關于機車車輛制動系統螺栓緊固力矩影響因素

機車車輛制動系統是車輛運用的重要組成部分，而其連接螺栓的可靠性，更是直接關系到車輛運行的**。目前，國內關于機車車輛制動系統螺栓緊固力矩的確定，是以參照既有經驗數據為主，尚未考慮緊固件表面狀態對緊固特性的影響，尤其當新的表面處理方式，如達克羅等的大量運用，導致既有的經驗數據準確性降低，以此進行設計，易造成軸力偏差，造成**隱患。

首先通過理論分析，確定了影響螺栓緊固力矩的3個關鍵因素，并分析了螺紋摩擦系數和支承面摩擦系數對于緊固力矩的重要影響，進而歸納分析了表面處理對于摩擦系數的重要作用。*后，總結了確定螺栓緊固力矩的方法與流程，對于保證機車車輛制動系統連接螺栓的可靠運用具有非常重要的意義。

1螺栓扭矩系數的分析

1．1螺栓連接緊固力矩

目前，關于螺栓連接緊固力矩的理論計算方法，主要參照GB／T16823．2－1997《螺紋緊固件緊固通則》[1]中關于擰緊方法的相關規定。

1．2摩擦系數對緊固力矩的影響

通過上述分析，從式(6)可以看出，當緊固螺栓的型式和尺寸固定后，影響螺栓扭矩系數K的主要因素為螺紋摩擦系數μs和支承面摩擦系數μw。以機車制動系統中某高強度連接螺栓為例，規格M20×32，等級12．9，規定緊固力矩(625±10)Nm，表面發黑處理。通過手冊查詢相關參數：d＝20mm，α′＝30°，P＝2．5mm，d2＝18．376mm，Dw＝28．5mm，公稱應力截面積As＝245mm2，螺栓保證應力970MPa，螺栓保證載荷238kN。假設配合件與螺栓的材料與表面狀態一致，分別取μs＝μw＝0．08，μs＝μw＝0．10，μs＝μw＝0．15，μs＝μw＝0．20，隨著摩擦系數的提高，預緊力消耗力矩Tp保持不變，但螺栓螺紋摩擦力矩T′s、支承面摩擦力矩Tw、總力矩Tf和扭矩系數K都顯著提高。當摩擦系數提高0．02時，要達到相同的預緊力水平，總力矩需提高21％；當摩擦力提高0．05時，總力矩需提高30％~43％.支承面摩擦力矩對摩擦系數的靈敏度*高，當摩擦系數較高時，緊固力矩大部分都消耗在支承面的摩擦上，而轉化為預緊力的力矩很少，要保證相同的預緊力，就需要非常大的緊固力矩，過大的緊固力矩會導致工具易損、操作危險等問題。同時若摩擦系數過小，在相同的預緊力條件下，所需緊固力矩很小，螺栓易松動，降低了制動系統的可靠性。所以，在確定連接螺栓的緊固力矩時，若不考慮摩擦系數的影響，就極易發生緊固力矩不足或過高的情況。

另一方面，保持連接螺栓的緊固力矩625Nm不變，計算各摩擦系數下預緊力的大小，若保持連接螺栓的緊固力矩不變，當零件的表面狀態發生變化，造成摩擦系數不同時，就極易發生預緊力不足或過高的情況。當摩擦系數降低到0．08時，該緊固力矩所轉化的預緊力已經超過了螺栓的保證載荷，造成軸力過載，存在很大的失效風險。因此，研究不同摩擦系數下螺栓連接的扭矩系數，對確定緊固力矩，保證預緊力在合理范圍內，具有非常重要的意義。

表面處理是現代機械工業的基礎工藝之一，主要采用有效的物理或化學方法，改變材料表面的形態、化學成分和組織結構，在材料表面生成具有特殊性能的膜層，賦予材料本身所不具備的機械、物理或化學性能，滿足產品高技術性能的目的。表面處理對摩擦系數的影響，主要分為兩部分：一方面是不同的表面處理方式，造成緊固件表面狀態不同，故具有不同的表面摩擦系數；另一方面，同一種表面處理方式，其技術條件的差異亦會造成表面摩擦系數的差異。下面分別對這兩種情況的相關研究進行分析。

2．1表面處理方式對摩擦系數的影響

目前，機車車輛制動系統所用緊固件一般都需要經過表面處理，主要處理方式有鍍鋅、氧化、達克羅、磷化等。不同的表面處理技術，因其膜層的成分、性質等不同，會形成不同的表面狀態，對摩擦系數的影響很大。此外，在實際裝配過程中是否進行潤滑，摩擦系數的差別也會很大。

目前，國標GB／T16823．3－2010《緊固件扭矩－夾緊力試驗》[3]已經對螺栓連接的摩擦系數測量方法做出了規定，但尚未有統一的標準對各種不同表面處理的緊固件摩擦系數進行測量并規范。很多行業或企業根據各自產品的特點，測量總結了相關數據，并形成了相關行業標準或企業標準。

(1)在不進行潤滑的情況下，配合*為常用的鍍鋅基材的內螺紋與支承面，磷化螺栓比鍍鋅螺栓的摩擦系數相對較小，這是由于磷化工藝具有自潤滑特性。

(2)同一種表面處理，使用涂油潤滑后，能夠降低螺紋緊固件的摩擦系數，并提高一致性，尤其對于較高扭矩要求的高強度螺栓，能夠有效避免失效風險。

(3)當對螺栓進行MoS2潤滑時，摩擦系數可以降低至0．08~0．12；而對于涂抹膠粘劑的螺紋配合，摩擦系數可顯著提高至0．14~0．25，故這兩種情況在進行緊固力矩的校核時需要特別注意，若不加以區別就極易造成預緊力不足或過載。

