轨道车辆紧固件配套选用的探讨

涂本荣，梅乔松，钱厚宽

（中车南京浦镇车辆有限公司，江苏 南京 210031）

1 引言

紧固件广泛运用于轨道交通车辆，它具有施工简单、受力性能好和可拆卸等优点。目前，轨道车辆研制企业都在相关系统（如Teamcenter系统）中建立了紧固件库供设计人员选用，紧固件库是按照一定层级关系分类管理的紧固件集合，包括螺栓、螺柱、螺钉、螺母、垫圈、铆钉和销等，如图1所示。

轨道车辆结构复杂，所用紧固件数量和类别多。在轨道车辆三维设计时，通行的紧固件选用方法是从紧固件库中依次查找和装配螺栓、螺母、防松垫圈和平垫圈，即选定了螺栓之后，还需要按照查找螺栓的方式再查找螺母、垫圈，这种离散式的选配方法割断了螺栓、螺母和垫圈之间的匹配关系，不仅耗时长，而且经常产生错误和不合理选配发生，如高性能等级螺栓误配低性能等级螺母和垫圈，碳钢螺栓误配不锈钢螺母和垫圈，发黑螺栓误配达克罗螺母等，这些误配将影响紧固件连接的承载能力、可靠性和耐腐蚀性，尤其是误配发生在车下吊挂件和转向架上时，一旦发生螺栓松脱和断裂，将严重影响行车安全。

目前各类文献对于紧固件配套使用主要研究的是基于点、线、面等装配特征识别的紧固件快速装配，这些方法仅考虑了紧固件公称直径的匹配，即选定了螺栓后，能自动匹配出相同公称直径的螺母和垫圈，但未考虑性能等级和表面处理匹配性。这样，基于产品结构输出的设计明细表（BOM）会存在紧固件性能等级和表面状态信息的缺失而无法指导工艺、采购和质量检验等问题。下文探讨了以企业紧固件库为基础，以紧固件公称直径、性能等级和表面处理为匹配条件，采用信息化技术实现以螺栓为基准的配套的方法，进而实现成套选配紧固件，同时确保了产品 BOM表中紧固件属性的完整性。

图1 紧固件库

2 紧固件属性标准化

紧固件属性的标准化是自动配套的前提。紧固件属性主要包括物料编码、执行标准、公称直径、表面处理和性能等级等。企业内部应对紧固件属性填写要求做严格的标准化规定，应尽量设置下拉项，防止填写的多样化。如螺栓M

D

*

L

，

D

为公称直径、

L

为公称长度，应对

D

和

L

之间的符号做明确规定，一旦使用“*”，就不应再使用“×”或“X”等符号；表面处理的表述应统一，同一种表面处理不应出现多种表述形式，如Geomet不应再写为焦美特或交美特；性能等级应严格按照紧固件标准的规定填写，如8.8级、A2-70级；垫圈等级应统一采用维氏硬度，不采用洛氏硬度；不应出现紧固件自身信息矛盾，如不锈钢螺栓性能等级写成8.8级。规范地填写属性将便于属性的匹配，不规范地填写将会导致属性匹配失败。

3 自动配套的实现

3.1 配套的依据

紧固件配套主要依据GB/T 3098.1—2010《紧固件机械性能 螺栓、螺钉和螺柱》、GB/T 3098.2—2015《紧固件机械性能 螺母》、GB/T 3098.6—2014《紧固件机械性能 不锈钢螺栓、螺钉和螺柱》、GB/T 3098.15—2014《紧固件机械性能 不锈钢螺母》、GB/T 3098.9—2010《紧固件机械性能 有效力矩型钢锁紧螺母》和GB/T 5286—2001《螺栓、螺钉和螺母用平垫圈 总方案》等紧固件标准。

GB/T 3098.2—2015第5章“螺栓和螺母连接副的设计”和附录A“螺母设计准则”规定了螺栓性能等级与螺母性能等级的匹配要求，如螺栓选择8.8级，螺母优选8级；螺栓选择10.9级，螺母优选10级。GB/T 5286—2001附录A“平垫圈与螺栓，螺钉或螺母配套使用指南”给出了垫圈硬度等级与螺栓螺母性能等级的匹配要求。紧固件 配套依据见表1。

表1 紧固件配套依据

注：由于钢制弹簧垫圈硬度等级较大，适用于各类性能等级的螺栓和螺母，弹簧垫圈的硬度等级不作为匹配要素。

?

3.2 建立配套规则

按照表1的配套依据建立两种紧固件配套规则，见表2，一种是全集配套规则，即将能与某螺栓标准匹配的所有螺母、防松垫圈和平垫圈标准列入一条规则；另一种是常用配套组合规则，常用配套规则是全集配套规则的子规则，一项螺栓标准可以有多条常用配套规则，设置常用规则的目的是指导设计人员优先选用，常用配套的紧固件往往库存足，能避免选用生僻的紧固件造成没有库存而耽误生产。

表2 全套配套规则和常用配套规则构成

注：类别为紧固件标准代号，如GB/T 6170的螺母为一类螺母。

?

无论全集还是常用规则，都应建在紧固件库的螺栓标准层级上，如图2所示，不宜太高，太高虽然可以避免对每项螺栓标准建规则，但不易规避标准之间不适用的问题，比如细牙螺母标准不应配标准螺纹螺栓标准，ISO或者国外的螺母标准不宜列入国标螺栓标准的全集组合中。规则也不应在螺栓标准下的具体物料上建立，因为标准下物料过多。在标准层级上只需要对每项螺栓标准建立一条全集规则和几条常用规则即可，且全集规则可根据企业紧固件的选用习惯自由选择哪些螺母和垫圈标准列入规则。

由于公称直径、性能等级和表面处理均不唯一，配套规则中不适合给定具体的值，而应通过设置参数来代表值的集合,其中公称直径为

D

，性能等级为

G

，表面处理为

F

，然后将值分别赋给

D

、

G

、

F

，如图3所示，通过将这三个参数写入规则来自动实现紧固件配套。根据图1，紧固件名称中包括公称直径和表面处理信息，性能等级单列，所以配套规则中紧固件名称设置为

$D$*$F$

,性能等级为

$G$

，如图2所示，其中

$

为通配符。

图3 赋值后的参数

3.3 自动配套的实现

设置配套规则后，通过规则运行，只要检索到规则中任何标准的螺母、防松垫圈和平垫圈属性信息中包含的

D、G、F

值与螺栓相同时，就将推送到螺栓物料的全集、常用配套结果中，确保相关人员选定螺栓物料后（因为紧固件一般先确定螺栓），能通过螺栓下的全集、常用配套列表迅速找到符合配套规则的螺母、弹簧垫圈和平垫圈供设计人员自由组合选用。螺栓物料的全集配套和常用配套结果存放区和结果如图4、图5所示。

图4 螺栓物料的全集组合和常用组合

图5 全集组合结果

4 结束语

紧固件是成套使用的零件组合，轨道车辆上选用的紧固件数量和品种多，按照配套规则成套选配紧固件的方法将螺栓、螺母、防松垫圈和平垫圈有效地构成了关联，将紧固件离散选配优化成了以螺栓为基准的组合选配，实现了配套使用，不仅可以缩短选配时间，而且提高选配准确性，从而使设计人员集中更多时间专注于产品关键技术的研究，对于轨道交通车辆研制企业来说具有重大意义。