动车组螺栓拧紧防松及表面处理方法研究

李 畅，吕志龙，周安德

（中车株洲电力机车有限公司，1、工程师，2、3，高级工程师，湖南 株洲412001）

0 引言

由于动车组结构的特殊性，动车组车辆上的变压器、制动风缸、水箱等较重的设备全部使用高强度螺栓安装在车辆底架上［1］。所以，螺栓连接是动车组产品装配过程中一个重要项点，只有保障螺栓连接的质量，才能够使得整个动车组产品装配的质量得到提升。相较于欧洲、日本等，中国的轨道交通研究起步较晚，对轨道车辆用的螺栓连接的研究与国外还存在差距。比如公司目前拧紧扭矩的控制直接照搬过去车型而缺少针对具体车型及应用的分析，这样容易导致螺栓使用过程中的失效。螺栓不恰当的表面处理方法轻者会导致螺栓过早腐蚀导致寿命降低，重者会引起螺栓失效进而引发安全事故。螺栓的失效在整车产品中最不起眼，但是螺栓失效引起的影响和危害却很大［2］。在动车组整车装配生产过程中应用了大量的螺栓连接，所以针对动车组目前的螺栓应用情况很有必要对螺栓连接拧紧防松及表面处理方法进行研究。

1 螺栓拧紧的方法

螺栓拧紧的实质是控制螺栓连接的预紧力，以防止螺栓承受工作载荷后在螺栓与被连接件的结合面产生滑移或缝隙，从而导致螺栓连接失效的问题。目前螺栓常用的预紧力的控制方法主要有四种：扭矩法、转角法、屈服点控制法和螺栓预伸长法。

1.1 扭矩法扭矩法对螺栓进行拧紧的原理是控制作业人员施加的扭矩，通过对扭矩的间接控制实现对拧紧力的控制及施加。目前这种方法是在实际生产制造过程中最经常使用的方法，铁道行业标准也对不同直径螺栓施加的扭矩给出了参考值，扭矩法是目前最成熟、最系统的预紧力控制方法。

研究及实际使用经验表明，作业人员在螺栓上施加的扭矩只有10%左右的做功用来产生螺栓连接的预紧力［3-5］，而其余90%左右的能量转化为摩擦热散失。这是因为在给螺栓施加扭矩做功时，螺栓头与被连接件表面的摩擦，螺纹旋合时的摩擦消耗了大概九成的能量，因此摩擦系数的存在对螺栓拧紧力造成了很大影响。采用扭矩法拧紧螺栓的优点是控制预紧力直观、简单、易行，仅仅使用有读数功能的扭矩扳手即可完成预紧力的施加，可以方便的达到标准规定的扭矩值，而且可以方便的对扭矩值进行检验，即存在可检验性。如上所述，摩擦系数对施加的扭矩所做的功有很大干扰，这样就导致了对拧紧力的控制不够精确，这是使用扭矩法拧紧螺栓最大的劣势。

1.2 转角法所谓的转角法就是研究螺栓拧紧时扳手转动的角度与螺栓变形的关系的方法。由于螺栓和被连接件的材料存在弹性变形，在扳手转动时会造成其相应的伸长和压缩，通过研究变形量和转动角度的比例关系来控制拧紧力的大小，使安装人员操作扳手旋转一定的角度来实现特定预紧力［6］。需要注意的是旋转角度开始测量的点，应该是在螺栓与被连接刚好贴合时开始计算。因此转角法只是以旋转角度作为控制对象，从而摩擦力对预紧力的干扰就可以忽略，故而理论上转角法的控制精度要比扭矩法高很多。但是这种操作方法需要专用的设备，造成了安装的成本增加且转角法没有可检验性。在实际应用时紧贴连接的分界点很难控制，对于被联接件和紧固件刚性较大的场合，预紧力的离散度就会很大，控制精度就会受到限制，因而实际的拧紧精度和扭矩法差不多。

1.3 屈服点控制法屈服点控制法的控制思路是用计算机实时测算拧紧时螺栓材料的屈服点，将预紧力控制在螺栓的屈服点附件位置，以达到精确控制预紧力大小和最大化的利用螺栓材料强度的目的。显然屈服点控制法有着扭矩法和转角法无以比拟的控制精度，获得的预紧力数值的精度可以控制在95%以上，而且可以充分利用材料性能。但是专用的安装设备价格不菲，提高了螺栓装配成本，同时，在空间不足的地方还无法应用。此外，在使用屈服点控制法时，如果计算机受外界因素干扰而不能准确测得屈服点时，存在将螺栓拉断的风险，这对屈服强度和抗拉强度相差不大的螺栓材料来说风险性更大。

1.4 螺栓伸长量控制法该控制法的原理是通过安装设备发出的超声波测量拧紧时螺栓的伸长量来控制施加的预紧力。此方法和屈服点控制法有异曲同工之妙，都是采用专用设备测量材料本身的属性来达到控制拧紧力的目的，都有着很高的控制精度。伸长量控制法测量的是螺栓的微变形，与拧紧时的摩擦无关。但是其缺点也是需要专门的控制工具，使用环境受到限制。

通过分析可知预紧力的四种控制方法中，除了扭矩法均需要专用的拧紧设备进行作业，其生产成本较高。由于扭矩法控制预紧力成本低、使用范围广、操作方便及其可检测性，目前在国内除了对预紧力有很高要求的应用场合采用专用设备拧紧外，应用最广的依然是扭矩法，也是中车株洲电力机车有限公司（以下简称公司）使用最为广泛的方法。

2 螺栓连接的防松

螺栓在使用一段时间后受工作设备震动或工作环境温度、湿度的影响而产生蠕变时，预紧力会出现下降情况进而导致螺栓松动。螺栓连接的失效会导致列车发生不可估量的财产损失，严重时会造成人员伤亡，所以很有必要对螺栓连接进行防松处理。根据螺栓防松机理的不同可以分为摩擦防松、机械防松和破坏螺旋副运动关系防松等。

