WJ-7B型扣件锚固螺栓松动原因及防松对策

2014-04-11张志远上海铁路局上海高铁维修段

上海铁道增刊 2014年1期

张志远上海铁路局上海高铁维修段

张志远上海铁路局上海高铁维修段

高速铁路扣件在保证轨道稳定性、可靠性方面发挥着重要作用。对于有螺栓式扣件系统，锚固螺栓的可靠性很大程度上决定扣件系统功能的正常发挥。通过以沪宁城际铁路WJ-7B型弹性分开式扣件系统为例，总结扣件锚固螺栓松动的原因，分别从设计、施工和运营方面提出防松对策，进而提出相关的养护维修建议。

WJ-7B型扣件；锚固螺栓；松动原因；防松对策

扣件是连接钢轨与下部轨道结构的重要部件，在保证轨道稳定性、可靠性方面起着重要作用[1]。为适应铺设无挡肩无砟轨道，我国研发了带铁垫板的无挡肩弹性分开式结构的WJ-7型无砟轨道扣件系统，可用于桥梁、隧道和路基轨枕埋入式和CRTSⅠ型板式无砟轨道[2]。上海铁路局局管内沪宁城际铁路的CRTSⅠ型板式无砟轨道采用WJ-7B型扣件系统，其结构如图1所示，主要由T型螺栓、螺母、平垫圈、弹条、绝缘块、铁垫板、绝缘缓冲垫板、轨下垫板、锚固螺栓、重型弹簧垫圈、平垫块和定位于轨道板的预埋套管等组成。

图1 WJ-7B型扣件结构组成示意图

WJ-7B型扣件属于有螺栓式弹性分开式扣件。该类扣件便于调整钢轨高低，扣压力衰减后可复拧螺栓予以恢复，但零部件较多，需进行涂油作业，养护与维修工作量相对较大。铁垫板通过锚固螺栓与预埋于轨道板中的绝缘套管配合紧固，锚固螺栓的固定如图2所示。作为扣压力提供的关键部件，锚固螺栓的轴力衰减，给行车安全带来了巨大的隐患，一旦扣件失效，后果将非常严重[3]。

图2 扣件锚固螺栓固定

目前养护维修部门采取的措施为定期或不定期的上线路对螺栓进行复紧，为了减少养护资源的浪费，同时也为了保证行车安全[3]。因此，有必要总结扣件锚固螺栓松动的原因，在此基础上提出相应的预防对策，为现场养护维修提供指导。

1 锚固螺栓松动原因

一般情况下，螺纹设计时考虑了自锁条件，即螺纹升角小于螺纹副的当量摩擦角，以此来防止松动。此外，在预紧力作用下，螺母支承面上的摩擦力、螺纹与被联结件之间的摩擦力也有防松作用，所以在静载荷和外界环境条件变化不大时，螺纹联接不会自动松脱。

参考日本东京工业大学的山本晃[4]的试验分析成果，结合沪宁城际现场实际情况，笔者认为造成锚固螺栓松动的原因主要有以下几方面：

（1）支承面压陷引起松动

螺栓头或螺母支承面的接触压强较大时，被联接件的表面在与支承面接触处会出现环状压缩，产生塑性变形，紧固长度内的螺栓拉伸力减小，此时即使螺栓不发生转动，预紧力也会降低。特别是对于高强度螺栓，这种压陷是不可避免的。但材料的加工硬化使得支承面的接触压强达到某一极限值后，这种变形不再继续。这个极限压强可以通过实验得到，从而在设计螺栓时考虑足够的加工硬度。

（2）径向滑动引起松动

在螺纹副中，当螺栓中产生轴向拉伸时，由于螺纹牙斜面上的半径方向分力，螺栓头或螺母要产生弹性径向扩张，而由于泊松比的原因，螺栓则产生弹性径向收缩。因此，支承面之间产生微量的径向滑动。当这种滑动反复进行时，由于螺纹有升角，其负载和卸载过程是不可逆的，于是这种滑动的累积就造成了螺栓的松动回转。

（3）摩阻力降低引起松动

在冲击、振动或动载荷的作用下，轴向力反复增减，同样，在接触螺纹面和荷载支承面之间也存在径向滑动，当动能十分大时，会降低圆周方向的摩擦阻力，导致螺纹表面的正压力为零，即摩擦力突然消失，打破自锁而产生松动。

在高速铁路上，列车对轨道结构产生了周期性的动荷载，使上述原因造成的松动现象多次积累反复，而外部环境的变化（温度、雨水），也会导致螺纹联接件和被联接件的材料发生蠕变和应力松弛，使联接中的预紧力和摩擦力逐渐减小，最终将导致锚固螺栓松动、扣件失效。

2 锚固螺栓防松对策

2.1 设计方面

由于冲击、振动、螺纹面间摩擦因数变化，造成螺纹副间摩阻力急剧下降，而温度变化、材料蠕变将造成螺纹副间联接松脱。防松的根本问题在于防止螺旋副相对转动，下面介绍相应的防松对策。

（1）摩擦防松

增大螺纹副中的摩擦力可以有效地防止松动，最典型、最有效的形式是对顶螺母（见图3）。两螺母对顶，螺栓始终受到附加拉力和附加摩擦力的作用，旋合部分保持了牢固的压紧有利于排除其他动力响应的影响，结构简单，常用于低速重载线路。例如，采用两个厚型六角螺母，先用要求预紧力矩的80%拧紧下部螺母，再用100%的预紧力矩拧紧上部螺母[3]。

