軌道車輛緊固件配套選用的探討

涂本榮，梅喬松，錢厚寬

（中車南京浦鎮車輛有限公司，江蘇 南京 210031）

1 引言

緊固件廣泛運用于軌道交通車輛，它具有施工簡單、受力性能好和可拆卸等優點。目前，軌道車輛研制企業都在相關系統（如Teamcenter系統）中建立了緊固件庫供設計人員選用，緊固件庫是按照一定層級關系分類管理的緊固件集合，包括螺栓、螺柱、螺釘、螺母、墊圈、鉚釘和銷等，如圖1所示。

軌道車輛結構復雜，所用緊固件數量和類別多。在軌道車輛三維設計時，通行的緊固件選用方法是從緊固件庫中依次查找和裝配螺栓、螺母、防松墊圈和平墊圈，即選定了螺栓之后，還需要按照查找螺栓的方式再查找螺母、墊圈，這種離散式的選配方法割斷了螺栓、螺母和墊圈之間的匹配關系，不僅耗時長，而且經常產生錯誤和不合理選配發生，如高性能等級螺栓誤配低性能等級螺母和墊圈，碳鋼螺栓誤配不銹鋼螺母和墊圈，發黑螺栓誤配達克羅螺母等，這些誤配將影響緊固件連接的承載能力、可靠性和耐腐蝕性，尤其是誤配發生在車下吊掛件和轉向架上時，一旦發生螺栓松脫和斷裂，將嚴重影響行車安全。

目前各類文獻對于緊固件配套使用主要研究的是基于點、線、面等裝配特征識別的緊固件快速裝配，這些方法僅考慮了緊固件公稱直徑的匹配，即選定了螺栓后，能自動匹配出相同公稱直徑的螺母和墊圈，但未考慮性能等級和表面處理匹配性。這樣，基于產品結構輸出的設計明細表（BOM）會存在緊固件性能等級和表面狀態信息的缺失而無法指導工藝、采購和質量檢驗等問題。下文探討了以企業緊固件庫為基礎，以緊固件公稱直徑、性能等級和表面處理為匹配條件，采用信息化技術實現以螺栓為基準的配套的方法，進而實現成套選配緊固件，同時確保了產品 BOM表中緊固件屬性的完整性。

圖1 緊固件庫

2 緊固件屬性標準化

緊固件屬性的標準化是自動配套的前提。緊固件屬性主要包括物料編碼、執行標準、公稱直徑、表面處理和性能等級等。企業內部應對緊固件屬性填寫要求做嚴格的標準化規定，應盡量設置下拉項，防止填寫的多樣化。如螺栓M

D

*

L

，

D

為公稱直徑、

L

為公稱長度，應對

D

和

L

之間的符號做明確規定，一旦使用“*”，就不應再使用“×”或“X”等符號；表面處理的表述應統一，同一種表面處理不應出現多種表述形式，如Geomet不應再寫為焦美特或交美特；性能等級應嚴格按照緊固件標準的規定填寫，如8.8級、A2-70級；墊圈等級應統一采用維氏硬度，不采用洛氏硬度；不應出現緊固件自身信息矛盾，如不銹鋼螺栓性能等級寫成8.8級。規范地填寫屬性將便于屬性的匹配，不規范地填寫將會導致屬性匹配失敗。

3 自動配套的實現

3.1 配套的依據

緊固件配套主要依據GB/T 3098.1—2010《緊固件機械性能 螺栓、螺釘和螺柱》、GB/T 3098.2—2015《緊固件機械性能 螺母》、GB/T 3098.6—2014《緊固件機械性能 不銹鋼螺栓、螺釘和螺柱》、GB/T 3098.15—2014《緊固件機械性能 不銹鋼螺母》、GB/T 3098.9—2010《緊固件機械性能 有效力矩型鋼鎖緊螺母》和GB/T 5286—2001《螺栓、螺釘和螺母用平墊圈 總方案》等緊固件標準。

GB/T 3098.2—2015第5章“螺栓和螺母連接副的設計”和附錄A“螺母設計準則”規定了螺栓性能等級與螺母性能等級的匹配要求，如螺栓選擇8.8級，螺母優選8級；螺栓選擇10.9級，螺母優選10級。GB/T 5286—2001附錄A“平墊圈與螺栓，螺釘或螺母配套使用指南”給出了墊圈硬度等級與螺栓螺母性能等級的匹配要求。緊固件 配套依據見表1。

表1 緊固件配套依據

注：由于鋼制彈簧墊圈硬度等級較大，適用于各類性能等級的螺栓和螺母，彈簧墊圈的硬度等級不作為匹配要素。

?

3.2 建立配套規則

按照表1的配套依據建立兩種緊固件配套規則，見表2，一種是全集配套規則，即將能與某螺栓標準匹配的所有螺母、防松墊圈和平墊圈標準列入一條規則；另一種是常用配套組合規則，常用配套規則是全集配套規則的子規則，一項螺栓標準可以有多條常用配套規則，設置常用規則的目的是指導設計人員優先選用，常用配套的緊固件往往庫存足，能避免選用生僻的緊固件造成沒有庫存而耽誤生產。

表2 全套配套規則和常用配套規則構成

注：類別為緊固件標準代號，如GB/T 6170的螺母為一類螺母。

?

無論全集還是常用規則，都應建在緊固件庫的螺栓標準層級上，如圖2所示，不宜太高，太高雖然可以避免對每項螺栓標準建規則，但不易規避標準之間不適用的問題，比如細牙螺母標準不應配標準螺紋螺栓標準，ISO或者國外的螺母標準不宜列入國標螺栓標準的全集組合中。規則也不應在螺栓標準下的具體物料上建立，因為標準下物料過多。在標準層級上只需要對每項螺栓標準建立一條全集規則和幾條常用規則即可，且全集規則可根據企業緊固件的選用習慣自由選擇哪些螺母和墊圈標準列入規則。

由于公稱直徑、性能等級和表面處理均不唯一，配套規則中不適合給定具體的值，而應通過設置參數來代表值的集合,其中公稱直徑為

D

，性能等級為

G

，表面處理為

F

，然后將值分別賦給

D

、

G

、

F

，如圖3所示，通過將這三個參數寫入規則來自動實現緊固件配套。根據圖1，緊固件名稱中包括公稱直徑和表面處理信息，性能等級單列，所以配套規則中緊固件名稱設置為

$D$*$F$

,性能等級為

$G$

，如圖2所示，其中

$

為通配符。

圖3 賦值后的參數

3.3 自動配套的實現

設置配套規則后，通過規則運行，只要檢索到規則中任何標準的螺母、防松墊圈和平墊圈屬性信息中包含的

D、G、F

值與螺栓相同時，就將推送到螺栓物料的全集、常用配套結果中，確保相關人員選定螺栓物料后（因為緊固件一般先確定螺栓），能通過螺栓下的全集、常用配套列表迅速找到符合配套規則的螺母、彈簧墊圈和平墊圈供設計人員自由組合選用。螺栓物料的全集配套和常用配套結果存放區和結果如圖4、圖5所示。

圖4 螺栓物料的全集組合和常用組合

圖5 全集組合結果

4 結束語

緊固件是成套使用的零件組合，軌道車輛上選用的緊固件數量和品種多，按照配套規則成套選配緊固件的方法將螺栓、螺母、防松墊圈和平墊圈有效地構成了關聯，將緊固件離散選配優化成了以螺栓為基準的組合選配，實現了配套使用，不僅可以縮短選配時間，而且提高選配準確性，從而使設計人員集中更多時間專注于產品關鍵技術的研究，對于軌道交通車輛研制企業來說具有重大意義。