导读
作者：张九高（上海申通轨道交通研究咨询有限公司，上海）
来源：《机电产品开发与创新》年1月
摘要：螺栓连接在轨道交通车辆中应用十分广泛。轨道交通车辆可靠的螺栓连接保证了列车的安全运行，采用TB/T，它提供了城市轨道交通可靠的理论依据。本文简述了轨道交通车辆螺栓紧固件的选择，螺栓连接的防松设计，螺栓连接防腐蚀的表面处理，涂层种类主要有电镀锌层、达克罗、特氟龙涂层、粉末渗锌等工艺的技术研发，螺栓连接的实施等。
0引言
轨道交通车辆结构件的连接方式除焊接、铆接外，主要采用螺纹连接，螺纹连接方式既满足车辆运行所必须的功能，又确保车体结构重要部件的互换性要求。由于结构的特殊性，车辆上的变速器、制动风缸、水箱等较重的设备均使用高强度螺栓安装在车辆底架上。如国内8辆编组的高速动车组转向架，均采用8.8级及以上的高强度螺栓，规格有M16、M20、M24和M36等，全列数量达到约颗。轨道交通车辆设计中螺栓的选用执行TB/T.1—《机车车辆螺栓连接设计准则第1部分：螺栓连接的分类》、TB/T.2—《机车车辆螺栓连接设计准则第2部分：机械应用设计》和TB/T.6—《机车车辆螺栓连接设计准则第6部分：连接尺寸》[1-3]。
本文将从紧固件的选用、防松设计、表面处理等方面进行简单介绍，让有关人员了解轨道交通车辆紧固件的防松设计与表面处理现状。
1螺栓紧固件的选择
轨道交通车辆TB/T.1—《机车车辆螺栓连接设计准则第1部分：螺栓连接的分类》和TB/T.2—《机车车辆螺栓连接设计准则第2部分：机械应用设计》规定螺纹连接中紧固件应为符合GB/T.1及GB/T.2或者GB/T.6及GB/T.15钢制或者不锈钢制螺栓和螺母。在转向架部分包括构架、轮对、悬挂、牵引和制动系统，连接螺栓主要规格为M12、M16、M20、M24、M30和M36，其中少量为细牙螺栓。根据螺栓使用位置，分析螺栓的受力工况，设计出合适的强度等级，主要为8.8级和10.9级，对于12.9级等级强度尽量不采用，12.9级强度螺栓易产生氢脆导致的延迟性破坏。由于紧固件数量较多，为了尽量减少其使用种类，设计规定在一般情况下使用六角头螺栓、平垫圈、双叠自锁垫圈和六角螺母与构件配合的为最基本安装方式。此外，在同一螺纹连接件中，螺栓及螺母必须属于同样的强度等级。
在轨道交通车辆中紧固件主要参照以下标准，螺栓必须符合GB/T.1《紧固件机械性能螺栓、螺钉和螺柱》，所需碳钢、合金钢材料符合GB/T.1、GB/T.2及DINEN-1、DINEN-2规定。控制紧固件的防腐蚀性能主要有3种方式：选择耐蚀材料、阴极保护和表面涂装。综合性价比原因，碳钢、合金钢紧固件在轨道交通车辆得到了最广泛的应用，而耐蚀性较好的铝合金及不锈钢由于力学性能不能完全满足要求，且价格相对昂贵，主要用在内饰区域。
2螺栓防松设计
2.1螺栓连接部件的风险要素
轨道交通车辆的静强度和疲劳强度的载荷定义根据EN，通过有限元FEM可以计算出螺栓连接部位的载荷，根据TB/T.6预选螺栓连接的尺寸。首先，根据构件螺栓连接的部位，载荷的大小以及是否影响行车安全来定义风险等级。TB/T.1中风险等级分为高、中、低。其中被定义为高风险等级的螺栓连接，即螺栓连接发生故障失效时，产生直接或间接的身体和生命危险和/或运行危险，必须在图纸中加以说明，以确保在螺栓拧紧过程中，预紧扭矩及其公差以及拧紧后的检查都得到严格地控制。
对于螺栓连接的功能而言，TB/T.1要求必须存在一定的预紧力Fm。预紧力可以提高螺栓连接的可靠性、防松能力和螺栓的疲劳强度，增强连接的紧密性和刚性[4]。通常生产实施螺栓连接时采用的是扭矩法，即采用定扭矩扳手控制装配时螺栓的扭矩，因此要求螺栓伸长率必须在弹性极限范围内。
