高速列車關(guān)鍵部位螺栓連接重復(fù)利用可行性研究

雷貫標(biāo)，李新魁，趙巖，孫凌燕，李鵬，趙躍，李濤，劉建華*,

高速列車關(guān)鍵部位螺栓連接重復(fù)利用可行性研究

雷貫標(biāo)1，李新魁1，趙巖1，孫凌燕1，李鵬1，趙躍1，李濤2，劉建華*,2

（1.中車唐山機車車輛有限公司 動車檢修事業(yè)部技術(shù)裝備處，河北 唐山 063035；2.西南交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610031）

選取已服役240萬公里的某動車車下halfen螺栓進(jìn)行損傷分析和螺栓連接振動試驗，研究螺紋表面試驗前后的損傷程度及損傷機制。利用光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡進(jìn)一步探討螺栓工作螺紋的損傷機理，并分析其機械性能。結(jié)果表明，螺栓第一圈工作螺紋表面微動磨損最為嚴(yán)重，主要磨損機制為疲勞磨損，并伴隨粘著磨損；隨著螺紋圈數(shù)的增加，表面損傷呈減輕趨勢；振動試驗后，螺紋表面損傷程度加劇，螺紋的剖面存在微裂紋，并沿次表面方向擴展，未發(fā)現(xiàn)沿內(nèi)部擴展的微裂紋。

halfen螺栓；微觀損傷分析；微動磨損；損傷機理

螺栓是工業(yè)發(fā)展中必不可少的元件，廣泛應(yīng)用于機械或近機械行業(yè)。在服役過程中，螺栓失效可能會帶來巨大的災(zāi)難或難以挽回的損失，特別是航空航天、軌道交通等領(lǐng)域。研究螺栓失效原因，對減少財產(chǎn)損失以及成本投入有重大意義。

劉紹鵬等[1]運用有限元法對螺紋接觸面積進(jìn)行了研究，結(jié)果表明隨著接觸載荷的增加，接觸面積也相應(yīng)增加；相同接觸載荷下，表面越光滑，接觸面積越大；當(dāng)接觸面積達(dá)到臨界值時，變化不明顯，且接觸面積小于名義接觸面積。隨著微動摩擦學(xué)的發(fā)展，國內(nèi)外學(xué)者開始關(guān)注微動對螺栓松動的影響。在外界交變載荷作用下，螺栓連接結(jié)構(gòu)的松動與螺紋接觸界面的微動行為（微觀滑移和微動磨損）密切相關(guān)，但對其機理的研究尚不深入[2]。Zhou等[3]雖然指出微動損傷是螺紋連接結(jié)構(gòu)松動失效的原因之一，但并沒有對此進(jìn)行深入的分析和研究。Ibrahim等[4]指出在振動環(huán)境中，螺栓軸向力逐漸下降是由于螺紋接觸面之間的微動磨損，并且當(dāng)下降到臨界值時，螺母開始發(fā)生回轉(zhuǎn)，導(dǎo)致螺栓軸向力迅速下降。Jiang等[5-6]通過試驗發(fā)現(xiàn)螺栓與螺母在早期不發(fā)生相對運動，主要是材料的塑性變形及其擴展引起的螺栓松動。Basava和Hess等[7-8]的研究則表明軸向振動作用下的螺栓夾緊力在達(dá)到穩(wěn)定值之前可能保持不變、增加或下降，這與振動的頻率、幅度以及接觸螺紋不穩(wěn)定的摩擦力有關(guān)。解慧等[9]通過試驗和表面磨損兩個方面研究了振動狀態(tài)下的螺栓松動行為及原因，指出在振動條件下螺栓的松動行為存在平穩(wěn)期、小幅度松動、大幅度松動、完全松動四個階段，并通過有限元分析得到螺栓在松動時齒尖壓力最大，齒尖和齒中滑動明顯導(dǎo)致兩處磨損嚴(yán)重。Liu等[10-11]開展了軸向激勵下螺栓連接結(jié)構(gòu)的松動機理研究，結(jié)果表明，螺栓松動的主要原因是螺栓連接結(jié)構(gòu)的塑性變形和螺紋接觸面之間的微動磨損。于澤通等[12]的研究表明，由于接觸的不均勻性，螺紋損傷顯示區(qū)域型特征。在預(yù)緊力的作用下，螺紋面存在較大的法向載荷，滿足磨損產(chǎn)生的條件[14-15]。振動載荷的持續(xù)作用導(dǎo)致螺紋面磨損的產(chǎn)生，螺紋面的磨損造成螺紋副配合程度降低、緊固件預(yù)緊力降低，使緊固件發(fā)生松動[16-17]。螺栓預(yù)緊力矩對螺栓連接件疲勞壽命具有重要影響，因為其大小直接影響接觸面應(yīng)力分布和相對滑移[18]。