利用增大摩擦力来防松的形式还有弹簧垫圈（如图4），利用弹簧垫圈受压时产生的反弹力来使螺纹面见保持正压力，以及压紧时的摩擦力。这是用的最普遍的防松措施，但它的防松效果极微。

图3 对顶螺母

图4 弹簧垫圈

摩擦防松的另一种形式是利用结构措施产生附加摩擦力矩，称其为有效力矩，尼龙嵌件锁紧螺母是其最典型的形式（如图5），也是极为有效的措施。该螺母的锁紧部分是嵌在螺母体上没有内螺纹的尼龙圈，尼龙圈上的内螺纹在螺栓拧入时挤压形成，不得预先用丝锥攻出螺纹。尼龙圈的优点是防止螺母松脱的效果好，但防止螺栓轴线垂直方向的松动回转的能力低。而试验也表面嵌有尼龙圈的螺母在装卸10次后，其防松性能并不降低[3]。

图5 尼龙嵌件锁紧螺母

图6 止动垫圈

摩擦防松的优点是较为简便，具有较强的经济适用性和施工便利性。但其缺点也很明显，就是防松效果不可靠。

（2）机械防松

机械防松就是用简单的金属止动件直接防止螺纹副的相对运动，主要包括止动垫圈、带翅垫片和开口销三种形式。止动垫圈（见图6）是将止动片的折边分别弯靠在螺母和被联结件的侧边，从而起到防松作用。

带翅垫片（见图7）是将垫片内翅嵌入到螺母的槽内，等到螺母装配拧紧后，再将垫片的外翅之一折嵌到螺母的一个槽内。

图7 带翅垫片

图8 开口销

开口销，又称开槽螺母，是机械防松的一种，开口销穿过螺栓上的横孔，嵌入开槽螺母的一条槽中，螺母将无法松脱（见图8）。随着装配时槽的位置不同，得到的预紧力也不同，例如为100%、70%、50%，可根据工程要求灵活设置。但这也是这种方法的缺点。只要开口销不被剪断，就没有松动的风险，但一旦发生剪切破坏，其松动失效发生时间较快。

机械防松的优点是通过增加原件提高放松效果的可靠性，然而虽然大多数机械防松措施能有效防止螺母“松脱”，但却无法防止螺母因松动造成的预紧力下降。

（3）其它方式

除了上述防松方式外，还有涂胶、焊点法和冲点法等方法方式。涂胶防松是在螺纹牙表面涂上厌氧胶，螺母拧紧后，粘合剂自行固化，靠其粘结作用很好地防止松动；焊点法是在螺母拧紧后，把螺母和螺栓之间的螺纹面焊住，起到永久防松的作用，但只能适用于装配后不拆卸的工程场合；冲点法是用冲头冲2～3点，起到永久防松的作用。

这些防松方法的好处是进行了永久性的紧固，防松效果较为可靠。但其缺点也显而易见，适用场合有限，而且其破坏松动是没有预兆、无法观测的，一旦这些永久性紧固失效，将带来严重的后果。

2.2 施工方面

在施工阶段，对锚固螺栓进行预紧时，传统的拧紧方法有经验法、扭矩扳手法。精度较高的拧紧方法有伸长法、转角法[3]。

（1）经验法凭借工人的感觉，将施加的力矩分为几个等级：

M6—只施加手腕力道；M8—施加腕力和肘力；M10—施加全手臂力道；M12—施加上半身力道；M14—施加全身力道；M20—压上全身重量。

这种方法最简单、最经济，但是不可靠，拧紧偏差达±40%。

（2）现在在高铁线路和有条件的既有线路普遍采用扭矩扳手，但摩擦因素K受到各方面因素的影响，难以预测和控制，因此这种方法精度也不高，误差达±25%～±30%。

（3）精度较高的预紧力控制方法还有伸长法，即利用螺栓和螺母的垂向变形，假设螺栓为理想的杆状零件，其预紧力（拉力）与其伸长δ成正比，呈线性相关：

式中，E—螺栓材料的弹性模量；d—螺栓公称直径；le—螺栓有效长度。

因此，只需要测量或控制螺栓的伸长就能控制预紧力，这种方法精度较高，偏差为±1%～±10%，但目前相关器械还有待研究，方法有待普及[3]。

（4）转角法即利用螺母或螺栓头转角与轴力的关系，来控制预紧力。这种方法的优点在于螺母转角误差在测量精度有一定保证的前提下比螺栓拉伸变形的误差要小的多，而且最大拉力点对应360°转角，破坏极限点对应500°转角，在施工现场按照这样的转角控制不易导致误拧。同时，转角法较扭矩扳手法不用考虑到摩擦因素K的稳定，在高强度应力下，还可以使用此方法。美国和英国已经在研究此方法的实际应用，日本也着手致力于这方面的研究[3]。

2.3 运营方面

（1）按照科学的复紧周期，使用合适的扭矩扳手，按照螺栓的要求力矩，规范、均匀、有次序地对锚固螺栓进行复紧，保证力矩大小合适。

（2）对于螺母进行转角标记，保证运营时能及时发现扭矩异常，才能有利于长期的转角监测，以及轴力衰减变化的监测。

（3）监测锚固螺栓垂直于轨道板方向的位移，避免发生转角过大超过360°后相对于标记点转角仍较小，而未发现其松动的隐患。

（4）根据文献[3]中初步研究，在锚固螺栓转角2°～7°前应紧密监测，而转角2°～7°后认为螺栓轴力衰减进入稳定阶段，应更关注与螺栓的疲劳寿命，而不是松动回转。