動車組用高強螺栓重復(fù)使用可行性的理論分析

魏玉卿

(青島四方阿爾斯通鐵路運輸設(shè)備有限公司,山東 青島 266111)

螺栓連接作為結(jié)構(gòu)的重要連接方式之一,在軌道交通、建筑、風(fēng)電和機械等行業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。高速動車組上緊固件用量大,種類不下幾百種。在車輛全壽命周期中,需要經(jīng)歷多次不同程度的維修維護及設(shè)備更換,大量螺栓需要拆卸,對于數(shù)量巨大、外觀完好的高強螺栓/螺母,是直接報廢還是重復(fù)使用是一個非常現(xiàn)實的工程問題。

目前,對于螺栓重復(fù)使用的問題還未達成共識,相關(guān)標準和規(guī)范中對于該問題的描述不多,建筑行業(yè)標準JG/T 5057.40—1995《建筑機械與設(shè)備高強度緊固件技術(shù)條件》[1]在附錄中規(guī)定高強度螺栓和螺母使用后拆卸再次使用一般不得超過兩次。鐵路行業(yè)標準TB/T 3246.7—2010《機車車輛及其零部件設(shè)計準則螺栓連接 第7部分:安裝》[2]和VDI 2230[3]規(guī)定:對于風(fēng)險等級較高的螺栓連接,在確保能恢復(fù)螺栓連接初始狀態(tài)的情況下,允許重復(fù)使用;對于使用角度控制方式預(yù)緊的螺栓,由于應(yīng)力超過材料屈服強度,限制其再次使用。現(xiàn)行標準主要依據(jù)螺栓和螺母本身的性能是否發(fā)生改變,如螺栓機械性能及螺母保證載荷是否降低,材料是否發(fā)生屈服,有無螺紋變形,是否出現(xiàn)裂紋等損傷現(xiàn)象,來評估螺栓/螺母重復(fù)使用的可行性。然而,螺栓的重復(fù)使用還會帶來其他危害。張朝前等通過微觀試驗發(fā)現(xiàn)螺紋重復(fù)使用5次后,螺紋接觸表面損傷區(qū)域呈明顯的剝落特征,且隨著重復(fù)使用次數(shù)的增加,螺紋接觸表面磨損加劇[4]。陳偉婧等對動車組軸端螺栓的摩擦因數(shù)進行了測試,結(jié)果表明總摩擦因數(shù)均值第2次擰緊較第1次上升了4%,第3次擰緊較第1次上升了8%,且離散性增大[5]。賈國瑜等從緊固原理出發(fā)指出螺栓重復(fù)使用次數(shù)一般不受疲勞壽命的限制,而是受制于螺栓預(yù)緊力的精確要求[6]。

隨著人們對螺栓連接安全認識程度的不斷加深,對螺栓重復(fù)使用可行性的分析逐漸由宏觀損傷延伸到微觀,即螺紋磨耗帶來的摩擦因數(shù)及其離散性的增大,螺栓預(yù)緊力的降低及其離散性的增大,而預(yù)緊力的降低是螺栓松動和疲勞破壞的重要原因。本文基于螺栓預(yù)緊力的設(shè)計原理,針對螺栓重復(fù)使用帶來的摩擦因數(shù)增加的問題,通過多種措施來降低重復(fù)使用帶來的不利影響,進而提出將螺栓預(yù)緊力是否在設(shè)計范圍內(nèi)作為螺栓重復(fù)使用可行性的評估準則。

1 螺栓預(yù)緊力(FM)的設(shè)計原理

螺栓預(yù)緊力是緊螺栓連接結(jié)構(gòu)設(shè)計中極其重要的內(nèi)容。一方面,螺栓預(yù)緊力要足夠大,足以滿足連接所需要的所有功能要求;另一方面,螺栓預(yù)緊力又不能過大,不能超過螺栓的許用載荷。無論是在裝配工況還是工作工況下,螺栓預(yù)緊力均應(yīng)處于安全的設(shè)計范圍之內(nèi)。

