WJ-8型扣件螺旋道钉摩擦因数测试方法

于毫勇 刘长溪 张欢 蔡世生，2 张晟

1.北京铁科首钢轨道技术股份有限公司， 北京 102206；2.中国铁道科学研究院集团有限公司 高速铁路轨道系统全国重点实验室， 北京 100081

摩擦因数是指两表面间的摩擦力和作用在其表面上的垂直力之间的比值。一般来说，摩擦因数和表面的粗糙度有关，而和接触面积的大小无关。适用于螺栓的摩擦因数包括总摩擦因数、螺纹摩擦因数和支承面摩擦因数。

螺纹连接的可靠性主要取决于螺栓的轴向预紧力。螺栓的预紧力是通过控制拧紧扭矩和转角实现的，但不仅仅取决于拧紧扭矩和转角，还要受连接副摩擦因数的影响［1］。一般情况下，螺栓和螺母连接副的摩擦因数测试依据GB/ T 16823.3—2010《紧固件 扭矩-夹紧力试验》进行。试验时，紧固扭矩平稳地作用于螺栓-螺母连接副或者螺钉-螺母连接副以产生夹紧力，测量确定总摩擦因数、螺纹摩擦因数和支承面摩擦因数。在弹性变形的范围内，扭矩与夹紧力理论上呈线性关系。于俊辉等［2］通过试验证实了不进行润滑处理比进行润滑处理时摩擦因数呈现出较大的不稳定性，不利于扭矩测量。徐海东等［3］研究证实了摩擦因数从多方面影响螺纹连接系统所获得的轴向力，进而影响螺纹连接质量。在拧紧过程中设置合理的角度或扭矩监测，有利于识别螺纹紧固件摩擦因数的异常波动。倪晋挺［4］通过多组试验，明确了螺纹紧固件的摩擦性能取决于连接副结合面的状况、润滑条件、实际装配工艺、表面处理等多个因素。但标准所提供的测试方法仅仅适用于标准螺纹螺栓。

WJ-8 型扣件为我国高速铁路无砟轨道普遍采用的一种扣件结构形式，螺旋道钉和预埋套管作为关键紧固部件，其摩擦因数是判断连接副防松性能的关键技术参数。对于螺旋道钉和预埋套管连接副，其配合螺纹为大螺距非标螺纹。进行摩擦因数测试时，GB/ T 16823.3—2010 的试验方法并不适用。目前，在铁路扣件的日常维护中，发现有螺旋道钉锤击松退的现象。尽管在工程领域已采用渗锌防腐处理道钉、加大对道钉表面的抛丸力度、降低平垫圈厚度等措施来降低道钉松退的概率［5］，但鲜有对螺旋道钉和预埋套管摩擦因数的测试研究。

本文基于常规螺栓螺母副的摩擦因数试验方法，充分考虑螺旋道钉和预埋套管连接副的特点，通过理论分析提出螺旋道钉摩擦因数测试方法，并进行试验验证。

1 一般螺栓摩擦因数测试方法

一般螺栓是指由碳钢和合金钢制造的螺纹规格为M3—M39的螺栓、螺钉、螺柱和螺母，其摩擦因数测试按照GB/ T 16823.3—2010的要求进行。

1.1 试验方法

对螺栓、螺母连接副施加一定的扭矩，通过设备上预置的传感器，测量出螺纹部分和螺栓头部的扭矩，代入螺栓、螺母的相关几何参数，得出摩擦因数。

1）总摩擦因数

GB/ T 16823.3—2010 给出了在已知摩擦因数的情况下紧固扭矩（T）、夹紧力（F）与各螺纹几何参数之间的关系，表达式为

式中：P为螺距；μth为螺纹摩擦因数；d2为螺纹中径；μb为支承面摩擦因数；D0为支撑面外径；Dh为支承面孔径。

根据紧固扭矩与夹紧力的比值，近似得出总摩擦因数（μtot）的计算式为

式中：Db为螺栓头下支承面的摩擦直径，Db=(D0+Dh)/2。

式（2）是假设螺纹摩擦因数与支承面摩擦因数相等得出的，只用于比较不同摩擦条件下的螺栓副连接的受力情况；其中T、F均为测量值。

2）螺纹摩擦因数

根据螺纹扭矩与夹紧力的关系，近似得出螺纹摩擦因数（μth）的计算式

式中：Tth为螺纹扭矩。

Tth可通过实测得到的紧固扭矩（T）与支承面摩擦扭矩（Tb）计算得到，表达式为

3）支承面摩擦因数

根据支承面摩擦扭矩与夹紧力的关系，近似得出支承面摩擦因数（μb）的计算式

1.2 试验工装及设备要求

试验工装（图1）应能够承受紧固轴力和支承面摩擦扭矩的复合载荷，而不产生永久变形和位移。试验夹具要求螺柱拧入时基体端及垫片均不应转动。

图1 一般螺栓摩擦因数测试试验工装

试验机应能够自动或通过手动旋转螺母或螺栓施加紧固扭矩，并装有能够直接或间接测量摩擦因数的装置，测试精度在2%范围内。试验机、载荷传感器和夹具应具有足够的刚度。

2 螺旋道钉摩擦因数测试方法

正常组装状态下，WJ-8型扣件螺旋道钉与套管装配构造及啮合牙型见图2。

图2 WJ-8型扣件螺旋道钉与套管装配

螺旋道钉螺栓副几何尺寸的特点如下：

1）螺纹的接触面与水平夹角（上部牙型角）β=45°，而常规的三角螺纹对应的角度为30°。

2）螺距较大。以M24螺纹为例，其大径为24 mm，标准三角螺纹螺距3.0 mm；螺旋道钉大径为24 mm，螺纹接触摩擦中径为d2= 21 mm，螺距12.5 mm。