摩擦防松是利用螺栓和被连接件之间的摩擦力来实现防松目的；其原理是尽可能的给螺纹副间施加大的正压力，从而产生足够大的摩擦力以防止螺栓连接发生松扣现象。实际应用时为了获得更大的正压力，通常会在螺栓与被连接件之间使用弹垫、对顶螺母、自锁螺母等部件，一方面可以增大连接正压力，另一方面可以分散被连接件承压面的应力集中，防止压溃现象。机械防松是采用添加机械联动件的方法防止旋合的螺纹松动，常用的联动件有开口销、串连钢丝和止动垫圈等。根据工业应用上的使用经验，对于螺栓在设备内部安装而不易检查维护的连接，适合采用机械防松［7］。值得注意的是联动件没有预紧力，只有当螺母松动至与联动件接触后才能起到防松的目的，因此机械防松是一种被动的防松方法。破坏螺旋副运动关系防松，是要直接破坏螺栓安装后的连接关系，比如采用冲铆、焊接等人为手段使螺纹连接遭到损坏，彻底使其丧失运动能力。因此这种防松方法是一次性的螺栓使用行为，是不能达到拆卸保养目的的一种做法，实际应用场合并不多。

由于摩擦防松方法简单，操作方便，维护时拆卸简单，成本低，所以目前在公司使用最广泛的防松方法是摩擦防松。

3 螺栓的表面处理方法

动车组上所用的螺栓都是由碳钢、合金钢制成，其表面涂层影响连接件功能的可靠性及其寿命，选择涂层时通常需要考虑的因素有：防腐蚀性能，不仅需要注意电化学的电压等级，还需考虑一切有关材料及涂层的实际腐蚀性能；涂层影响安装时达到的预紧力，应选择具有确定的狭窄摩擦系数范围的涂层。动车组螺栓连接常用的表面处理方法有以下所述的几种。

3.1 钝化和磷化处理所谓的钝化就是在钝化液中发生化学反应形成一层氧化膜，此方法成本低，防锈效果比涂油好，稳定镀层性能，并提高耐蚀性；磷化处理就是将螺栓置于磷化液中形成一层薄膜，在螺栓安装时要与防锈油配合使用。磷化膜的防腐性能对所涂的防锈油的质量有较大的依赖作用。同时，磷化膜表面粗糙、不耐磨，也不能承受冲击与弯曲。但是磷化膜有较好的扭矩-预紧力一致性，即可以较好的将安装扭矩转化为预紧力。另外，磷化处理可以使高强度螺栓在表面处理时避免发生氢脆问题，所以10.9 级以上的高强度螺栓一般采用磷化的表面处理方法。

3.2 发黑处理由于发黑处理是成本最低的表面处理方法，所以发黑+涂油的方式是螺栓表面处理中比较常用的方法。但是发黑几乎无防锈能力，所以无油后它很快就会发生腐蚀。发黑处理的螺栓扭矩转换为预紧力的能力很差，通常在装配时在内处螺纹上涂抹油脂后再旋合，因此发黑处理比较依赖防锈油。

3.3 电镀锌及渗锌处理电镀锌的镀层厚度为5～30 μm，具有成本低、工艺简单、外观好看（有亮黄、银白、黑、军绿等色）等优点，是目前最常用的镀层处理方法。但是，其防腐性能一般，加工过程易产生氢脆，10.9级以上的螺栓一般不采用镀锌处理；渗锌处理的镀层厚度一般为10～110 μm，并且误差可控制在10%左右。镀层均匀性好，螺纹、盲孔内都能获得均匀层，不会产生氢脆。它与基体的结合强度和防腐性能在锌涂层中是最好的，其加工过程无污染，环保性比较好。但粉末渗锌处理方法生产耗时较长，导致了生产成本的增加。

3.4 达克罗表面处理达克罗又称锌铬涂层，涂层厚度约6～10 μm，呈银灰色。有极好的耐腐蚀性（是电镀锌的5～8 倍）、渗透性、附着性，无氢脆特性，具有非常优良的耐蚀性和高温化学稳定性。但是涂层硬度低、耐磨性差，二次装配容易使镀层破坏，使耐蚀性降低［8］。在多次拆卸的螺栓中，达克罗涂层的耐蚀性不及渗锌层。此外，涂层中含有毒的Cr6+，环保性差。整体上说，达克罗技术是目前综合性能最好的表面处理方法，也比较适用于高防腐要求的高强度紧固件。

目前动车组螺栓连接最常用的表面处理方法是成本较低的磷化和发黑处理，在易腐蚀环境下使用的螺栓，比如动车组车底水箱的安装会采用镀锌处理的螺栓连接。达克罗起源于美国，后经日本于90年代传入中国，是相对较先进的表面处理工艺，目前在汽车工业上已有应用，以后在轨道交通车辆上也会是一个发展方向。目前公司的动车组设备还采用了大量的不锈钢螺栓连接，为了提升车辆的美观性，建议司机室内、客室内等人机界面采用发黑处理的不锈钢材质的螺栓进行部件安装连接。

4 结语

本文分析论证螺栓不同的拧紧及防松方法，在公司的实际生产过程中得到验证和认同，推动扭矩法和摩擦防松法等具有控制成本低、可检验性、操作和维护便利性等优点的方法在公司广泛运用。同时本文分析了螺栓不同的表面处理方法的特点，指出了达克罗是动车组螺栓将来表面处理的发展方向，对于改变目前国内在轨道交通车辆所用螺栓连接研究相对滞后发达国家状况，或能起到抛砖引玉集思广益作用。