关于机车车辆制动系统螺栓紧固力矩影响因素分析.pdf

第36卷第3
铁道机车车辆
Val 36 No. 3
2016年6月
RAILWAY LOCOMOTIVE &. CAR
文章编号:1008-7842(2016)03-0056-05
关于机车车辆制动系统螺栓紧固力矩影响因素分析
王明龙2,孙广合2,刘鹏2
(1北京纵横机崑技术开发公司,北京100094;
2中国铁道科学研究院机车车辆研究所,北京10081
摘要关于机车车辆制动系统螺栓紧周力矩的确定,目前主要以参照既有经验数据为主,忽略了紧固件表面状
态对于紧固特性的影响,易造成安全隐患。通过理论分析,得出了摩擦系数对于紧固力矩的重要影响。进而分析
得出,表面处理方式与技术条件对于摩擦系数的重要作用。最后,归纳出螺栓紧固力矩的确定方法与流程,为科
学、合理的确定机车车辆制动系统螺栓紧固力矩提供了依据
关键词车辆制动;紧固力矩;壓擦系数;表由处理
中岡分类号:U260.35文献标志码:Adoi:10.3969/j.issn,1008-7842.2016.03,12
机车车辆制动系统是车辆运用的重要组成部分,而
根据平面摩擦和榑面摩搽原理,将式(1)进一步分
其连接螺栓的可靠性,更是直接关系到车辆运行的安解并简化,可以得到如下公式:
全。目前,国內关于机车车辆制动系统螺栓紧固力矩的
E+Ad seco+2.D )Frd (2)
确定,是以参照既有经验数据为主.,尚未考虑紧固件表
d\ a
面状态对紧固特性的影响,尤其当新的表面处理方式,式(2)中P为螺距,为螺纹摩擦系数,2为螺纹中径
如达克罗等的大量运用,导致既有的经验数据准确性降为螺纹牙側角,A。为支承面摩擦系数,D。支承面摩擦
低,以此进行设计,易造成轴力偏差,造成安全隐患。
扭矩的等效直径
首先通过理论分析,确定了影响螺栓紧固力矩的3
从式(2)可以看出,螺纹扭矩T、可进一步转化为预
个关健因素,并分析了螺纹摩撼系数和支承面摩系数紧力消耗和螺栓螺纹摩檫消耗T即
对于紧固力矩的重要影响,进而归纳分析了表面处理对
于摩搽系数的重要作用。最后,总结了确定螺栓紧固力
矩的方法与流程,对于保证机车车辆制动系统连接螺栓
seca
的可靠运用具有非常重要的意义
对应支承面矩扭Tw
1螺栓扭矩系数的分析
1.1螺栓连接繁力矩
目前,关于螺栓连接紧固力矩的理论计算方法,主
故,总紧固力矩可分为3部分组成,即预紧力消耗
要参照CB/T16823.2-1997《螺纹紧固件紧固通则》”T。、螺栓螺纹摩擦消耗T。和支承面矩扭T、,即:T=
中关于拧紧方法的相关规定
弹性区内紧固力矩与预紧力的关系
对应的扭矩系数为
T=T。+Tw=KFrd
式(1)中T,为紧固力矩,T、为螺纹扭矩,T。为支承面
K-5+md, se+p D
扭矩,K为扭矩系数,F为预紧力,d为螺纹公称直径。1.2摩擦系数对紧固力矩的影响
通过式(1)可以发现,螺紧固力矩由两部分组成
通过上述分析,从式(6)可以看出,当紧固螺栓的型
螺纹扭矩与支承面扭矩。其与预紧力的关系,出螺栓规式和尺寸固定后,影响螺栓扭矩系数胚的主要因素为
格尺寸和扭矩系数确定。扭矩系数K的大小决定了紧螺纹摩擦系数八、和支承面摩擦系数xu。
固力矩转化为预紧力所占的比例,因此扭矩系数K的
以机车制动系统中某高强度连接螺栓为例,规格
确定是研究紧固力矩的关键因素。当螺栓规格尺寸和M20×32,等级12.9,规定紧固力矩(625士10)Nm,表