预紧力的设计计算主要依据VDI-1：《高强度螺栓连接的系统计算圆柱形旋入式连接》，来验证螺栓连接的预紧力是否满足静强度要求。
2.2螺栓连接的防松
螺栓连接件在变载荷、振动，甚至工作温度的影响下，会产生变形或者发生蠕变，从而因预紧力的下降而导致螺栓连接出现松动，使螺栓中的交变应力比未松动时将大大增加，并且在受力过程中产生冲击，使得螺栓连接的螺纹出现疲劳破坏。
在轨道交通车辆的设计中，根据螺栓连接部位不同的风险等级和拧紧场合，采取了不同的防松措施。目前常用的防松形式[5]有以下四类：
一类摩擦防松。如采用双面锁紧垫圈、双螺母、自锁螺母和尼龙嵌件锁紧螺母等防松方式，以产生一个可以阻止连接副相对转动的摩擦力。不随外力变化的此正压力可通过轴向或同时两向压紧连接副来实现防松。
二类机械防松。使用止动件开口销、串连钢丝和止动垫圈等防松方式，直接限制连接副的相对转动，由于止动件没有预紧力，当螺母松退到止动位置时防松止动才能起作用，这实际上不防松而是防止脱落的方式。
三类铆冲防松。当连接副拧紧后采用焊接、冲点和粘接等方法，使螺纹失去运动特性而成为不可拆连接。此方式的缺点是栓杆只能使用一次，拆卸也非常困难，必须破坏连接副方可拆卸，不可重复使用。
四类结构防松。它是利用螺纹连接副的自身结构，防松可靠，可重复使用，拆装方便[6]。
前三类防松技术主要依靠第三者力进行防松，主要是利用摩擦力，而第四类是新型防松技术，如楔入式锁紧结构或可变楔形螺纹等。
2.3螺栓拧紧的方法
螺栓拧紧的实质是控制螺纹连接的预紧力，为确保装配的质量，必须对螺纹副的拧紧状态予以控制，以避免螺栓与被连接件的结合而产生滑移或缝隙，从而导致螺纹副连接失效[5]。现今用于控制螺纹拧紧的方法主要有扭矩法、转角法、屈服点法等。
（1）扭矩法。扭矩法就是利用扭矩与预紧力的线性关系在弹性区进行紧固控制的一种方法。该方法在拧紧时，只对一个确定的紧固扭矩进行控制，因此，该方法操作简便，是一种常规的拧紧方法。但是，由于紧固扭矩的90％左右作用于螺纹摩擦和支承面摩擦的消耗，真正作用在轴向预紧力方面仅10％左右，预紧力的离散度是随着拧紧过程中摩擦等因素的控制程度而变化的。
（2）转角法。转角法就是在拧紧时将螺栓于螺母相对转动一个角度，称之为紧固转角，把一个确定的紧固转角作为指标来对初始预紧力进行控制的一种方法。该拧紧方法可在弹性区和塑性区使用。Q-F曲线斜率急剧变化时，随着紧固转角的设定误差，预紧力的离散度也会变大。因此，在被连接件和螺栓刚性较高的场合，对弹性区的紧固是不利的；在塑性区紧固时，初始预紧力的离散度主要取决于螺栓的屈服点，而转角误差对其影响不大，故该紧固方法具有可最大限度地利用螺栓强度的优点（即可获得较高的预紧力）。
转角法是将螺栓的预紧力控制在达到或接近屈服强度的先进工艺方法，它克服了传统扭矩法的设计中，轴向力大小分散、材料浪费、连接笨拙和可靠性差的缺点，故理论上转角法的控制精度要比扭矩法高很多，工艺参数要求严格，且对拧紧工具的功能要求特别高，同扭矩法相比，其工装设备的价格要高出数倍甚至数10倍，通常比较重要的部位才采用此方法安装。
（3）屈服点法。屈服点拧紧法就是在装配拧紧时，螺栓受到的预紧应力达到螺栓材料的屈服极限，从而充分发挥其承载潜力的方法。这是一个包括螺栓连接强度设计准则在内的设计、制造、安装和维修等方面观念上发生了变化的大问题。
屈服点拧紧法的特性及应用条件，安装拧紧后螺栓受的预紧应力已达到了屈服极限，再加上工作载荷，螺栓所受到的总应力将超出屈服极限一定范围，这就突破了以屈服极限作为门槛值的传统强度准则。由于螺栓连接在其功能上有别于其他零件，它的特殊性就是在大多数情况下，在承受预紧力和工作载荷后产生弹性变形和一定程度的、局部的塑性变形，只要螺栓不断裂、螺纹不脱扣、连接不松动就不会影响连接的工作性能。这种变形之所以能在一定范围内允许存在，就在于利用了螺栓材料机械性能的屈强比这一潜力，而经受不了安装时摩擦系数、扳手误差等因素引起的拧紧力矩较大范围的散差所带来应力较大范围的变化，因此，运用屈服点拧紧法时，在安装工艺上应采用精准的拧紧方法和精密的工具，达到防松的目的。
