动车组用螺栓重复使用可行性探讨

2021-03-02王冬

城市轨道交通研究 2021年2期

王冬

(中车长春轨道客车股份有限公司国家轨道客车工程研究中心,130062,长春//高级工程师)

螺栓是动车组装配的关键连接件之一，其性能对列车的稳定运行起到至关重要的作用。国内8辆编组的某高速动车组，其车下重型电气设备吊装、转向架安装、车钩安装均采用了8.8级以上的高强度螺栓[1]，规格有M20、M24、M36等，全列数量达到600枚以上。为保证结构的安全性，目前该类螺栓一旦拆卸则不允许再次使用。使用过的螺栓应该直接报废还是再次利用均无相应的理论依据及数据支持，因此有必要对螺栓的反复使用进行可行性论证，在保证安全的前提下尽量减少造修成本。

1 螺栓应用现状

螺纹连接结构广泛应用于建筑、轨道交通等领域。根据应用环境的不同需求，设计者会选用相应规格、材质、数量、强度等级的螺栓，以获得合理的安全系数，并兼顾结构的可靠性及经济性。对于螺栓，尤其是高强度螺栓能否多次重复使用，我国并没有统一的规定。对于塔吊用高强度螺栓，一般螺栓重复使用次数不超过2次[2]。对于建筑机械与设备用高强度紧固件，JG/T 5057.40—1995《建设机械与设备高强度紧固件技术条件》规定：高强度螺栓在螺纹牙型、表面状态等方面无较大变化的情况下，允许螺栓拆卸后再次使用；JGJ 82—1991《钢结构高强度螺栓连接的设计、施工及验收规程》规定：考虑到扭矩系数变化的影响，不得使用高强度螺栓兼做临时螺栓；美国AISC规程明确规定：ASTM A490螺栓和镀锌ASTM A325不得被重复利用[3]。

2 动车组用螺栓重复使用的研究方法

要进行螺栓的反复使用可行性论证，首先需要了解螺栓的性能，对螺栓进行全面的性能检验，从而来判断该螺栓是否满足指标要求，以及是否存在重新利用的前提条件。然后还需研究在重复加载过程中螺栓的夹紧力和力矩的变化、表面镀层破坏程度、螺纹变形情况、拉伸性能变化、疲劳性能变化以及耐腐蚀性能等，研究反复加载过程中这些性能变化是否对螺栓的安全使用产生显著影响。同时，依据试验结果对螺栓的安全系数进行深入分析，从而判断螺栓重复利用的可行性。

2.1 新螺栓性能检验

采用荧光光谱仪对螺栓的化学成分进行分析，如表1所示。由表1可知，C、Mn两种元素对螺栓强度发挥主要作用；Ni、Cu等元素可提高耐蚀性；Cr提高了钢的淬透性和回火稳定性，并有利于螺栓耐磨性和抗氧化；Mo则可增加螺栓淬透性；杂质元素P、S含量较低，表明螺栓的冶金质量较好。

表1 螺栓的化学成分

表2为3枚圆棒状螺栓试样的拉伸试验数据。ISO 898-1:2013标准对8.8级螺栓规定：屈服强度≥660 MPa，抗拉强度≥830 MPa，延伸率≥12.0%，断面收缩率≥52%。由表2可知，试验数据均满足ISO 898-1：2013标准对8.8级螺栓规定的性能要求。

表2 螺栓试样的拉伸性能数据

同时，对V型缺口冲击试样进行了冲击性能检验，在低温条件下的冲击功达到了80 J以上，远远高于标准要求的20 J。

2.2 反复加载试验

2.2.1 加载试验方法

为获得在加载条件下螺栓所产生的轴向力，参照螺栓的实际结构，在实验室范围内进行工况模拟。螺栓设计紧固力矩为275 Nm，试验时采用带数显的力矩扳手加载，螺栓的轴向力通过传感器在计算机中直接显示。图1 为实验室范围内螺栓轴向力测量装置图。

图1 实验室范围内螺栓轴向力测量装置图

2.2.2 相同力矩下夹紧力的变化

利用数显力矩扳手对螺栓加载至275 Nm，当轴向夹紧力保持稳定后卸载，按此反复进行试验，以研究相同的加载力矩、不同的加载次数对螺栓轴向夹紧力的影响。

表3为加载次数与轴向夹紧力之间的关系。由表3可知，首次加载时夹紧力为114 kN，第2次加载时夹紧力明显升高，但随着加载次数的增加，夹紧力逐渐降低。加载到第6次时，夹紧力逐渐趋于稳定，但明显低于初始数值。

表3 螺栓夹紧力与加载次数之间的关系

2.2.3 相同夹紧力下力矩的变化

对另一枚新螺栓加载275 Nm，此时显示轴向力为111.3 kN。卸载后再次加载，直到获得相同的轴向力，记录对应的扭矩数值。该试验用以研究在保持夹紧力不变的条件下，加载力矩的变化情况，见表4。数据显示，保持轴向夹紧力不变时，第2次的扭矩低于第1次；而第3次的扭矩不仅远高于第2次，而且还高于第1次。这与夹紧力变化结果是吻合的。当加载次数超过3次以后，扭矩值变化较小。

表4 相同轴向夹紧力下螺栓的扭矩变化

为了研究不同螺栓的加载规律，对10枚螺栓进行了该试验。其中，5枚重复加载5次，其余5枚为10次，试验结果见图2。由图2可知，加载前期的力矩整体呈下降趋势，且变化范围较小；当加载超过4次后，力矩的变化范围逐渐变大，尤其当加载至10次时，最大力矩达到了440 Nm，而最小力矩仅为180 Nm。力矩分散性加大时，表明螺栓不具备该条件重复使用的可能性。因此，螺栓的最多使用次数不应超过3次。

