高速接触网紧固件防松措施差异性技术研究

许建国，李忠齐，张志刚

高速接触网紧固件防松措施差异性技术研究

许建国，李忠齐，张志刚

对螺纹连接副结构防松机理进行了螺纹受力、螺纹自锁条件和支承面受力分析，阐述了造成螺纹连接副松动的主要原因。选取接触网紧固件M10和M12连接螺栓测试样品，针对不同防松方式进行了静动态测试，分析总结出不同防松方式技术差异特性，提出了接触网不同紧固件防松方式建议，对接触网工程建设有一定的参考价值。

接触网；螺纹连接副；紧固件；布氏硬度

0 引言

标准普通螺纹连接具有自锁性，在常温和静载时具有较高的连接可靠性，不会松脱。但在冲击、振动、载荷变化较大的情况下，或者工作温度变化很大时，螺纹连接副之间的摩擦阻力不稳定，常常因在某一瞬间应力急剧减小或增加而失去自锁能力，螺纹连接副之间就会出现相对滑移转动，导致螺纹连接副松脱。TB/T2073标准中要求接触网紧固件螺纹连接副需采取必要的防松措施，但未规定具体形式。在高速铁路动车组双弓重联编组实际运营过程中，发生过接触网系统紧固件因受到冲击和振动产生松脱现象，影响了行车安全。为提高接触网系统连接的可靠性和技术经济性，确保行车安全，有必要对接触网不同紧固件进行防松差异性技术研究。

1 螺纹连接副结构受力及松动原理分析

1.1 螺纹连接副结构受力分析

1.1.1 螺纹力学分析

基于矩形螺纹的受力情况对螺纹连接副的防松机理进行分析。将矩形螺纹沿平均直径d2展开，得到斜角等于螺纹升角λ的斜面，将螺母简化为承受轴向载荷Ff的滑块，设Fs为圆周推力，其作用方向与圆周相切，与拧紧（或松退）连接副的力矩Ts等效，如图1（a）所示。

当该滑块静止或作等速直线运动时受3个力的作用，即轴向载荷Ff、推力Fs和摩擦力Rs。当滑块沿斜面等速上升（相当于拧紧螺母）时，作用于滑块上的各力平衡，力多边形封闭，如图1（b）所示，由此可得平衡方程为

式中，ρs为摩擦角，与之对应的摩擦系数为μs，二者关系为μs=tanρs。

当滑块沿斜面等速下降（相当于松退螺母）时，摩擦力方向改变，Fs成为阻力，作用于滑块上的各力平衡，力多边形封闭，如图1（c）所示，由此可得平衡方程为

拧紧和松退螺母所需力矩为

对于普通螺纹，牙形角α为60°，可看成楔形块在斜槽内运动，此时，以当量摩擦系数sμ′代替摩擦系数μs，以当量摩擦角sρ′代替摩擦角ρs，可得

上述式（1）—式（3）可分别改写为

图1 矩形螺纹连接副受力分析

1.1.2 螺纹自锁条件

从式（2）和式（5）可以看出，当λ≤ρs或λ≤sρ′时，推力Fs≤0，表明Fs为零或其方向改变，此时，螺母只有受到与图1中Fs方向相反的推力才能松退，轴向力无论多大螺母都不会松退，而且轴向推力越大，松退力也越大。故螺纹自锁条件为

根据三角展开公式可得

螺纹紧固件采用普通螺纹，螺纹升角于2°30′～3°之间，tanλ≤tan3°=0.052 4，而金属材料的静摩擦系数一般为0.1～0.3，式（8）中tanλstanρ′远小于l，因而可以近似得到

式（9）表明普通螺纹紧固件可满足螺纹自锁条件。

1.1.3 支承面的受力分析

在装配及使用中，紧固件支承面（螺栓、螺钉的头下支承面、螺母的承载端面等）同时也承受与螺纹大小相同的轴向力Ff，在拧紧或松退时，该支承面产生与运动（或运动趋势）方向相反的力矩Tw，其值为