1.1 螺栓所需預(yù)緊力

螺栓所需預(yù)緊力是滿足正常連接功能所需要的最小螺栓預(yù)緊力,針對摩擦型螺栓連接,螺栓預(yù)緊力在被連接件之間產(chǎn)生的摩擦力應(yīng)能抵抗外界的橫向剪切載荷和扭轉(zhuǎn)載荷,此外,還應(yīng)滿足結(jié)構(gòu)密度要求以及避免連接結(jié)構(gòu)單邊張開。螺栓所需預(yù)緊力FMneed可表示為:

式中:FKQ為抵抗被連接件之間的滑移及軸向扭轉(zhuǎn)所需的螺栓預(yù)緊力,FKP為滿足密封功能所需要的螺栓預(yù)緊力,FKA為避免單邊張開所需的螺栓預(yù)緊力,Floss為由于工作載荷、接觸面沉降及溫度變化等引起的螺栓預(yù)緊力損失。

螺栓連接所需預(yù)緊力與工作環(huán)境及被連接件特性有關(guān)。

1.2 螺栓許用預(yù)緊力

螺栓預(yù)緊力應(yīng)保證在裝配狀態(tài)和工作狀態(tài)下,螺栓的靜態(tài)應(yīng)力和疲勞應(yīng)力均低于螺栓的屈服強度和疲勞強度,確保螺栓不會發(fā)生任何形式的破壞。螺栓許用預(yù)緊力FMallow可表示為:

式中:A0為螺栓最小橫截面面積,σallow為螺栓的許用應(yīng)力。

螺栓許用預(yù)緊力與螺栓直徑、性能等級以及螺紋副摩擦因數(shù)有關(guān)。

在螺栓選型時,應(yīng)保證螺栓許用預(yù)緊力大于螺栓所需預(yù)緊力,且有一定的安全裕度,即有:

1.3 螺栓實際預(yù)緊力

由于預(yù)緊工具/工藝及摩擦因數(shù)的離散性,即使采用相同預(yù)緊工具/工藝,施加相同額定預(yù)緊力矩的同批次螺栓,其實際的螺栓預(yù)緊力也有較大離散性,最大和最小的預(yù)緊力分別記為FMmax,FMmin。在螺栓預(yù)緊時應(yīng)保證所有預(yù)緊力均能滿足設(shè)計要求,即有:

2 螺栓預(yù)緊力與預(yù)緊力矩的定量關(guān)系

針對扭矩控制的螺栓預(yù)緊方式,考慮預(yù)緊工具/工藝以及摩擦因數(shù)的離散性,螺栓最大預(yù)緊力FMmax和最小預(yù)緊力FMmin分別表示為:

式中:MAmax,MAmin分別為最大和最小預(yù)緊力矩;Remin,Remax分別為最小和最大等效扭轉(zhuǎn)半徑。

式中:MA0為預(yù)緊力矩的均值,即所施加的額定預(yù)緊力矩;ΔMA為預(yù)緊力矩的離散值;P為螺栓螺距;d2為螺紋中徑;μGmin,μGmax分別為螺紋副的最小和最大摩擦因數(shù),DKm為螺栓頭/螺母底部承壓區(qū)等效摩擦旋轉(zhuǎn)直徑;μKmin,μKmax分別為螺栓頭/螺母底部承壓區(qū)與接觸面之間的最小和最大摩擦因數(shù)。

預(yù)緊力矩的離散性與預(yù)緊工具/工藝有關(guān),對于常用的扭矩控制扳手,其離散性在±5%～±10%之間。定義扭矩系數(shù)αM=MAmax/MAmin,對于滿足上述離散性的扭矩控制扳手,扭矩系數(shù)αM在1.11～1.22之間。

從式(5)～式(10)可以看出,螺栓預(yù)緊力不但與螺栓預(yù)緊力矩和螺栓直徑有關(guān),還與摩擦因數(shù)有關(guān),螺栓預(yù)緊力的離散性由預(yù)緊力矩及摩擦因數(shù)的離散性決定,圖1給出了螺栓預(yù)緊力與預(yù)緊力矩及摩擦因數(shù)的關(guān)系圖,圖中μ=μG=μK 。

