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摘 要：随着我国高速铁路的不断发展，铁路运营安全要求不断提高，铁路接触网紧固件的防松性能要求也在不断提高，而在实际运用过程中对产品防松性能的判断方法与国际标准、国家标准均存在一定差异，而且这些标准之间也存在一定差异。本文根据螺纹连接自锁特性，分析螺纹松动的主要原因，对目前国际、国内防松性能试验方法进行对比试验分析，提出判断紧固件防松性能的合理试验方法。

关键词：紧固件;螺纹;防松;试验

中图分类号：U225.4 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）06-0060-02

0 引言

目前国内外对紧固件防松性能测试评价的标准中，主要按照ISO16130-2015（航空航天系列--横向加载条件下螺栓连接的锁定行为的动态测试（振动测试））和GB/T10431-2008（紧固件横向振动试验方法）的横向振动试验来进行判定。

而在国内一些电气化铁路接触网中对紧固件防松性能主要从以下三方面进行评价：（1）横向振动试验;（2）紧固件随产品进行振动试验后的残余力矩试验;（3）松卸力矩试验。

上述第一条虽与现行国内外标准试验项目相符，但在试验方法上与现行标准存在差异。另外两条均没有成文的标准依据，本文从螺纹结构特性入手，论述螺纹松动的主要原因;通过对比国内外标准与铁路招标时紧固件防松试验方法和判断方法并进行试验验证，论述判定紧固件防松性能的试验方法。

1 螺纹连接静态结构力学情况

螺纹连接一般由一个外螺纹螺栓和一个内螺纹螺母组成，螺纹设计时的螺纹升角设计均按斜面自锁原理进行设计，即螺纹连接在静态作用下是满足自锁调件不会发生松动的。

2 螺纹紧固松动的原因

所谓螺纹松动是指螺纹连接部分或全部丧失轴向预紧力的情况。那么一般螺纹紧固满足螺纹自锁条件，而且又有支承面摩擦力矩的存在，为什么还会松动呢？

螺纹的自锁仅限于静载状态下，而在使用过程中经常受到变载荷、振动以及冲击等不同动载荷的作用，由于各零件的惯性和其他连接零件的相互作用，造成材料形变，降低螺纹副和螺母支承面的摩擦系数，瞬间打破力的平衡关系，产生微量相对滑动。位移向拧紧螺母方向比松开螺母方向需要克服更大的阻力，所以造成相对滑动向松开螺母方向进行，多次重复出现的微量滑动相累加导致了预紧力减小、螺纹松动。

螺纹紧固件使用过程中所受振动载荷有横向振动载荷、纵向振动载荷或者两者综合作用三种情况。而横向振动是造成螺纹紧固件产生松动的主要原因，目前国内外对于紧固件防松性能评判标准ISO16130-2015（航空航天系列--横向加载条件下螺栓连接的锁定行为的动态测试（振动测试））和GB/T10431-2008（紧固件横向振动试验方法）即采用横向振动试验来验证紧固装置的防松性能。

3 国内外标准对比

如前所述，目前国内外对紧固件螺纹防松的评判主要按ISO16130-2015和GB/T10431-2008两个标准的横向振动试验进行。

两项标准主要内容对比如下：

（1）标准适用范围：以上两个标准均强调该试验是在相同试验条件下（包括配合的其他紧固件、设备、润滑等各项试验条件）对紧固件防松性能进行对比评价，没有绝对定量指标，也不能说明在工况载荷下的紧固件的防松性能。

（2）试验步骤：ISO16130-2015的試验过程分为参考试验和验证试验两个阶段。验证试验前要按照相同的试验条件进行3次参考试验并对试验的实际横向位移值进行记录，为验证试验提供可参考的依据。而GB/T10431-2008标准中则直接进行验证试验，且仅记录试验设备的空载振幅（即未安装紧固件时的横向位移值）。

对于以上条款，横向振动试验时的横向位移实际值是影响试验结果的直接参数，直接反映了紧固件受振动的强烈程度，是横向振动试验的重要试验条件。而相同空载状态下的横向位移在受到螺纹夹紧力、紧固件锁紧方式、设备误差等诸多因素影响的情况下，所能得到的实际横向位移值不能直观的确定，必然存在相对的误差。而且按两标准的适用范围要求，只有在相同试验条件下对不同产品的试验数据才有进行比较的意义。同时ISO16130-2015在验证试验前进行了参考试验来尽量减少离散误差对试验数据采集造成的误差，保证试验数据的准确性。

以上分析表明，ISO16130-2015是试验方法方面更加的严谨，更准确的反映了试验条件，为不同紧固件的防松性能对比提供了更明确的信息，有利于试验结论的运用。

（3）试验设置：ISO16130-2015要求M12及以下紧固件实际横向位移值设置为±0.5mm，M12以上紧固件实际横向位置值设置为±0.8mm，试验频率为12.5Hz，试验夹紧力为0.75Fu。

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其中：d2为平均螺纹中径，单位mm;d3为平均螺纹小径，单位mm;Fu为极限夹紧力，单位N。