式中，μw为支承面摩擦系数；Dw为支承面摩擦扭矩的等效直径，该直径与支承面形状有关。

1.2 螺纹松动原理分析

所谓螺纹松动是指螺栓连接副全部或部分丧失轴向预紧力。既然紧固件的螺纹可满足自锁条件，又有支承面摩擦力矩存在，螺纹仍会出现松动，有如下2个方面原因：

（1）交变载荷、振动和冲击造成螺纹连接副松动。在静载荷条件下，螺栓仅承受轴向载荷，由于螺纹升角的作用，紧固螺母和松退螺母所需的扭矩不同，经过测试，松退力矩通常约为紧固力矩的80%。在没有附加扭矩的情况下，由于摩擦力作用，连接副不会松动。但在振动或有冲击的环境中，由于惯性作用，被紧固零部件之间会产生相互搓动，使螺纹连接副和螺母支承面的摩擦系数急剧下降，甚至出现摩擦阻力瞬时消失，破坏了原有力的平衡关系，使螺纹连接副不能满足自锁条件而产生微量相对滑动。从式（9）不难看出，滑动向拧紧螺母方向比向松退螺母方向需要克服更大的阻力，所以，向拧紧螺母方向滑动的可能性极小。反复出现的微量相对滑动累加会使预紧力减小，最终导致连接副松动。

（2）螺纹连接副和被连接零部件在过大的应力作用下产生的塑性变形造成螺纹连接副松动。连接副中各零部件的材质、硬度及表面粗糙度等不同，螺纹紧固后会存在某些局部塑性变形，且这种塑性变形在使用过程中继续增大，使螺纹轴向紧固力下降，导致螺纹表面正压力减小，自锁性能下降，从而加速了螺纹连接副的松动。

2 紧固件防松性能评定和常用防松措施

目前评定紧固件的防松性能采用的试验方法有2种标准：（1）国家军用标准紧固件加速振动试验方法（GJB 715.3A-2002），该方法的加载方式和振动、冲击条件更接近于各种紧固件的实际使用状态，但对紧固件连接副的防松性能无法直接评定；（2）紧固件横向振动试验方法（GB/T 10431-2008），这是目前国内紧固件防松性能试验普遍采用的方法。它是通过对螺栓（或螺钉）直接加力，使紧固件连接副在较短时间内产生松动，通过监测振动过程中紧固件轴向预紧力的变化及振动次数（或时间），衡量不同防松方式紧固件的防松性能。紧固件常用防松措施原理和类型如表1所示。

表1 紧固件常用防松措施原理和类型

3 测试方案

3.1 接触网紧固件防松技术要求和检测取样

TB/T2073规定接触网紧固件在采用螺栓、螺母、螺纹连接或其他形式连接时应有防松措施。其防松性能参照GB/T 10431中要求：在不同防松方式规定的紧固力矩及润滑条件下，振幅0.1d（d为紧固件直径），频率10 Hz，振动1 200次，紧固1次及5次拆装后，残余轴力与初始轴力之比不低于70%。

本文基于接触网零部件中关键部位和使用量较大的M10、M12螺栓连接，随机抽取各10件，以“螺母/弹垫/平垫”的装配方式安装进行试验，记录基础数据并进行分析。

3.2 静态测试内容

（1）依照GB/T231.4-2009《布氏硬度试验》对各种类型防松紧固件进行布氏硬度检测。

（2）对“普通螺母/弹垫/平垫”方式按标准紧固力矩值进行紧固，测量其轴向夹紧力，以该数值作为基准，对其他形式紧固件进行紧固力矩、松退力矩的对比测试。

（3）将“普通螺母/弹垫/平垫”方式的标准紧固力矩值作为基准，对其他形式紧固件进行轴向夹紧力及松退力矩的对比测试。

3.3 动态测试内容

以“普通螺母/弹垫/平垫”方式在标准紧固力矩紧固后的轴向夹紧力为基准，对各种形式的防松方式依据GB/T 10431-2008《紧固件横向振动试验方法》要求进行横向振动试验，将经过1 200次横向振动后的残余轴向夹紧力进行对比分析。轴向夹紧力变化与振动次数关系如图2所示。