1 halfen螺栓舊件形貌分析

查閱相關(guān)文獻(xiàn)[10]可知，螺栓在承受載荷時，其每圈螺紋承受的載荷不是均勻分布的，載荷主要集中在前三圈，第一圈大約承受總載荷的1/3，前三圈大約承載總載荷的70%。因此，本文中只針對前三圈進(jìn)行損傷形貌分析。

1.1 螺紋SEM形貌分析

新、舊螺栓第一圈工作螺紋的SEM（掃描電子顯微鏡，Scanning Electron Microscope）損傷形貌如圖1所示。

圖1 新、舊螺栓第一圈螺紋SEM形貌圖

由圖1可知：新螺栓螺紋全貌完整，不存在任何損傷。舊螺栓第一圈螺紋靠近牙頂?shù)闹猩喜繐p傷最嚴(yán)重，在1點附近呈現(xiàn)塑性流動、犁溝和剝落；2點附近因表面發(fā)生了塑性變形呈現(xiàn)凹凸不平的壓痕；3處遠(yuǎn)離牙頂，承載最低，幾乎沒有損傷。因此，螺栓第一圈的磨損機制主要是疲勞磨損。

1.2 螺紋SEM剖面形貌分析

舊螺栓受力界面的全貌圖及局部損傷放大如圖2所示。從全貌圖可看出，舊螺栓螺紋的受力界面形貌完整，但也存在疲勞磨損區(qū)域，對其中磨損較明顯的區(qū)域進(jìn)行局部放大，由局部放大圖可看出，這兩處的凹坑深度在5 μm以內(nèi)，且這兩處凹坑也不存在裂紋。隨著運行里程的增加，由于剝落處應(yīng)力集中，剝落處也將出現(xiàn)疲勞裂紋，從而使得疲勞剝落面積增大。

圖2 舊螺栓受力面SEM剖面圖

2 試驗材料和研究方法

為了研究服役后螺栓的力學(xué)性能，選取某動車車下halfen螺栓為研究對象，其強度等級為A4-70，材料為316奧氏體不銹鋼。采用帶尼龍防松圈的不銹鋼螺母。

2.1 試驗流程

首先，取舊件，對螺紋表面損傷進(jìn)行表征后，取新、舊螺栓進(jìn)行機械性能分析；然后進(jìn)行螺栓連接松動試驗，之后再分別對其螺紋表面損傷進(jìn)行損傷表征及機械性能分析。

2.2 halfen螺栓連接試驗方法及夾具

本次研究中的螺栓連接松動試驗和螺栓強度試驗在多軸疲勞試驗機（型號：W+B FLV 100-T500）上完成，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（型號：PCS 800 T2）對本次試驗的參數(shù)進(jìn)行控制和采集。本節(jié)主要介紹試驗夾具及試驗的流程和方法。

螺栓連接松動試驗設(shè)備及夾具如圖3（a）（b）所示。疲勞機上、下夾頭分別夾住試驗夾具的上、下夾持端，通過控制系統(tǒng)對夾具施加軸向載荷。上、下夾具和壓力傳感器通過螺栓、螺母試樣連接，并且對其施加預(yù)緊力矩，螺母端的壓力傳感器與試驗機的采集系統(tǒng)相連，用以實時采集和監(jiān)控螺栓的軸向預(yù)緊力變化。

