张怀耀

(中国铁路上海局集团有限公司 合肥车辆段，安徽 合肥 230011)

气制动作为城市轨道车辆的重要系统，直接影响到车辆的运行性能和安全。对于国内外城市轨道车辆气制动管路系统，由于压紧式和卡套式管接头具有连接力大、结构紧凑和便于拆卸等优点，逐渐发展成为主流结构形式。同时，气制动系统管接头还需要保证管路具有良好的密封性。

不难理解，密封的实现是以被联接结构的接触界面间具有足够大的张紧力为前提。然而，随着轨道车辆运行时间的增长，管接头螺纹联接副的张紧力会发生缓慢下降，即所谓的螺纹联接松弛。虽然螺纹联接松弛在初始阶段并不会引起重大事故，但在其逐步失效过程中，螺纹联接副张紧力会越来越低，由此导致的泄漏、制动气压不足等故障也是不容忽视的。

1 管接头螺纹联接密封原理

本文以压紧式管接头螺纹联接作为研究对象，压紧式管接头螺纹联接副如图1所示，其中，密封圈和垫片起到密封作用，密封效果由卡簧提供的轴向压力F所确定，而轴向力F是通过接头螺母在拧紧过程中对卡簧的挤压作用而产生的，以下简称轴向张紧力。

图1 压紧式管接头结构示意图

1.1 管接头螺纹联接紧固力矩及其分配

当拧紧螺纹时，需要克服接头中间体与接头螺母螺纹副间的摩擦力矩T1和卡簧与接头螺母内表锥形面间的摩擦力矩T2，两者之和称为紧固力矩。对于三角形螺纹，借鉴螺栓联接紧固力矩公式[1-2]，管接头螺纹联接紧固力矩T的计算式可表述为：

(1)

式中，F是螺纹副拧紧过程中产生的轴向张紧力；d2是接头中间体外螺纹的有效直径；φ是螺纹升角，tanφ=p/(πd2)，p是螺距(单头螺纹)；ρ′是螺纹当量摩擦角(tanρ′=μs/cosβ′)，μs是螺纹副间的摩擦因数，β′是螺纹垂直截面的牙型斜角，它和轴向截面牙型斜角β的关系为：tanβ′=tanβcosφ，对于米制螺纹有tanβ′=0.577cosφ；θ是卡簧与接头螺母接触面倾角；μw是卡簧与接头螺母接触面间的摩擦因数；dw是卡簧支承面摩擦力矩的等效直径。

对于米制螺纹，φ值通常在2°30′左右，tanφ是一个小量，tanρ′通常也是一个远小于1的数，由此可认为：

(2)

于是，式1可以表示为：

(3)

文中以联接φ12 mm气制动管路所用的M20×1.5管接头为例，代入紧固件尺寸和相应的摩擦因数值(μs=μw=0.1)得出：表征螺旋副斜面作用的第1部分力矩值，即用于轴向张紧的力矩值(Fp/(2π))约占总比率的5.4%；表征螺纹副中摩擦作用的第2部分力矩值(Fd2μs/(2cosβ′))约占24.8%；表征卡簧支承面摩擦作用的第3部分力矩值(Fdwμw/(2cosθ))约占69.8%。

紧固力矩产生的效果分配情况如图2所示。从图2可以看出，真正分配到轴向张紧力上的力矩只占很少的一部分[3]。

图2 螺纹副紧固力矩分配情况

1.2 轴向张紧力理论方程

由式3可知，管接头中的轴向张紧力F可表达为：

(4)

式4描述了在联接件之间的接触应力达到屈服极限前的轴向张紧力的理论关系，称为理论方程。由式4可以看出，张紧力的大小由紧固力矩(T)、螺纹副及卡簧与接头螺母接触面间的摩擦因数(μs、μw)和螺纹副的几何变量(d2、dw、β′、p、θ)确定。