对应于每一个试件均可得到一条类似于图2所示的曲线，通过对比各试件的测试曲线，评价其防松效果。

图2 轴向夹紧力与振动次数关系

4 接触网紧固件试验结果与分析

4.1 接触网紧固件静态测试分析

静态测试数据见表2—表4，通过分析可得：（1）对不同防松类型的紧固件施加相同的紧固力矩，其轴向夹紧力差别很大；（2）防松类紧固件的紧固力矩大于松退力矩；（3）在相同轴向夹紧力条件下，防松类紧固件紧固力矩值的变化与防松方式、具体连接螺栓规格有关；（4）在相同紧固力矩条件下，防松类紧固件轴向夹紧力的变化与防松方式、具体连接螺栓规格有关；（5）紧固件表面硬度对螺栓紧固过程和防松性能有一定影响；（6）紧固件表面光洁度及润滑情况对螺栓紧固力矩、轴向夹紧力有一定影响。

表2 各种防松紧固件布氏硬度值测试数据 HBS

表3 相同轴向夹紧力条件下防松紧固件紧固力矩与松退力矩测试数据

4.2 动态检测结果分析

根据动态测试结果，以同一轴向夹紧力为前提，对横向振动后各类型的紧固件连接副轴向夹紧力下降幅值进行排序比对，得出以下结论：

（1）紧固件的松退力矩和紧固力矩的大小与防松效果没有必然联系。

（2）采用不同防松措施的紧固件其防松稳定性也各不相同。如弹簧嵌件螺母、ERM自锁螺母、尼龙嵌件螺母、偏心双螺母的测试数据比较稳定；锥压抱紧螺母、双斜开槽螺母、齿形双垫片的测试数据稳定性较差；齿形双垫片与其相接触的螺母和被紧固基体的硬度相关。

（3）不同防松紧固件的防松性能不同。若以防松件的残余轴向夹紧力与初始轴向夹紧力的百分比作为评判标准，防松性能优劣排序为：螺纹锁固胶、偏心双螺母、锥压抱紧螺母、弹垫/止动垫片、施比牢螺母、弹簧嵌件螺母、尼龙嵌件螺母、ERM自锁螺母、普通双螺母（不锈钢）、双斜开槽螺母、齿形双垫片。

表4 相同紧固力矩条件下防松紧固件轴向夹紧力与松退力矩对比测试数据

5 结语

从上述螺纹连接副防松机理和静动态测试结果可知：（1）防松类紧固件的紧固力矩大于松退力矩；（2）不同防松类型的紧固件施加相同的紧固力矩，其轴向夹紧力差别很大；（3）紧固件防松效果主要与紧固件的防松结构有关，螺纹连接副的硬度、表面光洁度等因素对防松效果也有一定影响。为接触网系统连接选用防松措施时，应充分考虑其实际工况，并结合技术经济性、安全可靠等级进行差异性选择，不能仅依赖于广义的规定或指定。

[1]TB/T 2073-2010电气化铁路接触网零部件技术条件[S].

[2]TB/T 2074-2010电气化铁路接触网零部件试验方法[S].

[3]TB/T 2075-2010电气化铁路接触网零部件[S].

[4]GB/T 10431-2008紧固件横向振动试验方法[S].

[5]GJB715.3A-2002紧固件试验方法振动[S].

[6]GB/T231.4-2009布氏硬度试验[S].

The paper analyzes the anti-loosening mechanism of thread connecting sets in terms of thread stress,self-locking conditions of thread and stress of supporting face,illustrates main factors resulting in loosening of thread connecting sets.Bolts of M10 and M12,served as OCSfasteners,are selected as samples for testing,both static and dynamic tests are made under different anti-loosening modes,analyzes and summarizes the technological differences under different anti-loosening modes,and puts forward the proposals for adopting the anti-loosening modes for OCS,providing certain references for construction of OCSengineering.

Overhead contact system;thread connecting sets;fastener;Brinell hardness

U225.4

A

1007-936X(2017)06-0025-05

10.19587/j.cnki.1007-936x.2017.06.007

许建国.中铁电气化局集团有限公司，教授级高级工程师；

李忠齐.中铁电气化局集团宝鸡器材有限公司，教授级高级工程师；

张志刚.朔黄铁路发展有限责任公司原平分公司，工程师。

2016-10-23