2.4防松案例
如转向架下变压器吊装结构，以弹性橡胶件结构为例，8.8级螺栓通过套筒与放置在底架边梁上的滑块连接，螺栓紧固力矩为N·m。在螺栓紧固前，会在螺纹表面涂MoS2润滑脂，以降低并稳定扭矩系数，且保护螺栓连接不会造成螺纹损伤。在制造流程中螺栓连接副摩擦系数试验，规定达到扭矩系数平均值0.09～0.15，扭矩系数标准偏差值应≤0.。实施的目的为了减小螺纹部分摩擦力，使螺纹拧紧时达到规定的预紧力。
3螺栓连接的表面处理
根据轨道交通车辆连接件之间、拧紧场合和风险等级以及螺栓连接所在部位，其表面处理影响连接功能的可靠性及使用寿命，扭矩系数K是由内外螺纹之间的摩擦系数，螺栓或螺母支撑面与被紧固零件与紧固件接触的承压面的摩擦系数综合而成；它与紧固件的表面处理、抗拉强度、形位公差、螺纹精度、被紧固零件承压面粗糙度、刚度等诸多因素有关，其中表面处理是一个关键的因素。不同的表面处理其扭矩系数相差很大，有时相差近1倍。如：同螺纹规格同强度的螺纹连接副表面处理为磷化时扭矩系数约为0.13～0.18，而表面处理为电镀锌时，扭矩系数可达0.22～0.26。
众所周知，螺栓连接最主要的腐蚀就是接触腐蚀，应选择具有可控范围的表面涂层。在车辆的某些部位，由于日常维修保养的原因，如车辆下抗侧滚扭杆螺栓、底盖板连接螺栓由于日常洗车，清洗液会停留在靠近两侧裙板下边缘的螺栓上，使螺栓连接周围经常处于潮湿状态；或由于运行环境极端的恶劣，如车辆转向架上的连接螺栓，现有采用涂隔离脂的方式，在螺栓安装达到规定预紧力后，将整个螺栓连接外露四周全部涂特定的隔离脂，以保护螺栓连接不受环境的影响，确保行车安全。
目前，轨道交通车辆紧固件的表面涂层种类主要有电镀锌、粉末渗锌、达克罗、特氟龙涂层等。
3.1电镀锌
电镀锌是轨道交通车辆紧固件最常用的镀层。现行ISO：《紧固件电镀层》替代ISO：（GB/T.1—《紧固件电镀层》）。电镀锌层成本低、外观也较好看，可以有兰白色、彩虹色、黑色、军绿色，为了降低价格，一般紧固件电镀锌镀层厚度采用（5～8）μm。
电镀锌层是典型的阳极性镀层，发生腐蚀时，阳极优先溶解从而保护了基体材料。轨道交通车辆紧固件镀层厚度（8～14）μm，经铬酸盐钝化处理后，其防腐蚀性能大幅度提高，能抵抗（96～）h的中性盐雾试验，可用于中性的室外防护。近年来发展的Zn-Ni、Zn-Fe、Zn-Co电镀层，尤其是Zn-Ni、Zn-Co电镀层，当镀层中Ni含量为6%～10%时或Co含量为0.4%～1.0%时，（5～8）μm的镀层钝化后，可取得极好的防腐蚀效果，可抗h以上的中性盐雾试验。但价格较贵，是一般镀锌的（5～8）倍[7]。
电镀锌加工过程易产生氢脆，10.9级以上的螺栓不建议采用此工艺。紧固件扭矩-预紧力一致性较差，且不稳定，一般不用于轨道交通车辆重要部位的连接。为了改善扭矩-预紧力一致性，也可采用镀后涂覆润滑物质的方法改善和提高扭矩-预紧力一致性。
3.2达克罗
达克罗（Dacromet）是一种以锌粉、铝粉、铬酸和去离子水为主要成分的防腐涂料，国内命名为锌铬涂层。GB/T.2—《紧固件非电解锌片涂层》修改采用ISO：《紧固件非电解锌片涂层》。达克罗涂层的防锈效果优于传统电镀锌、热浸镀锌或涂料涂覆法。达克罗涂层具有多种性能：如极强的抗腐蚀性，比电镀锌提高（7～10）倍；无氢脆；高耐热性，耐热温度℃，特别适用于高强度紧固件。达克罗涂层是用片状金属粉和有机物及添加剂在℃左右条件下烧结成膜，轨道交通车辆紧固件达克罗膜厚（6～8）μm，采用三涂三烘等工艺，以保证其耐蚀寿命，以灰色和银白色颜色为主，耐中性盐雾试验必须≥h。
