60t級K2貨車轉向架折頭螺栓松動分析及改進探討

(上海局集團公司南京東車輛段 江蘇 南京 210000)

隨著國民經濟及科技的發展，我國鐵路貨車的載重、速度不斷提高。轉向架作為鐵路貨車重要結構之一，轉向架的質量要求因此也不斷提升。在過去的檢查中，經常發現折頭螺絲栓松動的現象自身，本文對螺栓松動的原因進行分析。60t級K2型轉向架在鐵路貨車中占有很大比例，肩負承托大量貨車運行的重任。

一、60t級K2型轉向架在檢修中發現的問題

在日常檢修中，發現60t級K2型轉向架故障率較高，常見的故障總結如下：(1)交叉桿出現彎曲變形、開焊或磨耗；(2)交叉桿折頭螺栓松動；(3)轉向架組合式制動梁滑塊裝置的磨耗、破損及裂紋等；(4)摩擦減震裝置的性能不強[1]。本文重點研究解決交叉桿折頭螺栓松動的原因及改進措施。

二、交叉桿折頭螺栓松動的原因分析

螺栓松動主要有四個原因：(1)鎖緊螺絲的螺母膠套因材質原因，熱脹冷縮，性變大，尺寸穩定性低，并且在低溫狀態下耐壓性能及沖擊韌性均降低，達不到理想的防松性能；(2)螺母的加緊面出廠時出現表面毛刺不平整的，當長時間運作毛刺變形后，螺栓預緊力降低；(3)螺栓及螺母間尺寸穩定及韌性強度差異較大，有的螺栓加工時未添加平墊膠圈進行緩沖，影響螺栓的防松性能[2](4)預緊力不足，未能達到大于133kN的技術要求。

三、試驗分析

(一)鎖緊螺絲的螺母膠套的影響及改進

1.材料與方法

將三種不同PA66材料制作的螺母膠套：A組為美國杜邦ST801超耐韌耐寒尼龍66(PA66)，B組為PA66增強尼龍，C組為普通型PA66，在-40℃環境下冷凍12小時后，測量比較冷凍前后螺母膠套內外徑尺寸收縮變化程度，并觀察有無開裂等情況，測量內外徑大小時，先測量最大內徑處，做標記，并測量垂直面的厚度，相加得到外徑的尺寸。三組螺母膠套進行壓裝后，重復上述實驗，實驗結果如下(見表1)。應用SPSS21.0統計軟件進行數據分析處理，P<0.05為差異有統計學意義。

2.實驗結果與分析

在-40℃的低溫狀態下，A組內外徑變化最小，平均差值分別為0.013mm、0.010mm，顯著小于B組和C組，差異具有統計學意義(P<0.05)；其次B組內外徑變化分別為0.033mm、0.133mm，C組尺寸變化最大，內外徑差值分別為0.380mm、0.203mm，A、B組的變化明顯小于C組，且差異具有統計學意義(P<0.05)。壓裝狀態下，三組內徑變化均增高，C組內徑尺寸變化仍最高平均差值為0.400mm，A組的變化最小為0.017mm，A、B組內徑變化仍顯著低于C組，差異具有統計學意義(P<0.05)，且A組變化小于B組。

表1 3種PA66材質螺母膠套壓裝低溫下內徑尺寸mm

目前常用的螺母膠套材料為尼龍66(PA66)，其疲勞強度和剛性度較高，耐熱性較好，摩擦系數低，耐磨性好，但吸濕性大，尺寸穩定性不夠，不耐極低溫度。為了提高機械強度，通常在PA66中加入改進劑。

(二)溝槽尺寸的影響及改進分析

1.材料與方法

將5組溝槽尺寸不同(A組φ=13.7mm，B組φ=14.1mm，C組φ=14.6mm，D組φ=15.0mm，E組φ=15.4mm)，材料為35CrMo的折頭螺栓送往北京機械工業檢測中心進行檢測預緊力(見表2)。

2.結果

A、B、C、D、E組平均預緊力分別為96.41kN、120.35kN、135.54kN、174.03kN、183.57kN。C組與D組的結果最接近緊固件標準化技術委員會規定的M20螺栓預緊力133kN。因此本實驗猜測，當溝槽尺寸為14.5-14.8mm時，預緊力達標。實驗組將溝槽尺寸大小14.5-14.8mm的折頭螺栓復檢時，證實14.5-14.8mm的溝槽尺寸螺栓，預緊力都可達到規定的技術要求。

表2 不同溝槽尺寸折頭螺栓的預緊力kN

實驗中交叉桿折頭螺栓溝槽尺寸φ=14.5-14.8mm時，預緊力達到達到大于133kN的標準。溝槽尺寸過小時，螺栓與螺母的交接面過小，制約力減低，調整溝槽尺寸至14.5-14.8mm時，制約力增大，預緊力提高[3]。扭斷螺栓施加的扭矩與夾緊面的摩擦力有關，因此預緊力和螺栓的夾緊面的接觸面積和表面粗糙度有關。從實驗結果中也可看出，同一尺寸的螺栓，預緊力差異較大，比如D組最大預緊力198.30kN,最小預緊力156.30kN。因為預緊力不僅和夾緊面的摩擦力有關，還和螺母膠套壓裝后的尺寸變化、溫差后尺寸變化以及螺母膠套的摩擦力有關。而在實際施工操作中，這些變化不可控制，所以在扭斷時相等的扭矩得到的預緊力差異較大。所以在生產加工中，螺栓與螺母間通常加同樣的平墊膠圈，消除這些差異，得到相對穩定的預緊力[4]。

四、結論

改良型PA66材質在低溫狀態下，尺寸穩定性及韌性均高于普通型PA66材料；尤其是ST801超耐韌耐寒PA66(美國杜邦)材料受溫度影響小，有較高的尺寸穩定性和壓縮強度，并且沖擊韌性好，不論在任何天氣溫度下，都能保證鎖緊螺栓的防松性能。

交叉桿折頭螺栓溝槽尺寸φ=14.5-14.8mm時，能夠獲得適宜的預緊力。精細打磨螺栓及螺母的夾緊工作面，減少毛刺的產生，能夠提高螺栓與螺母密貼度，提高防松性能。

除此之外，在出廠前精細打磨螺栓及螺母的夾緊工作面，減少毛刺的產生，防止在反復工作中加緊面毛刺磨耗后變形，螺栓與螺母密貼度降低，防松性能下降。