軌道交通車輛緊固件的防松設計與表面處理

劉 陽 張海民

（國能鐵路裝備有限責任公司，滄州 061113）

車輛總體結構及各零部件之間的連接方式主要有焊接、鉚接和螺紋緊固連接等方式。在軌道交通車輛的生產制造中，螺紋連接優點顯著，如容易拆卸、重復使用率高、可互換性強、成本較低等，因此該連接方式常見于螺栓緊固件的使用。據統計，機械制造業領域中螺紋連接大約占所有連接方式的68%[1-2]。幾種典型的螺紋緊固件，如圖1 所示。文章從螺紋緊固件的選用原則、防松設計和表面處理工藝等方面進行簡述，總結出緊固件在不同應用場合下適合采用的防松方式和表面處理工藝。

圖1 典型的螺紋緊固件

1 螺紋緊固件的選用原則

1.1 環境要素

不同的溫度、濕度、工作載荷以及被連接件的材料屬性都會影響螺紋緊固件的選擇，即同一種防松緊固件的防松效果會因外部條件的變化而不同。因此，在選用螺紋緊固件前必須明確應用環境的工況載荷情況、工作溫度、濕度以及被連接件的材料屬性對松動過程的影響程度[3]。其中，材料屬性主要涉及屈服強度、抗拉強度、彈性模量和硬度等。

1.2 風險要素

在車輛緊固件的選擇過程中，應按照緊固件應用場合及風險等級進行選擇，從而優化整體緊固效果[4]?！稒C車車輛螺栓連接設計準則 第1 部分：螺栓連接的分類》（TB/T 3246.1—2019）將風險等級按照嚴重程度分為高、中、低3 種級別，高風險等級的螺紋一旦發生松脫失效，很可能對生產運行、人身安全等產生直接或間接的影響。

1.3 標準要求

《機車車輛螺栓連接設計準則 第1 部分：螺栓連接的分類》（TB/T 3246.1—2019）[5]和《機車車輛螺栓連接設計準則 第2 部分：機械應用設計》（TB/T 3246.2—2019）[6]規定，螺紋連接中緊固件應選用符合相關要求的鋼制或者不銹鋼制的螺栓和螺母。

2 螺紋防松設計

預緊力大小與緊固件防松效果有著直接的關系。預緊力可以增加螺栓與被連接件之間的摩擦，產生的摩擦力能夠起到防松效果。對于特定的螺栓，影響預緊力大小的相關因素包括擰緊力矩、螺栓與其匹配螺母之間的摩擦力、螺母與被連接件之間的摩擦力[7]。螺紋連接可以采用增大摩擦力、機械方法防松和鉚沖法3 種方法中的任意一種進行防松設計，也可以通過兩兩結合的方法進行防松設計[8-12]。常見的防松設計方法如圖2 所示。

圖2 常見防松設計方法

摩擦防松方式通過增加摩擦力來阻止連接副之間的相對轉動，雙螺母便是采用的此種防松方式。雙螺母與單螺母最大的區別在于雙螺母防松時會產生兩個摩擦力面，而單螺母只能產生一個摩擦力面。如圖3所示，頂部螺母與底部螺母之間形成的便是第二摩擦力面。單螺母在受到沖擊和振動載荷作用時，第一摩擦力面的摩擦力會明顯減小甚至消失，預緊力也隨之喪失功能。而雙螺母因特殊的結構，在第一摩擦力面的摩擦力消失時，由于底部螺母被頂部螺母壓縮，第二摩擦力面的摩擦力進一步加大，從而起到防松效果[13]。

圖3 雙螺母防松原理圖

常見的機械防松方式有開槽螺母、開口銷、止動墊圈和串聯鋼絲等，通常在螺母松脫到一定程度觸發止動部件后，才能產生有效的限制作用。機械防松的方法相對更加可靠，生產中的重要連接件通常會使用機械防松方式來確保防松效果。圖4 為開槽螺母與開口銷裝配示意圖。

圖4 開槽螺母與開口銷

鉚沖防松方式是在螺紋緊固件連接處擰緊后，通過焊接、沖點和黏結的額外方法增加防松效果，使得螺紋無法再發生運動，從而實現牢固的、不可拆卸的防松連接。圖5 為鉚沖防松方式中的黏結方法。

圖5 黏結方法示意圖

3 螺紋連接的表面處理

螺紋緊固件的表面處理工藝主要有金屬鍍層技術、膜層處理技術、涂層技術3 種方法[14]。不同的處理工藝將直接影響緊固件表面的摩擦系數，從而顯著影響防松效果[15]。

3.1 金屬鍍層技術

金屬鍍層技術是通過鍍層技術在材料外表面覆蓋一層裝飾性或保護性的金屬薄膜層。在軌道車輛中，螺紋緊固件的金屬鍍層主要采用鍍鋅技術。常用的鍍鋅方法有熱浸鍍鋅、電鍍鋅和機械鍍鋅3 種，3 種方法的優缺點如表1 所示。

表1 常見鍍鋅方法對比

3.2 膜層處理技術

膜層處理技術是通過一層穩定的電化學轉化膜達到緊固件表面的防松效果。在軌道車輛中，螺紋緊固件的膜層處理技術常見的處理方法為發黑和發藍處理，有時也會采用磷化處理。這兩種處理方法的優缺點如表2 所示。

表2 常見膜層處理技術對比

3.3 涂層技術

涂層技術是在緊固件表面涂覆特定的涂料，依靠薄膜具備的致密、連續和均勻特性，經過自然或人工的方法將表面涂層干燥固化，最終起到保護性或裝飾性作用。螺栓緊固件上常用的涂層技術是鋅鉻涂層技術，也叫達克羅處理，該涂層技術的防銹蝕效果要優于傳統的金屬鍍層處理。

4 結語

螺紋緊固件連接作為軌道車輛中最常用、最重要的連接方式，其合理選用對于車輛整體安全性至關重要。針對軌道交通車輛行業中螺紋緊固件的選用、螺紋失效形式、防松措施以及表面處理工藝進行詳細介紹，并對常見表面處理工藝如鍍鋅方法、膜層處理技術和涂層技術的優缺點進行分析，旨在建立一套完備的緊固件設計指導體系，為關鍵緊固件的防松設計和表面處理工藝提供最優方案。