本夾具的操作方法為：將下夾具夾持端由疲勞機下夾頭夾緊；螺栓、上夾具、下夾具、壓力傳感器以及螺母按照圖3（b）裝配；用力矩扳手對螺栓連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)緊，使預(yù)緊力達(dá)到預(yù)設(shè)值；再將上夾具的上夾持端由疲勞機下夾頭夾住；打開計算機控制軟件，采用力控制，并且對試驗參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

試驗參數(shù)如下：

（1）振動頻率：20 Hz；

（2）循環(huán)次數(shù)：107次；

（3）軸向載荷：20 N；

（4）螺栓預(yù)緊力矩：28 N·m；

（5）綜合精度（疲勞機自帶傳感器）：0.5%FS；

（6）螺栓軸向預(yù)緊力（傳感器）：14.3 kN。

螺栓強度試驗設(shè)備和夾具與松動試驗的設(shè)備和夾具一樣，如圖3（c）所示。對螺栓、螺母和上下夾具以及設(shè)備進(jìn)行裝配的操作流程為：將疲勞機下夾頭與下夾具夾持端夾緊；螺栓穿過上、下夾具，通過螺母間隙連接，將螺栓擰過螺母尼龍防松圈3～5圈螺紋，目的是不讓螺栓存在軸向預(yù)緊力，防止影響后續(xù)數(shù)據(jù)的采集和分析；疲勞機上夾頭夾緊上夾具夾持端；打開計算機控制軟件，采用軸向力控制和軸向位移控制，對參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，疲勞機上夾頭向上拉伸螺栓，直至螺栓拉斷，試驗停止。

試驗參數(shù)如下：

（1）軸向最大位移：15 mm；

（2）軸向拉伸速度：0.2 mm/s；

（3）綜合精度（疲勞機自帶傳感器）：0.5%FS。

1.試驗臺座；2.試驗機底座；3.試驗機下夾頭；4.試驗夾具；5.試驗機上夾頭；6.試驗機導(dǎo)柱；7.試驗機上橫梁；8.下夾具夾持端；8'.下夾具；9.螺栓；10.壓力傳感器；11.螺母；12.上夾具；12'.上夾具夾持端；13.傳感器線纜。

2.3 試樣清洗方法

用汽油對螺栓進(jìn)行超聲波清洗三次，每次15 min；再用酒精進(jìn)行超聲波清洗三次，每次15 min；最后用電吹風(fēng)吹干。

2.4 損傷表征方法

利用光學(xué)顯微鏡（OM，Optical Microscope，型號：OLYMPUS-DSX100）對螺紋工作表面進(jìn)行損傷分析；再采用電火花線切割方法截取前三圈工作螺紋，用同樣的方法清洗，利用SEM（型號：JSM-6610LV）對螺紋工作表面進(jìn)行微觀形貌分析；最后沿螺栓軸線方向切割螺紋，用環(huán)氧樹脂鑲樣、打磨和拋光后，進(jìn)行螺紋剖面形貌分析。

3 halfen螺栓試驗結(jié)果

3.1 振動試驗后螺紋表面形貌分析

新、舊螺栓進(jìn)行1000萬次循環(huán)的振動試驗后螺紋工作面OM形貌如圖4所示，可以看出，新螺栓的損傷比較集中，第二、三圈牙底出現(xiàn)損傷，且牙頂附近損傷密集；舊螺栓的損傷向牙底延伸，工作面磨損更加密集，有明顯的剝落特征，且牙頂變得更薄。

前文提及第一圈大約承受總載荷的1/3，因此，此處只針對第一圈進(jìn)行SEM損傷形貌分析。新、舊螺栓進(jìn)行1000萬次循環(huán)的振動試驗后螺紋工作面SEM形貌如圖5所示。