在多次拆卸的螺栓中，达克罗涂层的耐腐蚀不如电镀锌；由于涂层中含有毒的六价铬，环保性差；达克罗的表面硬度不高、耐磨性不好，涂层的制品不适合与铜、镁、铝等合金和不锈钢的紧固件接触或连接，因为他们会产生接触性腐蚀，影响螺栓表面质量及防腐性能。
降低成本是推广达克罗技术应用于轨道交通车辆紧固件防腐的一个重要内容。纳米-锌铝复合涂料是以无机和有机混成原理制成，具有无机材质的复合式材料结构，具有无机材质的高硬度和耐磨损的特性。在产品的制程中，以相当精密的条件控制下，其组成分子分布介于（30～60）nm之间，是一种相当微细的纳米涂料。涂层具有高光泽、高透明的特点；具有高硬度和优异的耐磨损特质。在金属防锈蚀功能上，不需要使用重金属皮膜工艺，即可与金属产生化学链结，达到防腐防锈功能；与金属所产生的链结，在防腐防锈功能上，甚至会比传统高分子涂料具有更好的抗氧化性能。若以适当方式涂装，膜厚可控制在3μm以下。自干型涂液，在室温下自然固化（最少8h），膜厚在8μm可耐中性盐雾试验≥h；而封闭涂液，工件使用后不可再重涂，可在较低温（～）℃×（20～30）min烘烤固化，且一涂一烘就可耐中性盐雾试验≥h。
3.3特氟龙涂层
特氟龙（Teflon）是一种以聚四氟乙烯（PTFE）为基体树脂的涂料，一般称作“不粘涂层”，是使用氟取代聚乙烯中所有氢原子的人工合成高分子材料。该材料具有抗酸抗碱、抗各种有机溶剂的特点，几乎不溶于所有的溶剂，可以保护紧固件免于遭受任何种类的化学腐蚀。同时，聚四氟乙烯具有耐温的特点，一般在（～）℃之间可连续使用，具有显著的热稳定性，它也可以在冷冻温度下工作而不脆化。其摩擦系数极低，所以可起到润滑作用，因此也成为了轨道交通车辆连接件的理想涂料。
3.4粉末渗锌
粉末渗锌是利用加热状态下金属原子的渗透扩散作用，在基体金属没有相变的条件下，将金属锌渗入钢件表面，形成不同Zn-Fe比例的合金保护层（简称为渗层）。粉末渗锌渗层厚度均匀性好，厚度一般在（15～）μm，涂层与基体结合强度和防腐性能在镀锌层中是最好的，硬度高、耐磨损和抗划伤能力强。渗锌涂层锌铁合金的显微硬度一般为（～）HV0.3，是目前锌涂层中硬度最高的，不影响高强度紧固件的力学性能。
渗锌技术的质量控制目前主要参照ASTMA／AH：《钢铁紧固件、五金器具及其他产品上锌合金热扩散涂层》和GB/T-《钢结构件渗锌耐蚀作业质量控制评定技术规范》。
4结束语
随着经济发展，城镇化速度不断加快，城市轨道交通需求量增大。轨道交通车辆可靠的螺栓连接保证了列车的安全运行，采用TB/T，对螺栓的选用、设计与技术研发，有详细和明确的定义，它提供了城市轨道交通车辆可靠的理论依据。当今轨道交通车辆紧固件所面临的短板现实，创新能力弱和基础不强仍然是主要制约因素之一，车辆高强度螺栓国产化的难点主要问题大致有：
螺栓性能不均匀、散差大，安装时或使用中扭矩衰减，易造成早期失效；若过分强调预紧力，过大的安全系数，导致螺栓不能发挥其材料效能，造成螺栓使用时的浪费和生产成本的增加，匹配不当。
电镀锌防腐性能差、达克罗涂层脱落等。由于机车对零部件表面防腐性能要求极高，可以优先选用表面涂防腐蜡、锌镍渗层、非电解锌铝涂层等，并组织技术攻关，产学研相结合以提高表面保护等级。
期待技术上有所突破，以解决发展中的难题，争取在三年内实现完全国产化，为实现交通强国做出新的更大贡献。
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