從上述分析可以看出，緊固件摩擦系數因表面處理方式的不同而存在差異，但進行潤滑處理后，摩擦系數的穩定性和一致性大大提高，可以有效避免失效風險。

目前，達克羅因其具有較高的防腐蝕性、無氫脆性、耐熱性等優勢，逐步取代鍍鋅工藝，越來越多的應用于機車車輛制動系統中的高強度螺栓。達克羅處理通常采用噴涂工藝，其摩擦系數與磷化、鍍鋅有所不同，但現有標準尚缺少相關的試驗數據，這就需要設計人員在進行高強度螺栓緊固力矩的校核時，應考慮表面處理對摩擦系數的影響，必要時進行試驗與驗證。

2．2表面處理技術條件對摩擦系數的影響

表面處理對于摩擦系數的影響，除不同的表面處理方式外，其不同的技術條件亦會對摩擦系數產生影響。

以機車車輛制動系統中，連接螺栓經常采用的磷化工藝為例：鋅鹽磷化膜微觀結構為定型晶結構，樹枝狀、針狀、空隙較多。而錳鹽磷化膜微觀結構為密集顆粒狀，空隙少，故錳鹽磷化膜比鋅鹽磷化膜的摩擦系數相對較小且穩定。此外，磷化的溫度、膜層厚度、后處理的種類等均會對摩擦系數產生影響。

鍍鋅處理，作為機車車輛制動系統中*為常見的緊固件表面處理方式，其摩擦系數亦會受到鍍鋅工藝中不同技術條件的影響。

關于緊固件鍍鋅工藝對摩擦系數的影響，有學者進行了相關試驗[2]：以M10×1．25×60，強度等級為10．9級的高強度螺栓為對象，分別對4種不同厚度、不同鉻

(1)在同為c2C后處理的情況下，鍍鋅層厚度由5μm提高至12μm時，螺栓支承面摩擦系數基本保持不變，但螺紋摩擦系數由0．331提高至0．372，增加了12．4％；而同為c2D后處理的情況下，鍍鋅層厚度由5μm提高至12μm時，螺栓支承面摩擦系數基本保持不變，但螺紋摩擦系數由0．148提高至0．178，增加了20．3％。這就表明，鍍鋅層厚度對于螺栓支承面摩擦系數的影響較小，但對螺紋摩擦系數的影響較大，故對扭矩系數亦會產生較大影響。

(2)當鍍鋅層厚度同為5μm時，后處理由c2C變為c2D，支承面摩擦系數由0．355降低至0．210，減少了40．8％，而螺紋摩擦系數由0．331降低至0．148，減少了55．3％；而當鍍鋅層厚度同為12μm時，后處理由c2C變為c2D，支承面摩擦系數由0．355降低至0．211，減少了40．6％，而螺紋摩擦系數由0．372降低至0．178，減少了52．2％。這就表面，在同種鍍鋅層厚度下，c2D后處理較c2C后處理的支承面摩擦系數和螺紋摩擦系數均有大幅下降，對扭矩系數影響較大。

(3)從上述試驗數據的分析結果可以看出，針對緊固件鍍鋅工藝而言，鍍層厚度與后處理方式是影響其扭矩系數的兩個關鍵因素，且后處理方式的影響更為顯著。這是由于不同的封閉處理造成了零件不同的表面狀態，故對摩擦系數產生了較大影響。

所以，不單是表面處理的方式對于摩擦系數有較大影響，就是同一種表面處理方式的不同技術條件，亦會顯著的影響緊固件的摩擦系數。而不同的表面處理方式，其技術條件的類型并不相同，如達克羅涂層的等級、磷化液的類別和溫度等，故對于摩擦系數的關鍵影響因素就不會完全一致。這就需要我們研究確定每一種表面處理方式中影響摩擦系數的關鍵因素，才能更為科學、合理的確定緊固件的緊固力矩。

3螺栓緊固力矩的確定方法與流程

目前，國內機車車輛制動系統螺栓緊固力矩的確定方法，主要的依據是設計人員提取過時標準中的經驗數據，當緊固件表面狀態變化時，不能合理的調整裝配扭矩值，很可能造成預緊力過大或過小。

通過前述分析可以看出：

(1)影響螺栓緊固力矩的關鍵因素有3個：緊固連接的形式與規格、螺紋摩擦系數μs和支承面摩擦系數μw，所以控制摩擦系數是合理選擇裝配扭矩的核心。

(2)影響摩擦系數的關鍵因素是緊固件的表面處理方式與技術條件。所以，要科學、合理的確定機車車輛制動系統螺栓連接的緊固力矩，就需要綜合考慮緊固件規格、表面處理方式與技術條件3方面因素的共同影響。為此機車車輛制動系統螺栓緊固力矩的確定，應首先明確緊固件的表面處理方式與技術條件的關鍵因素，通過試驗方法進行摩擦系數測定，然后統計歸納得到摩擦系數的分布規律，從企業層面建立標準，科學、合理的計算得出，如圖3所示。