圖4 新、舊螺栓振動試驗后的螺紋OM形貌

圖5 新、舊螺栓振動試驗后的SEM形貌圖

由圖5（a）圈出區(qū)域放大圖可以看出，該處呈現(xiàn)剝落的特征，剝落塊相對較大，且該區(qū)域的犁溝特征比較明顯。由此可知，進(jìn)行1000萬次循環(huán)的振動試驗螺紋工作面發(fā)生了疲勞磨損和磨粒磨損。由圖5（b）可知，相比新螺栓，舊螺栓進(jìn)行1000萬次循環(huán)振動試驗后，螺紋工作面存在大面積的剝落；在牙頂附近區(qū)域，除了剝落現(xiàn)象外還存在犁溝現(xiàn)象；在螺紋工作面的中部和下部區(qū)域也存在不同程度的剝落現(xiàn)象；從放大圖中可以看出，剝落塊的面積比新螺栓的大，犁溝現(xiàn)象也十分明顯。在接觸的開始位置（牙頂）和結(jié)束位置（牙中）微動磨損最嚴(yán)重，且在振動試驗中，載荷以交變載荷的形式施加在螺紋受力面，因此可知，進(jìn)行1000萬次循環(huán)振動試驗的螺紋工作面也發(fā)生了疲勞磨損、磨粒磨損，該區(qū)域微動滑移的程度最大。這是由于在接觸起點和終點附近的接觸應(yīng)力更高，且在交變載荷作用下，該區(qū)域的微動滑移幅值最大，因此該區(qū)域單位面積的摩擦耗散能最大，界面間發(fā)生的微動磨損更加劇烈，磨損更嚴(yán)重[10]。

新、舊螺栓進(jìn)行1000萬次循環(huán)的振動試驗后螺紋剖面如圖6所示。

圖6 新、舊螺栓振動試驗后螺紋剖面SEM形貌

由圖6（a）全貌圖可以看出，新M10螺栓螺紋的工作界面不完整，出現(xiàn)了大塊剝落，剝落坑深度約40 μm。把圈出的疲勞磨損區(qū)域放大1500倍，可以看出，該處剝落坑深約10 μm，除了剝落坑，還存在約10 μm的短裂紋，有橫向生長的趨勢，若繼續(xù)進(jìn)行試驗，裂紋將繼續(xù)延伸到螺紋工作面，從而剝落形成剝落坑。由圖6（b）全貌圖可知，新螺栓螺紋工作面有明顯裂紋（圈出區(qū)域左邊），深度約8 μm、長約1000 μm；剝落坑（圈出區(qū)域右邊）深度約50 μm，凹坑內(nèi)有一塊即將剝落的碎屑，這塊剝落鐵屑是在其上表面以上的部分剝落后受到循環(huán)作用力，再次形成裂紋，最后脫落，此時碎屑尚未脫落。從圈出區(qū)域的放大圖可以看出，該處存在兩條裂紋，一條（上）約50 μm，一條（下）約20 μm，且下面那條裂紋末尾處又萌生出一條裂紋，其中一條有向內(nèi)部延伸的趨勢。若繼續(xù)進(jìn)行試驗，裂紋將延伸到螺紋工作面，從而剝落形成剝落坑。

3.2 halfen螺栓機械性能分析

新、舊螺栓顯微硬度如圖7所示，可看出，顯微硬度保持在HV 295～325，在整體趨勢上，新螺栓硬度略大于舊螺栓。新螺栓硬度的均值為HV 311，舊螺栓硬度的均值為HV 308?？芍?，螺栓使用時間越長，硬度略微下降。查閱相關(guān)資料[19]，316L不銹鋼屈服強度為282 MPa，但316L不銹鋼的高溫強度十分優(yōu)秀。螺栓在服役過程中，會產(chǎn)生一些熱量。這使得螺栓加熱后又在空氣中冷卻，不斷地循環(huán)，這類似于發(fā)生退火現(xiàn)象，細(xì)化晶粒，導(dǎo)致螺栓硬度下降、抵抗變形能力下降，但下降幅度很小。