3）与一般螺栓配合的平垫圈两面均为面接触；而与螺旋道钉配合的平垫圈为点、面接触，即一侧为面接触，一侧为点接触。

4）与螺旋道钉旋合的套管材质为玻纤增强聚酰胺66。

5）螺旋道钉与套管正常旋合的装配间隙比常规三角螺纹大。

由于螺旋道钉与一般螺栓存在上述差异，所以螺旋道钉摩擦因数的测量不能直接使用一般螺栓的测量方法，须根据实际情况进行专用工装设计以及计算公式推导［6］。

2.1 螺旋道钉摩擦因数的公式推导

式（1）—式（5）中P、T、F、Db、d2等均为螺栓特征值或试验测量值，仅1.154、0.577 为特殊的系数。为验证系数的含义，对螺纹的摩擦进行分析。

移动副摩擦按照接触面的形状可分为平面摩擦、斜面摩擦和槽面摩擦。为了简化移动副摩擦力的计算，不论移动副的两运动副元素的几何形状如何，均可将两构件不同几何形状的接触看作是沿单一平面接触的移动副，见图3。

图3 平面摩擦和槽面摩擦受力分析

移动副摩擦力（Ff）可以统一表达为

式中：f为移动副的摩擦因数；FN为接触面的正压力；fv为移动副的当量摩擦因数；G为重力。

对于槽面摩擦，接触面的正压力和当量摩擦因数分别可写成

式中：θ为槽面与重力方向的夹角。

三角形螺纹旋转副中，可以把螺母在螺杆上的运动近似看作楔形滑块在斜槽面的运动，即槽面摩擦与斜面摩擦的组合。此时槽面夹角等于90° -β（图4），则当量摩擦因数（fv）和当量摩擦角（φv）分别为

图4 三角形螺纹旋转副受力分析

因此，克服螺纹副摩擦的拧紧力矩，即螺纹扭矩（Tth）的表达式可以写成［7-8］

式中：α为螺纹螺旋升角。

螺栓拧紧过程中所需要的总力矩（T）包括两个部分：克服螺纹副摩擦的拧紧力矩（Tth）、螺栓头或螺母与支撑面间的摩擦力矩（Tb）。由式（4）、式（6）和式（7）可得

由几何关系，有

将式（9）代入式（8），可得

对比式（1）和式（14），不难发现，1.154 即为上牙型角（β= 30°）的正割值。由于螺旋道钉的上牙型角β'= 45°，对螺旋道钉与预埋套管连接副的摩擦因数进行计算时，螺旋道钉总摩擦因数（μtot）须用式（15）替代式（2），螺旋道钉螺纹摩擦因数（μth）须用式（16）替代式（3），螺旋道钉支承面摩擦因数（μb）计算式不变，仍为式（5）。

2.2 螺旋道钉摩擦因数测试专用试验工装设计

为最大限度利用现有成熟的摩擦因数测试设备，同时考虑螺旋道钉和预埋套管连接副在正常使用时的工作状态，根据既有试验机接口进行匹配专用工装设计，见图5。扭矩输出机构从上方对道钉头部施加扭矩，然后经两个分量扭矩传感器分别测量出螺纹扭矩和总扭矩。

图5 螺旋道钉摩擦因数测试专用工装

专用工装的设计充分考虑了螺栓和预埋套管的现场实际应用状态。设计的主要创新点如下：

1）预埋套管和工装间浇筑水泥，模拟预埋套管的实际安装状态，防止预埋套管轻微滑动造成扭矩的离散。

2）螺旋道钉和工装间采用扣件系统连接，模拟螺旋道钉的实际安装状态。施加扭矩时可以按照对应扣件系统的实际控制扭矩施加，试验结果更接近现场实际状态。

3 试验验证

为了验证上文计算式的可靠性，选用达克罗防腐螺旋道钉和预埋套管进行摩擦因数测试试验。防护油脂采用TYF-10H 型胶囊型高速铁路螺栓专用防腐脂，质量为17 g。考虑到弹条的扣压力与螺栓受到的轴力关系，设定测试目标轴力为25 kN。测试过程见图6。测试结果见表1。

表1 测试结果

图6 测试过程

设定总扭矩为160 N·m，将表1 中总摩擦因数平均值0.128 代入式（15），计算得出螺栓所受轴力为24.8 kN。根据弹条的扣压力与螺栓受到的轴力关系，反推出扣压力应为10.1 kN。

采用测试道钉进行组装扣压力试验［9］，并与上述理论计算值进行对比，试验中安装扭矩同样设定为160 N·m。假定两个弹条的扣压力相同。试验结果见表2。可知：通过利用上节计算式进行摩擦因数计算得到的弹条扣压力与实际测量出的组装扣压力接近。可见，利用本文方法得出的螺旋道钉螺栓副摩擦因数是正确、可信的。

表2 扣件组装扣压力测试结果

4 结语

本文通过对摩擦因数进行理论分析，结合螺旋道钉和预埋套管连接副特殊的螺纹特性，得出适用于螺旋道钉和预埋套管连接副的摩擦因数计算公式。利用现有成熟的摩擦因数测试设备，优化接口，设计工装，对WJ-8型扣件螺旋道钉摩擦因数进行了测试。螺旋道钉的防腐方式为达克罗防腐，防护油脂为17 g时，螺旋道钉螺栓副的总摩擦因数为0.128，螺纹摩擦因数为0.120，支撑面摩擦因数为0.132。根据测试所得的WJ-8 型扣件螺旋道钉摩擦因数计算的弹条标准安装状态扣压力，与实测弹条扣压力值基本一致，验证了该方法的适用性。