊固件免于遭受任何種類的化學腐蝕。同時，聚四氟乙烯具有耐溫的特點，一般在（240～260）℃之間可連續使用，具有顯著的熱穩定性，它也可以在冷凍溫度下工作而不脆化。 其摩擦系數極低，所以可起到潤滑作用，因此也成為了軌道交通車輛連接件的理想涂料。

3.4 粉末滲鋅

粉末滲鋅是利用加熱狀態下金屬原子的滲透擴散作用，在基體金屬沒有相變的條件下，將金屬鋅滲入鋼件表面，形成不同Zn-Fe 比例的合金保護層（簡稱為滲層）。粉末滲鋅滲層厚度均勻性好，厚度一般在（15～130）μm，涂層與基體結合強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。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，不影響高強度緊固件的力學性能。

滲鋅技術的質量控制目前主要參照ASTM A1 059／A1 059H：2008《鋼鐵緊固件、五金器具及其他產品上鋅合金熱擴散涂層》和GB/T 35505-2017《鋼結構件滲鋅耐蝕作業質量控制評定技術規范》。

4 結束語

隨著經濟發展，城鎮化速度不斷加快，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行，采用TB/T 3246，對螺栓的選用、設計與技術研發，有詳細和明確的定義，它提供了城市軌道交通車輛可靠的理論依據。 當今軌道交通車輛緊固件所面臨的短板現實， 創新能力弱和基礎不強仍然是主要制約因素之一，車輛高強度螺栓國產化的難點主要問題大致有：

螺栓性能不均勻、 散差大， 安裝時或使用中扭矩衰減，易造成早期失效；若過分強調預緊力，過大的安全系數，導致螺栓不能發揮其材料效能，造成螺栓使用時的浪費和生產成本的增加，匹配不當。

電鍍鋅防腐性能差、達克羅涂層脫落等。由于機車對零部件表面防腐性能要求極高， 可以優先選用表面涂防腐蠟、鋅鎳滲層、非電解鋅鋁涂層等，并組織技術攻關，產學研相結合以提高表面保護等級。

期待技術上有所突破，以解決發展中的難題，爭取在三年內實現完全國產化， 為實現交通強國做出新的更大貢獻。