圖7 新、舊螺栓的顯微硬度

新、舊螺栓的抗拉強度如表1所示，每組參數(shù)重復(fù)5次。所有螺栓在試驗時均擰緊相同螺紋圈數(shù)（防松螺母的防松圈前最后一個螺紋）。從表1中可以看出，舊螺栓抗拉強度比新螺栓降低約8%。

表1 新、舊螺栓的抗拉強度

新、舊螺栓進(jìn)行1000萬次循環(huán)的振動試驗之后的硬度如表2所示。可以看到，新螺栓隨著與牙底距離的增加硬度變化不大，整個數(shù)據(jù)比較集中，誤差最大的變化范圍為HV±3.24，且硬度最大值為HV 326.53，最小值為HV 310.77；舊螺栓整體數(shù)據(jù)分布集中程度與新螺栓相似，誤差大致集中在HV±2左右，且硬度最大值為HV 326.97，最小值為HV 293.97。

表2 振動試驗后新、舊螺栓的顯微硬度

新、舊螺栓進(jìn)行1000萬次循環(huán)的振動試驗后的抗拉強度如表3所示，可以看出，新螺栓的抗拉強度較舊螺栓高，且誤差較小，誤差最大的變化范圍為±0.01 kN。舊螺栓的延伸率較新螺栓大，誤差變化范圍相差不大。舊螺栓的斷面收縮率較新螺栓大，且誤差范圍也更大。

表3 新、舊螺栓振動試驗后的抗拉強度

4 結(jié)論

（1）螺紋表面損傷規(guī)律為：第一圈工作螺紋表面損傷最嚴(yán)重；隨著螺紋圈數(shù)的增加，螺紋接觸表面的損傷程度減輕；振動試驗后，螺紋表面損傷程度變嚴(yán)重。

（2）螺紋表面的損傷特征主要表現(xiàn)為剝層，并伴有犁溝形貌。因此，螺紋表面的磨損機制主要為疲勞磨損，并伴隨粘著磨損。從剖面形貌可以發(fā)現(xiàn)：微裂紋沿次表面方向擴展，未發(fā)現(xiàn)沿內(nèi)部擴展的微裂紋，而且損傷深度很淺。因此，舊螺栓螺紋損傷非常輕微。

（3）不同緊固次數(shù)對于新螺栓和舊螺栓的機械性能（拉伸強度、硬度）無較大影響。

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Reuse Feasibility Analysis of Key Bolted Connections of High-Speed Train

LEI Guanbiao1，LI Xinkui1，ZHAO Yan1，SUN Lingyan1，LI Peng1，ZHAO Yue1，LI Tao2，LIU Jianhua2

(1.Technology Equipment Division of EMU Maintenance, CRRC Tangshan Co., Ltd., Tangshan 063035, China;2.School of Materials ScienceandEngineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China )

In order to study the damage degree and wear mechanisms before and after vibration tests, the Halfen bolts of a high-speed train with a mileage of 2.4 million kilometers are selected for damage analysis and loosening test. The optical microscope (OM) and the scanning electron microscope (SEM)are used to further study the damage mechanisms of bolt threads, and the mechanical properties of bolts are analyzed. The results show that the fretting wear of the first thread is the most serious and the main wear mechanism is fatigue wear, accompanied by adhesive wear. With the increase of the number of the threads, the surface damage gets slight. After the vibration test, the damage degree of thread surfaces increases, and the micro-cracks are found on the profile of the thread and grow along the sub-surface direction, and the micro-cracks that grow along the internal direction are not found on the thread profile.

Halfen bolts；micro-damage analysis；fretting wear；damage mechanism

U213.5+2

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2021.12.009

1006-0316 (2021) 12-0061-07

2021-03-02

國家自然科學(xué)基金（51705434，52075460）；四川省重點研發(fā)項目（2019YFG0290）

雷貫標(biāo)（1983－），男，河北唐山人，碩士，工程師，主要從事軌道車輛調(diào)試檢修技術(shù)工作，E-mail：leiguanbiao@tangche.com。*通訊作者：劉建華（1987－），男，四川成都人，博士，副教授，主要研究方向為機械連接設(shè)計，E-mail：jianhua-liu@swjtu.edu.cn。