潤滑劑對軌道交通車輛緊固件摩擦系數影響研究

摘要 當采用扭矩法控制螺栓裝配時，為得到較穩定的安裝軸力，工程上通常采用螺栓涂抹潤滑劑的方式。文章對此進行了不同潤滑工況對螺栓擰緊狀態影響的研究，試驗結果表明，不同潤滑劑對螺紋及螺栓端面摩擦系數均有不同程度的影響。通過上述試驗，希望可為軌道交通車輛緊固件連接質量及裝配工藝的改善提供參考和依據。

關鍵詞 潤滑；摩擦系數；軸力；螺紋；螺栓端面

中圖分類號 TB33 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2023）07-0001-03

0 引言

在螺栓預緊過程中，為獲得一致的初始預緊力，隨著螺栓摩擦系數的增大，需要施加更大的擰緊力矩。這可能導致螺栓受到的剪切應力過大，從而引起螺栓發生較大的塑性變形，甚至發生斷裂。軌道交通車輛生產過程中通常采用扭矩法控制螺栓裝配，在螺栓擰緊過程中，擰緊工況的不同會顯著影響摩擦系數和扭矩系數，從而影響最終的安裝軸力。安裝軸力的大小會影響密封和外載荷下連接結構的力學性能等，因此研究從擰緊力矩到安裝軸力的轉化關系變得尤為重要。該文對影響螺栓連接件扭矩系數的潤滑因素進行分析，通過理論研究與實驗數據推導其影響規律，從而提出控制螺栓連接質量的方法。

1 實驗背景分析

蔡躍波的論文對小尺寸螺栓擰緊過程中夾緊力的影響因素做了深入研究，得出了潤滑與墊圈均可不同程度地提升螺栓連接質量[1]。楊涯學的論文指出螺栓表面處理方式的不同對扭矩系數的影響很大[2]。根據生產經驗影響軌道交通車輛螺栓連接質量的因素主要為潤滑條件、墊圈類型和螺母類型等，該文主要針對潤滑條件開展對比實驗。實驗材料均為軌道交通車輛關鍵連接部件的緊固件實際材料。實驗條件參照標準GB/T16823.3—2010緊固件－扭矩－夾緊力實驗設定[3]。

2 實驗原理及條件

實驗理論原理根據螺栓力矩公式，在擰緊過程中，施加的總的擰緊力矩T主要由螺紋摩擦力矩Tth和端面摩擦力矩Tb兩部分組成。螺紋摩擦系數（μth）、端面摩擦系數（μb）和總摩擦系數（μtot）可通過公式1～4計算出：

Tb=T?Tth （1）

（2）

（3）

（4）

式中，F——夾緊力；P——螺距；d2——螺紋中徑；Db——螺母或螺栓頭下支撐面的摩擦直徑。

通過開展不同潤滑條件的螺栓擰緊實驗，以確定不同潤滑條件對螺栓連接質量的影響程度。實驗螺栓采用強度等級8.8的M12×65螺栓，螺母為強度等級8的M12螺母，均采用A3C的表面處理方式。為了便于實驗機器安裝測試，采用長條均布孔的標準硬墊塊模擬被連接件。

試樣裝配方式如圖1～2所示。

3 不同潤滑介質實驗結果

潤滑常用于降低緊固件摩擦系數。提高螺栓摩擦系數，一方面可以增大螺栓摩擦力矩，從而抑制螺栓的旋轉；另一方面，將增加螺栓的擰緊難度，這意味著為獲取相同的初始預緊力，摩擦系數大意味著需要施加更大的擰緊力矩，這可能導致螺栓受到的剪切應力過大，從而引起螺栓發生較大的塑性形變，甚至斷裂。

為了獲得不同潤滑介質的潤滑效果，特開展該項實驗。該實驗潤滑劑選用MoS2、NBU30PTM、鋰基潤滑脂SHC220、樂泰243以及浸油。分別將這些潤滑劑涂抹在螺紋或被連接件接觸端面位置，采用螺栓緊固分析系統的電動擰緊軸以5 rpm的轉速擰緊螺母使扭矩達到65 N·m，同時，測試緊固件的摩擦系數等各連接參數。該項實驗主要研究不同潤滑劑對摩擦系數的影響以及端面是否涂抹潤滑劑對摩擦系數的影響，因此不使用墊片。

對每組實驗數據的端面摩擦系數、螺紋摩擦系數、總摩擦系數和軸力進行平均值及標準差計算，數據如圖3～4所示。

4 實驗結果分析

根據實驗結果，在不采取任何潤滑措施的情況下，緊固件的平均端面摩擦系數為0.211，平均螺紋摩擦系數為0.356，平均總摩擦系數為0.274，摩擦系數遠遠高于標準TB/T3246.2—2010中的規定值，端面及螺紋摩擦系數范圍0.08～0.16以及總摩擦系數范圍0.09～0.14[4]。偏大的摩擦系數導致65 N·m擰緊力矩最終得到的平均安裝軸力僅為15.846 kN，且每組樣本結果的標準差很大，摩擦系數和安裝軸力一致性很差。各種潤滑劑可不同程度地降低摩擦系數，提高摩擦系數一致性。僅潤滑螺紋部分，涂樂泰243和鋰基潤滑脂SHC220的實驗組總摩擦系數依舊高于TB/T3246.2規定的范圍值且一致性不理想。根據圖4結果，在螺紋和端面均涂潤滑劑，可大幅降低總摩擦系數；除了浸油的實驗組之外，其余潤滑劑均可大幅提升摩擦系數與軸力的一致性。

5 結論

（1）無潤滑下螺栓的軸力和摩擦系數離散度比較大，螺栓端面和螺紋涂潤滑劑下的軸力和摩擦系數離散度比較小。

（2）相同擰緊力矩下，螺紋端面和螺紋涂抹潤滑劑能提升螺栓軸力并降低軸力標準差，很好地控制螺栓連接質量。

為了獲得相同大小的軸力，涂有潤滑油或者潤滑脂的螺栓需要的擰緊力矩較小，這意味著為了達到同樣的擰緊效果，經過端面和螺紋潤滑的螺栓擰緊起來更省勁。

這是生產單位的實驗數據，僅作參考。正式安裝時，由于環境和氣候等條件變化，推薦值會有所變化，因此實際安裝時應以實際測定值為準。

參考文獻

[1]蔡躍波， 安魯陵， 王楚凡， 等. 螺栓擰緊過程中工況對復合材料連接結構夾緊力的影響[J]. 復合材料學報， 2022（2）： 812-822.

[2]楊涯學， 曹衛亮. 達克羅高強螺栓扭矩系數的影響因素[J]. 理化檢驗（物理分冊）， 2011（3）： 196-198.

[3]緊固件-扭矩-夾緊力實驗： GB/T16823. 3—2010[S]. 北京：中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局， 2010.

[4]機車車輛及其零部件設計準則： TB/T3246. 2—2010 螺栓連接 第2部分：設計－機械制造應用[S]. 北京：中華人民共和國鐵道部， 2010.