圖1 螺栓預(yù)緊力和預(yù)緊力矩及摩擦因數(shù)的關(guān)系

3 螺栓重復(fù)使用對摩擦因數(shù)的影響

隨著螺栓/螺母使用次數(shù)的增加,螺紋接觸面的磨損剝落越來越明顯,螺紋副摩擦因數(shù)及其離散性也逐漸增大。圖2給出了某典型螺紋副摩擦因數(shù)隨使用次數(shù)的變化規(guī)律。從圖2中可以看出,隨著螺栓重復(fù)使用次數(shù)的增加,螺紋副最大摩擦因數(shù)由0.1逐漸增加到0.3,最終趨于穩(wěn)定;最小摩擦因數(shù)由0.08緩慢降低到0.05。螺紋副摩擦因數(shù)的離散性近似服從正態(tài)分布。螺栓頭/螺母底部承壓區(qū)與接觸面之間的摩擦因數(shù)變化不大,假設(shè)其均值及離散性保持恒定。

圖2 螺紋副摩擦因數(shù)與螺栓重復(fù)使用次數(shù)的關(guān)系

4 重復(fù)使用螺栓的安全校核

對于重復(fù)使用的螺栓,在其功能和性能上應(yīng)與初次使用螺栓保持一致,能夠滿足所有的使用要求,即保證重復(fù)使用螺栓的最小預(yù)緊力不小于初次使用螺栓的最小預(yù)緊力,取臨界狀態(tài),有:

額定預(yù)緊力矩提高,螺栓最大預(yù)緊力也將增加,其比值可表示為:

圖3給出了重復(fù)使用螺栓的預(yù)緊力和預(yù)緊力矩、摩擦因數(shù)的關(guān)系,可以看出,由于螺紋摩擦因數(shù)均值及其離散性的增加,在使用相同預(yù)緊工具/工藝的前提下,需要提高螺栓的額定預(yù)緊力矩,才能保持最小螺栓預(yù)緊力不變,而增加額定預(yù)緊力矩,又將引起螺栓最大預(yù)緊力的增加。

圖3 重復(fù)使用螺栓預(yù)緊力和預(yù)緊力矩及摩擦因數(shù)的變化規(guī)律

圖4給出了滿足螺栓所需預(yù)緊力的情況下,額定預(yù)緊力矩、最大預(yù)緊力與螺栓重復(fù)使用次數(shù)的定量關(guān)系。本例中,選取M10的高強螺栓,螺紋副摩擦因數(shù)依據(jù)圖2數(shù)據(jù),螺栓頭/螺母與接觸面摩擦因數(shù)μKmin=0.08,μKmax=0.1。

圖4 額定預(yù)緊力矩和最大預(yù)緊力隨螺栓重復(fù)使用次數(shù)的變化規(guī)律

從圖4可以看出,要保持相同的最小螺栓預(yù)緊力,隨著螺栓重復(fù)使用次數(shù)的增加,螺栓額定預(yù)緊力矩會逐漸增大,螺栓最大預(yù)緊力會有更明顯的增大。因此,需要對最大螺栓預(yù)緊力進行強度校核,應(yīng)滿足:

若強度滿足要求,則可驗證該批螺栓可以重復(fù)使用。

5 結(jié)論

大批量高強螺栓重復(fù)使用涉及到節(jié)能環(huán)保、經(jīng)濟效益和產(chǎn)品運行安全等方面,應(yīng)慎之又慎。首先,宏觀檢測必不可少,如螺栓/螺母應(yīng)無任何損傷、變形、滑牙、缺牙、銹蝕、螺紋裂紋,等等;其次,螺栓/螺母的力學(xué)性能應(yīng)能滿足相關(guān)標準的要求;還要對螺紋副摩擦因數(shù)進行統(tǒng)計分析,根據(jù)摩擦因數(shù)的離散性確定螺栓額定預(yù)緊力矩的調(diào)整量,最后校核螺栓最大預(yù)緊力是否滿足設(shè)計要求。

除調(diào)整螺栓額定預(yù)緊力矩外,還可以通過螺紋潤滑的方式來降低螺紋副摩擦因數(shù)及其離散性,進而降低所施加的額定預(yù)緊力矩;或者采用更精確的預(yù)緊工具和控制方式,降低螺栓實際預(yù)緊力矩的離散性。對于采用防松螺母的連接結(jié)構(gòu),還需考慮防松螺母額外扭矩隨使用次數(shù)的變化。

針對批量大、需多次拆卸的高強螺栓,在設(shè)計初期螺栓選型時,應(yīng)綜合考量,為后期螺栓重復(fù)使用預(yù)留合適的安全裕度。