若摩擦因数是常数，则由方程可知，对于确定的联接件，轴向张紧力和紧固力矩呈线性关系。M20×1.5螺纹联接管接头副轴向张紧力F与紧固力矩T之间的关系曲线如图3所示，此处设定μs=μw。从图3中可以看出不同摩擦因数与轴向张紧力F的对应关系。设定紧固力矩为100 N·m，当摩擦因数为0.5时，得到轴向张紧力为4.71 kN；当摩擦因数为0.05时，则轴向张紧力>40 kN，管接头内的轴向张紧力受摩擦因数的影响极大。因此，要得到稳定的轴向张紧力，仅仅控制紧固力矩是不够的，必须对摩擦因数加以控制，避免摩擦因数的波动导致轴向张紧力的不稳定。

图3 F-T关系曲线

1.3 管接头螺纹联接的松弛力矩

对于有张紧力F的管接头，若使之松驰，则需施加一反向力矩。与拧紧力矩类似，在松弛力矩T′的计算公式中，仅需将式1中螺纹升角φ改变为负号，即：

(5)

有文献表明，螺纹松弛力矩约为拧紧力矩的80%[4-5]，若要使联接松动，则所施加的力矩比拧紧力矩要低20%左右，这是由螺纹联接的结构特点决定的，也是促成螺纹联接易松动的内在原因。

一般情况下，由于螺纹联接中螺纹接触面的摩擦角一般大于螺纹的螺旋角，满足自锁条件。对于管接头螺纹联接副，自锁条件可表述为：

(6)

则：

(7)

由式7可以得出，对于粗牙螺纹，由于螺距p较大，为保证安全的自锁条件，必须要有较高的摩擦因数；反之，对于细牙螺纹，选择较小的摩擦因数即可。考虑到小摩擦因数有利于提高轴向张紧力的特点，制动管路应优先选用小摩擦因数细牙的管接头。

2 管接头联接性能影响因素及其试验研究

2.1 管接头联接性能影响因素

管接头联接性能的影响因素有如下几个方面。

1)蠕变松弛引起的螺纹松动。管接头联接完成后，由于张紧力的存在，引起管接头螺纹副局部塑性变形，会造成联接在某种程度上的初始松动，称为蠕变松驰(亦称为应力松弛)。试验发现，在管接头拧紧后，紧固力矩会立即发生大幅度减小现象；之后，随时间的延长，紧固力矩减小的速度降低，最终达到平稳状态。在今后的工作中，有必要对管接头紧固力矩达到稳定状态的时间进行研究，为紧固力矩复扭时间的确定提供依据[6-7]。

2)振动环境引起的联接松动。制动管路在轨道车辆运行过程中承受着由车辆振动引起的交变载荷。当管接头在受到瞬时的较大冲击或持续的振动时，由于部件尺寸微小变化及相互位置的瞬时移动, 从而导致螺纹副之间、卡簧与接头螺母之间，以及卡簧与管壁之间的摩擦阻力会突然减小，进而导致残余紧固力矩和轴向张紧力都会降低，造成松动失效[8-10]。

3)螺纹锁固剂对联接松动的影响。实际上，螺纹锁固剂相当于粘结剂，可以提高螺纹副之间的摩擦力，使其不容易松脱；因此，添加了螺纹锁固剂后，管接头的残余紧固力矩会有所增加。

4)温度对联接松动的影响。温度对管接头松动的影响主要表现在2个方面：热胀冷缩和应力松弛。如果内螺纹材料热膨胀系数大于外螺纹材料，则在低温环境下，螺纹副之间会产生微观间隙，从而降低螺纹副间的残余紧固力矩；然而，应力松弛却在高温环境下容易产生，由此高温会减弱残余紧固力矩。两方面相互制约，因此探讨温度对联接松动的影响应该从这2个方面进行综合评估[11-12]。

2.2 管接头联接性能试验

通过对不同材料和规格的管接头，在不同工况下进行试验，以确认相关因素对联接性能影响的大小。由于管接头联接密封性能指标(轴向张紧力)在试验过程中难以精确测定，因此采用与轴向张紧力成正比关系的残余力矩作为密封性能指标。

管接头试验件包括管路直径分别为12和22 mm的压紧式碳钢管接头和压紧式不锈钢管接头2类，管接头编号参见表1。静态残余力矩测试是在管接头拧紧后静置24 h后进行。振动试验按照IEC 61373—2010(机车车辆设备冲击振动试验)标准执行。使用的螺纹锁固剂牌号为LOCTITE 577。试验温度参数设定为低温(-10 ℃)、常温(10 ℃)和高温(40 ℃)等3种，其中，高、低温度下的残余力矩是指将管接头拧紧后在相应温度下加温24 h，再置于室内待恢复常温后进行的测量值。