图2 10枚螺栓多次加载时扭矩变化图

2.2.4 螺栓表面质量的变化

图3分别为经过5次、10次加载后螺栓表面的破坏情况。由图3可知，经反复加载后，螺栓表面的镀锌层被完全破坏，这也是再次加载时螺栓的夹紧力和扭矩变化的重要原因之一。

图3 不同加载次数下螺栓表面的变化

2.2.5 螺纹形状的变化

图4为螺纹齿形的对比图。由图4可知，螺纹齿形变化不大，多次加载反而使得螺纹的齿形更加完整光滑。

图4 不同加载次数下螺栓螺纹形状的变化

2.2.6 螺栓拉伸性能的变化

表5为不同加载次数螺栓的拉伸性能变化规律。由表5可知，随着加载次数的增加，螺栓的强度和延伸率均未明显变化，甚至还略有增加，这是螺栓可重复加载使用的基础。

表5 不同加载次数下螺栓拉伸性能对比

2.2.7 螺栓疲劳性能的变化

按照GB 3075—1982《金属轴向疲劳试验方法》，对不同加载次数的螺栓进行疲劳性能测试。加载波形为正弦波，应力比R=0.1。测试结果见表6。由表6可知，螺栓的应力极限约为750 MPa，故以此为疲劳试验应力最大值。对于首次加载的新试样，允许的最大应力均超过750 MPa，而加载5次的试样在750 MPa时对应的疲劳寿命波动较大，加载10次的试样的疲劳寿命又有所回升。本试验采用的是由螺栓加工的试样，与前文中螺栓的机械性能数据不完全一致。但通过上述数据可判定反复加载后的试样，其疲劳性能虽有所下降，但仍然保持在较高水平。

表6 不同加载次数下试样的疲劳性能对比

2.2.8 螺栓耐蚀性能的变化

反复加载后，螺栓表面镀层被破坏，耐蚀性能也将有所变化。为了更直观地证明镀锌层的作用，按照GB/T 10125—1997《人造气氛腐蚀试验盐雾试验》，分别将带有镀锌层和脱掉镀锌层的两种螺栓置于实验箱中进行不同时间的中性盐雾试验。取出后去除腐蚀产物并称重。螺栓表面镀锌层的存在使其在NaCl溶液中几乎保持原状态，失重率非常低，4周仅失重0.05 g。相应去掉镀锌层的螺栓失重则达到11.88 g。图5为盐雾腐蚀后螺栓表面情况对比。

图5 盐雾腐蚀后未除锈前的螺栓表面状态

3 试验分析

螺栓在反复加载过程中，有8个性能发生了改变，包括表面质量、夹紧力、力矩、螺纹形貌、拉伸性能、疲劳性能、耐腐蚀性能等。其中，螺栓的表面质量、力矩发生较大变化，而拉伸性能、耐腐蚀性能、螺纹形貌则变化较小，疲劳性能略有降低。如果螺栓需要重复使用，需分析上述因素对螺纹连接可靠性的影响。

在这些性能中，与螺栓使用直接相关的是螺栓的夹紧力和力矩的变化。对于一般螺栓而言，其扭矩和夹紧力需满足：

P=T/(KD)

(1)

式中：

P——螺栓的夹紧力；

T——扭矩；

K——扭矩系数；

D——螺栓的直径。

从式(1)可以看出，在预设夹紧力不变的情况下，扭矩与扭矩系数有关。而影响扭矩系数的因素主要包括螺牙表面状态、润滑情况、环境温度等，其中螺牙表面状态影响最为显著。螺栓反复加载时恰恰对螺纹表面状态的改变最为明显，大量镀锌层被破坏，螺牙表面变得光滑，均对螺栓的耐蚀性能和夹紧力产生较大的影响。

3.1 螺纹表面再处理

若螺栓在沿海环境性气候、潮湿性气候以及具有腐蚀性气候等地域使用，螺栓表面的镀锌层极易受到环境腐蚀，甚至形成局部电池，破坏螺栓基体。同时，在雨水中酸性物质的作用下，可能存在电解氢，使得螺栓存在氢脆、延迟断裂的风险[4]。在这种环境下，如果螺栓重复利用，则必须重新镀锌，以保护螺栓基体。镀锌后不仅可改善螺栓的耐蚀性能，而且也减小了相同力矩下螺栓夹紧力的分散性。

3.2 螺栓重复使用时的紧固方式

图6为不同螺栓均按275 Nm的力矩初次加载时所获得的夹紧力测试结果，其夹紧力范围为95～115 kN。前文采用相同扭矩对同一螺栓进行反复加载，其夹紧力范围已扩大至80～130 kN。通过换算得出两种加载方式下螺栓的应力范围分别为387～469 MPa、326～530 MPa。试验测得螺栓的屈服强度为780 MPa，对应的安全系数范围分别为2.02～1.66、2.39～1.47。

图6 螺栓在初次加载时所获得的夹紧力

采用相同力矩多次加载时，螺栓的应力变化幅度较大，安全系数分散性亦较大。故采用控制螺纹表面状态或控制力矩进行螺栓的重复利用，更符合实际应用条件，亦更有利于重复使用的螺纹连接的可靠性。

以2.2.2、2.2.3节中的数据为基础进行分析，选择同一螺栓反复加载时的力矩。图7为不同螺栓获得与初次加载相同夹紧力时第2次加载力矩的变化规律。由图7可以看出，螺栓在第2次使用时，其力矩范围为200 ～270 Nm。考虑到数据的波动性,并为获得稳定的夹紧力，螺栓第2次使用时力矩可控制在240～260 Nm。