关于机车车辆制动系统螺栓紧固力矩影响因素

机车车辆制动系统是车辆运用的重要组成部分，而其连接螺栓的可靠性，更是直接关系到车辆运行的**。目前，国内关于机车车辆制动系统螺栓紧固力矩的确定，是以参照既有经验数据为主，尚未考虑紧固件表面状态对紧固特性的影响，尤其当新的表面处理方式，如达克罗等的大量运用，导致既有的经验数据准确性降低，以此进行设计，易造成轴力偏差，造成**隐患。

首先通过理论分析，确定了影响螺栓紧固力矩的3个关键因素，并分析了螺纹摩擦系数和支承面摩擦系数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擦系数的重要作用。*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的可靠运用具有非常重要的意义。

1螺栓扭矩系数的分析

1．1螺栓连接紧固力矩

目前，关于螺栓连接紧固力矩的理论计算方法，主要参照GB／T16823．2－1997《螺纹紧固件紧固通则》[1]中关于拧紧方法的相关规定。

1．2摩擦系数对紧固力矩的影响

通过上述分析，从式(6)可以看出，当紧固螺栓的型式和尺寸固定后，影响螺栓扭矩系数K的主要因素为螺纹摩擦系数μs和支承面摩擦系数μw。以机车制动系统中某高强度连接螺栓为例，规格M20×32，等级12．9，规定紧固力矩(625±10)Nm，表面发黑处理。通过手册查询相关参数：d＝20mm，α′＝30°，P＝2．5mm，d2＝18．376mm，Dw＝28．5mm，公称应力截面积As＝245mm2，螺栓保证应力970MPa，螺栓保证载荷238kN。假设配合件与螺栓的材料与表面状态一致，分别取μs＝μw＝0．08，μs＝μw＝0．10，μs＝μw＝0．15，μs＝μw＝0．20，随着摩擦系数的提高，预紧力消耗力矩Tp保持不变，但螺栓螺纹摩擦力矩T′s、支承面摩擦力矩Tw、总力矩Tf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，总力矩需提高21％；当摩擦力提高0．05时，总力矩需提高30％~43％.支承面摩擦力矩对摩擦系数的灵敏度*高，当摩擦系数较高时，紧固力矩大部分都消耗在支承面的摩擦上，而转化为预紧力的力矩很少，要保证相同的预紧力，就需要非常大的紧固力矩，过大的紧固力矩会导致工具易损、操作危险等问题。同时若摩擦系数过小，在相同的预紧力条件下，所需紧固力矩很小，螺栓易松动，降低了制动系统的可靠性。所以，在确定连接螺栓的紧固力矩时，若不考虑摩擦系数的影响，就极易发生紧固力矩不足或过高的情况。

另一方面，保持连接螺栓的紧固力矩625Nm不变，计算各摩擦系数下预紧力的大小，若保持连接螺栓的紧固力矩不变，当零件的表面状态发生变化，造成摩擦系数不同时，就极易发生预紧力不足或过高的情况。当摩擦系数降低到0．08时，该紧固力矩所转化的预紧力已经超过了螺栓的保证载荷，造成轴力过载，存在很大的失效风险。因此，研究不同摩擦系数下螺栓连接的扭矩系数，对确定紧固力矩，保证预紧力在合理范围内，具有非常重要的意义。

表面处理是现代机械工业的基础工艺之一，主要采用有效的物理或化学方法，改变材料表面的形态、化学成分和组织结构，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。表面处理对摩擦系数的影响，主要分为两部分：一方面是不同的表面处理方式，造成紧固件表面状态不同，故具有不同的表面摩擦系数；另一方面，同一种表面处理方式，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。

2．1表面处理方式对摩擦系数的影响

目前，机车车辆制动系统所用紧固件一般都需要经过表面处理，主要处理方式有镀锌、氧化、达克罗、磷化等。不同的表面处理技术，因其膜层的成分、性质等不同，会形成不同的表面状态，对摩擦系数的影响很大。此外，在实际装配过程中是否进行润滑，摩擦系数的差别也会很大。

目前，国标GB／T16823．3－2010《紧固件扭矩－夹紧力试验》[3]已经对螺栓连接的摩擦系数测量方法做出了规定，但尚未有统一的标准对各种不同表面处理的紧固件摩擦系数进行测量并规范。很多行业或企业根据各自产品的特点，测量总结了相关数据，并形成了相关行业标准或企业标准。

(1)在不进行润滑的情况下，配合*为常用的镀锌基材的内螺纹与支承面，磷化螺栓比镀锌螺栓的摩擦系数相对较小，这是由于磷化工艺具有自润滑特性。

(2)同一种表面处理，使用涂油润滑后，能够降低螺纹紧固件的摩擦系数，并提高一致性，尤其对于较高扭矩要求的高强度螺栓，能够有效避免失效风险。

(3)当对螺栓进行MoS2润滑时，摩擦系数可以降低至0．08~0．12；而对于涂抹胶粘剂的螺纹配合，摩擦系数可显著提高至0．14~0．25，故这两种情况在进行紧固力矩的校核时需要特别注意，若不加以区别就极易造成预紧力不足或过载。