表1 管接头编号说明表

2.2.1 压紧式碳钢管接头试验

设定管路直径为12和22 mm的管接头初始紧固力矩分别为50和100 N·m，其在各种工况下的残余紧固力矩如图4所示。

图4 压紧式碳钢管接头螺纹残余紧固力矩

从图4分析如下。

1)螺纹锁固剂的影响。在无冲击振动环境下，对于直径为12 mm的管接头，有锁固剂比无锁固剂的残余紧固力矩平均提高了约16%，对于公称直径为22 mm的管接头提高了约24%；而在冲击振动环境下，对于直径为12和22 mm的管接头，锁固剂使得残余紧固力矩分别提高了约6%和36%。试验结果表明，螺纹锁固剂确实可提高管接头的残余紧固力矩，尤其是对公称直径大的管接头的影响更为明显。对此可以解释为是由于螺纹公称直径增加后，锁固剂产生的摩擦力矩增加的缘故。

2)冲击振动的影响。对于无锁固剂的管接头，冲击振动使得直径为12和22 mm的管接头残余紧固力矩分别降低了约25%和15%；对于有锁固剂的管接头，冲击振动使得直径为12和22 mm的管接头残余紧固力矩分别降低了约31%和7%。试验结果表明，冲击振动可明显降低管接头的残余紧固力矩，尤其是对公称直径小的管接头的影响更为明显。

2.2.2 压紧式不锈钢管接头试验

设定管路直径为12和22 mm的管接头初始紧固力矩分别为50和100 N·m，其在各种工况下的残余紧固力矩如图5所示。

图5 压紧式不锈钢管接头螺纹残余紧固力矩

从图5分析如下。

1)卡环是否带齿的影响。卡环是否带齿对残余紧固力矩的影响规律不够明晰。比如，在低温无振动环境下，直径为12 mm的卡环带齿的管接头残余紧固力矩比无齿的要小，但是在直径为22 mm的管接头中，卡环带齿的管接头残余紧固力矩比无齿的要大；直径为12 mm的管接头在高温无振动环境下，卡环是否带齿对残余紧固力矩并无影响。

2)温度的影响。与低温状态相比，高温(40 ℃)会降低残余紧固力矩，但公称尺寸不同，振动环境不同，其影响程度也不同。在无振动环境中，直径为12 mm的有齿卡簧管接头高温比低温的残余紧固力矩小11%，但直径为22 mm的有齿卡簧管接头高温比低温的残余紧固力矩小38%。在有振动环境中，高温对残余紧固力矩的影响减弱，比如直径为22 mm的有齿卡簧管接头高温比低温的残余紧固力矩小13%，直径为12 mm的管接头残余紧固力矩在高温下甚至大于低温时的残余紧固力矩。

3)冲击振动的影响。在低温状态下，冲击振动对残余紧固力矩的影响比较明显，与无振动状态下的残余紧固力矩相比，振动使得残余紧固力矩下降幅度达30%～50%；但高温状态下，冲击振动对残余紧固力矩的影响不够明显。

3 结语

通过上述研究，可以得出如下结论。

1)通过管接头螺纹联接紧固力矩的理论公式，给出紧固力矩产生的效果分配情况，结果表明，真正分配到轴向张紧力上的力矩只占紧固力矩总值很少的一部分。

2)管接头螺纹联接轴向张紧力理论公式表明，要得到稳定的轴向张紧力，必须对摩擦因数加以控制。

3)综合考虑管接头螺纹联接的轴向张紧力和松弛力矩公式，制动管路应优先选用细牙小摩擦因数的管接头。

4)管接头联接性能试验结果表明，在低温和常温状态下，冲击振动可明显降低管接头的残余紧固力矩；但在高温状态下，冲击振动对残余紧固力矩的影响不显著。另外，温度对管接头联接性能的影响比较复杂，具体讨论应从热胀冷缩和应力松弛这2个方面进行综合评估。

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