扭矩系数确定时,紧固力矩与预紧力成线性关系
面发黑处理。通过手册查询相关参数:d=20mm:a
王玥龙(1988-)男,助興研究员(修回日期:2016-01-08)
万方数据
第3期
关于机车车辆制动系统螺栓紧固力矩影响因素分析
30°,P=2.5mm,d2=18.376mm,D、=28.5mm,公称系数降低到0.08时,该紧固力矩所转化的预紧力已经
应力截面积A.=245mm2,螺栓保证应力970MPa,螺超过了螺栓的保证载荷,造成轴力过载,存在很大的失
栓保证载荷238kN。
效风险。
假设配合件与螺栓的材料与表面状态一致,分别取
因此,研究不同摩擦系数下螺栓连接的扭矩系数,
=0.08,、=ルw=0.10,==0.15,ル=
对确定紧固力矩,保证预紧力在合理范围内,具有非常
0.20,计算保证载荷下,扭矩系数与紧固力矩的分布见重要的意义
表1
表1保证載荷238kN,不同摩擦系数紧固
250
力矩与扭矩系数分布表
摩擦系数
0,15
や150
261.8
100
T、/Nm202.0
50
63
339,2
568,0
982.21278,0
0.10
0.20
686.4
摩擦系数
K
0.11930,14420.20630.2685
不同摩擦系数下的预紧力大小
一螺栓保证载荷大小
从表(1)可以发现,随着摩擦系数的提高,预紧力消
图2紧固力矩625Nm,
耗力矩T保持不变,但螺栓螺纹摩擦力矩ア、支承面
不同摩擦系数紧固力矩分布图
摩擦力矩Tw、总力矩T和扭矩系数K都显著提高。当
摩擦系数提高0.02时,要达到相同的预紧力水平,总力2表面处理对摩擦系数的影响
矩需提高21%;当摩擦力提高0.05时,总力矩需提高
表面处理是现代机械工业的基础工艺之一,主要采
30%~43%,如图1所示。
用有效的物理或化学方法,改变材料表面的形态、化学
2000
成分和组织结构,在材料表面生成具有特殊性能的膜
层,赋予材料本身所不具备的机械、物理或化学性能,满
足产品高技术性能的目的。
证1000
表面处理对摩擦系数的影响,主要分为两部分:
方面是不同的表面处理方式,造成紧固件表面状态不
0.08
同,故具有不同的表面摩擦系数;另一方面,同一种表面
摩擦系数
顶紧力消耗螺栓螺纹摩力矩支承面摩擦力矩
处理方式,其技术条件的差异亦会造成表面摩擦系数的
差异。下面分别对这两种情况的相关研究进行分析。
图1保证载荷238kN,
2.1表面处理方式对摩擦系数的影响
不同摩擦系数紧固力矩分布图
目前,机车车辆制动系统所用紧固件一般都需要经
从图1可以发现,支承面摩擦力矩对摩擦系数的灵过表面处理,主要处理方式有镀锌、氧化、达克罗、磷化
敏度最高,当摩擦系数较高时,紧固力矩大部分都消耗等。不同的表面处理技术,因其膜层的成分、性质等不
在支承面的摩擦上,而转化为预紧力的力矩很少,要保同,会形成不同的表面状态,对摩擦系数的影响很大。
证相同的预紧力,就需要非常大的紧固力矩,过大的紧此外,在实际装配过程中是否进行润滑,摩擦系数的差
固力矩会导致工具易损、操作危险等问题。同时若摩擦别也会很大。
系数过小,在相同的预紧力条件下,所需紧固力矩很小,
目前,国标GB/T16823.3-2010《紧固件扭矩-夹
螺栓易松动,降低了制动系统的可靠性。所以,在确定紧力试验》已经对螺栓连接的摩擦系数测量方法做出
连接螺栓的紧固力矩时,若不考虑摩擦系数的影响,