从上述分析可以看出，紧固件摩擦系数因表面处理方式的不同而存在差异，但进行润滑处理后，摩擦系数的稳定性和一致性大大提高，可以有效避免失效风险。

目前，达克罗因其具有较高的防腐蚀性、无氢脆性、耐热性等优势，逐步取代镀锌工艺，越来越多的应用于机车车辆制动系统中的高强度螺栓。达克罗处理通常采用喷涂工艺，其摩擦系数与磷化、镀锌有所不同，但现有标准尚缺少相关的试验数据，这就需要设计人员在进行高强度螺栓紧固力矩的校核时，应考虑表面处理对摩擦系数的影响，必要时进行试验与验证。

2．2表面处理技术条件对摩擦系数的影响

表面处理对于摩擦系数的影响，除不同的表面处理方式外，其不同的技术条件亦会对摩擦系数产生影响。

以机车车辆制动系统中，连接螺栓经常采用的磷化工艺为例：锌盐磷化膜微观结构为定型晶结构，树枝状、针状、空隙较多。而锰盐磷化膜微观结构为密集颗粒状，空隙少，故锰盐磷化膜比锌盐磷化膜的摩擦系数相对较小且稳定。此外，磷化的温度、膜层厚度、后处理的种类等均会对摩擦系数产生影响。

镀锌处理，作为机车车辆制动系统中*为常见的紧固件表面处理方式，其摩擦系数亦会受到镀锌工艺中不同技术条件的影响。

关于紧固件镀锌工艺对摩擦系数的影响，有学者进行了相关试验[2]：以M10×1．25×60，强度等级为10．9级的高强度螺栓为对象，分别对4种不同厚度、不同铬

(1)在同为c2C后处理的情况下，镀锌层厚度由5μm提高至12μm时，螺栓支承面摩擦系数基本保持不变，但螺纹摩擦系数由0．331提高至0．372，增加了12．4％；而同为c2D后处理的情况下，镀锌层厚度由5μm提高至12μm时，螺栓支承面摩擦系数基本保持不变，但螺纹摩擦系数由0．148提高至0．178，增加了20．3％。这就表明，镀锌层厚度对于螺栓支承面摩擦系数的影响较小，但对螺纹摩擦系数的影响较大，故对扭矩系数亦会产生较大影响。

(2)当镀锌层厚度同为5μm时，后处理由c2C变为c2D，支承面摩擦系数由0．355降低至0．210，减少了40．8％，而螺纹摩擦系数由0．331降低至0．148，减少了55．3％；而当镀锌层厚度同为12μm时，后处理由c2C变为c2D，支承面摩擦系数由0．355降低至0．211，减少了40．6％，而螺纹摩擦系数由0．372降低至0．178，减少了52．2％。这就表面，在同种镀锌层厚度下，c2D后处理较c2C后处理的支承面摩擦系数和螺纹摩擦系数均有大幅下降，对扭矩系数影响较大。

(3)从上述试验数据的分析结果可以看出，针对紧固件镀锌工艺而言，镀层厚度与后处理方式是影响其扭矩系数的两个关键因素，且后处理方式的影响更为显著。这是由于不同的封闭处理造成了零件不同的表面状态，故对摩擦系数产生了较大影响。

所以，不单是表面处理的方式对于摩擦系数有较大影响，就是同一种表面处理方式的不同技术条件，亦会显著的影响紧固件的摩擦系数。而不同的表面处理方式，其技术条件的类型并不相同，如达克罗涂层的等级、磷化液的类别和温度等，故对于摩擦系数的关键影响因素就不会完全一致。这就需要我们研究确定每一种表面处理方式中影响摩擦系数的关键因素，才能更为科学、合理的确定紧固件的紧固力矩。

3螺栓紧固力矩的确定方法与流程

目前，国内机车车辆制动系统螺栓紧固力矩的确定方法，主要的依据是设计人员提取过时标准中的经验数据，当紧固件表面状态变化时，不能合理的调整装配扭矩值，很可能造成预紧力过大或过小。

通过前述分析可以看出：

(1)影响螺栓紧固力矩的关键因素有3个：紧固连接的形式与规格、螺纹摩擦系数μs和支承面摩擦系数μw，所以控制摩擦系数是合理选择装配扭矩的核心。

(2)影响摩擦系数的关键因素是紧固件的表面处理方式与技术条件。所以，要科学、合理的确定机车车辆制动系统螺栓连接的紧固力矩，就需要综合考虑紧固件规格、表面处理方式与技术条件3方面因素的共同影响。为此机车车辆制动系统螺栓紧固力矩的确定，应首先明确紧固件的表面处理方式与技术条件的关键因素，通过试验方法进行摩擦系数测定，然后统计归纳得到摩擦系数的分布规律，从企业层面建立标准，科学、合理的计算得出，如图3所示。