而GB/T10431-2008要求M18以下紧固件试验的空载振幅为±0.1dmm，M20和M22为±1.9mm，M24为±2.0mm，并未要求记录振动试验的实际振幅。试验振幅同样推荐采用12.5Hz。而试验夹紧力方面仅推荐了12.9及螺栓的夹紧力，未对其他等级所采用的夹紧力做任何要求。

故，ISO16130-2015标准明确要求了各种规格紧固件在横向振动试验过程中的实际横向位移、振动频率及试验夹紧力设置，为同种规格紧固件确定了相同的试验条件。

但GB/T10431-2008虽然提出了空载振幅、试验频率，仅规定了12.9级螺栓的试验夹紧力。对于其他等级的紧固件，除夹紧力试验条件不能统一外，不同的夹紧力直接导致实际横向位移的不同;且实际横向位移还因紧固件类型不同、锁紧方式不同等因素造成在相同夹紧力下实际横向位移也不同。即在实际横向位移、试验夹紧力两项重要试验条件均未明确要求，试验要求的严谨性不足。

通过以上对比：ISO16130-2015在试验参数设置方面更加清楚、具体，明确规定了试验的技术条件，符合以上两标准适用范围的具体要求。

（4）其他条款：以上两标准的其他条款虽然在描述方法上存在一定差异，实质内容基本相符，且在实际运用中没有不合理的地方，此处不再进行描述。

4 铁路接触网行业对紧固件防松性能的评价方式的合理性研究

铁路接触网行业对紧固件防松性能的评价条款：

（1）紧固装置安装完毕后，对零件产生夹紧力作用的螺母紧固后的松开力矩值应大于或等于其紧固力矩值;

（2）按TB/T 2073的要求对紧固装置进行振动试验后，对零件产生夹紧力作用的螺母的紧固力矩值应大于或等于其振动试验前紧固力矩值的95%;

（3）按GB/T 10431的要求，在不同防松方式规定的试验紧固力矩及润滑的条件下，对紧固装置进行振幅为0.1d、频率为10Hz、振动次数为1200次的横向振动试验后，螺栓残余轴力与初始轴力之比应大于或等于80%。

针对以上条款，对比现行标准并进行试验验证，具体情况如下：

（1）第一条评价条款中要求紧固装置安装完毕后，测量螺母的松开力矩来判断紧固件的防松性能。

首先，无论是从现行国内外防松标准还是各种学术文献上，均没有把该项目作为评判紧固件防松性能的依据。

另外，根据本文第一部分的螺纹紧固结构力学分析结果，紧固件的松开力矩值反映了紧固件在静载荷状态下螺纹自锁的情况，而螺纹松动是在运用过程中受到振动等动载荷因素造成的，那么静载荷下的自锁条件是否能直接反映紧固件在动载荷下的防松性能呢？本研究通过以下对比试验来进行验证。

本实验对目前常见的9种防松方式分别进行松卸力矩和横向振动试验，通过试验结果来研究松卸力矩对紧固件防松性能的影响，对比依据采用国际认可的横向振动试验，如表1所示。

从试验结果可以清晰的发现，紧固件静载荷状态下松卸力矩与横向振动试验结果不存在必然的联系，特别是偏心螺母和锥压抱紧螺母的松卸力矩效果并不好，但横向振动试验结果较好;而松卸力矩试验结果非常优秀的齿形双垫的横向振动试验后残余轴力为0，表现最差。

因此，松卸力矩不仅不能直接反映紧固件在动载荷作用下的防松性能，还与横向振动试验结果存在矛盾情况，严重影响到紧固件动载荷下防松性能的评判。因此采用该条款来对紧固件的防松性能进行评判和限制是极为不合理的。

（2）第二条评价条款中要求紧固件随产品进行在线模拟振动试验后测量其残余力矩值并根据结果进行判定，该试验方法理论上是比较合理的，直接模拟了紧固件的实际工作情况。但是，安装在产品上的紧固件的残余力矩值是无法进行准确测量的。既然试验数据无法准确测量，那么试验条款也就失去了意义。针对这一情况，可以有以下处理措施：

振动试验后采用对紧固件试验后的松转量或试样是否出现裂纹等情况来判断紧固件的防松性能。

（3）对于第三条评价条款，本文第3部分“国内外标准对比”中对ISO16130-2015和GB/T10431-2008两项标准的优劣做了明确对比，建议按ISO16130-2015的相关要求进行试验来评判紧固件的防松性能。

5 结语

本文根据螺纹连接静态受力和松动原因进行分析，再次肯定了动载荷是造成螺纹松动的主要原因，并通过对现行国内外标准的对比和分析，得到了判断紧固件防松性能的合理要求，针对电气化铁路紧固件防松性能的評价得到以下结论：

（1）按ISO16130-2015的要求，对不同防松防松紧固件在要求的夹紧力、润滑条件等相同试验条件下，对紧固装置进行横向振动试验，并按螺栓残余轴力与初始轴力之比对紧固件防松性能进行评价。

（2）按TB/T 2073的要求将紧固装置安装在产品上进行振动试验后，对紧固件试验后的松转量或试样是否出现裂纹等情况来判断紧固件的防松性能。

参考文献

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[4] 周润芬编.紧固件连接设计手册[M].国防工业出版社，1990.

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