中國軌道車輛緊固件的使用現狀及展望

　　前言螺紋連接在軌道車輛中應用十分廣泛。本文簡述了軌道車輛緊固件的使用現狀和技術研發的課題及緊固件的使用鋼種。

　　螺紋連接在軌道車輛中應用十分廣泛，是機械傳動中必不可少的組成部分。螺紋緊固件到聯接、定位以及密封等作用，是最常用的可拆卸連接，其中螺栓的用量最大。

　　隨著各類城軌軌道車輛的大容量、大型化，以及功率轉速的不斷提高，軌道車輛緊固件(以下簡稱緊固件)的工況條件更加苛刻，縱觀各類行車失效案例，緊固件的斷裂失效是影響車輛安全運行的巨大隱患。因此，對緊固件的性能提出了更高的要求。

　　1、緊固件的使用現狀和技術研發

　　1.1 緊固件的使用現狀目前，軌道車輛用緊固件(螺栓、螺釘和螺柱)普遍為8.8級及以上高強度緊固件。據統計，以碳素結構鋼、合金結構鋼連接螺栓為例，8.8級及以上的螺栓用量約為50%，其中10.9級及以上約為12%，部分零部件少量為12.9級螺栓連接。車廂內部採用的奧氏體不銹鋼自攻螺釘、沉頭螺釘占30%～35%左右。

　　1.2緊固件的技術研發軌道車輛每列車廂使用大量的緊固件，數量不少于1500個。當今技術研發的重點是高強度化和品質提升。緊固件的高強度化可減輕緊固件重量和相應部件的重量，這將是今后緊固件長期的研發課題，在提高品質方面最需要解決的問題是防止廉價高強度鋼材緊固件的延遲斷裂。

　　1.2.1緊固件高強度化提高緊固件的強度，可以使緊固件減少使用數量、縮小直徑、減輕重量，但需要解決抗拉強度達到1100Mpa、屈強比大于90%的螺栓發生延遲斷裂和疲勞斷裂的問題。因此，高強度螺栓用鋼的開發非常重要，高強度螺栓製造技術也要同時進行。

　　1.2.2緊固件的小型輕量化在不損失緊固性能的前提下，對小型輕量化的緊固件進行開發。為此，對緊固件用新材料和緊固件形狀進行研究，同時也對難加工材料的加工方法進行開發。

　　1.2.3緊固和防鬆弛技術為使緊固件牢固地緊固在部件上，防止因鬆弛發生事故，對緊固技術和防鬆弛技術進行研究。由于不認真安裝緊固件導致緊固性下降引發大事故的情況不斷發生，所以不能掉以輕心。緊固件的容易安裝和安全使用是兩個完全不同的概念，發揮緊固件緊固作用的關鍵在于正確的安裝作業，因此必須不斷對緊固設計優化和強化緊固作業的施工方法開發

　　1.2.4新材料利用對重要連接部位如懸掛部位、齒輪傳動箱與牽引電機連接高強度螺栓，採用微合金化Cr-Mo-V、Cr-Mo-V-Nb高強度冷鐓鋼等新材料，在大氣環境下使用的緊固件採用耐熱、耐腐蝕的奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼。

　　2、緊固件的使用鋼種緊固件種類繁多，有螺栓、螺釘、螺柱、螺母、自攻螺釘、木螺釘、內螺紋滾壓螺釘、內螺紋鎖緊螺釘和板螺釘等。

　　按機車車輛及其零部件設計準則，螺栓連接的分類劃分，螺栓連接失效時可能發生的危險定義為叁個風險等級。風險等級不同，對螺栓連接的尺寸、安裝記錄以及安裝時所用的工具提出的要求也不相同。叁個風險等級依次為：風險等級H(高)，螺栓連接發生故障失效時，可能導致機車車輛運行危險或危及人身安全。風險等級M(中)，螺栓連接發生故障失效時，可能導致機車車輛發生功能性故障。風險等級L(低)，螺栓連接發生故障失效時，最多導致乘客或乘務員感覺不舒適。緊固件的斷裂失效是影響車輛安全運行的一大隱患，為此，對連接各部位的各類緊固件的選材十分重要。

　　各類機車車輛使用的標準螺栓為8.8 級，多數為35、45、ML35B、ML35MnB、 10B28、10B33等碳素鋼、碳硼鋼製品，碳硼鋼價格較低，塬因是B的含量很少，可以使鋼的碳當量很低，可省略加工前的球化煺火;對于重要連接部位如齒輪傳動箱與牽引電機連接的8.8級螺栓，採用 42CrMoE、18Cr2Ni4WE、25Cr2MoVA等合金鋼。10.9級、12.9級螺栓必須是合金鋼製品，與8.8級螺栓不同之處是在鋼中添加適量的Cr、Mn、Mo、Ni、B等合金元素可明顯提高鋼的淬透性和強度，還可改善鋼材的固溶強化、彌散強化和細晶強化等冶金特性。

　　鋼中合金元素含量越高，其淬透性以及強度也就越高，但相應的生產成本也明顯增加。碳硼鋼由于合金成本方面的優勢具有重要的發展潛力。此外，淬火介質的冷卻能力越大，淬硬層越深。而為了保證高強度螺栓在調質淬火處理時，不產生明顯的熱處理變形，又要求鋼中的合金元素含量應控制在合理的範圍內，且淬火介質能力也受到一定的限制。嚴格控制碳含量及合金元素含量的波動範圍，可以實現均勻的淬透性，并明顯降低熱處理變形。

　　如10.9級高強度螺栓，調質處理能大大提高材料的抗拉強度、規定非比例延伸應力、提高屈服比和衝擊韌度，使材料具有強塑性的良好配合。由于疲勞強度、衝擊韌度的提高，在高強度螺栓設計時就可以採用更小的材料截面，從而減少整車的整體重量，節省零部件佔用空間和能量消耗。常用的碳素結構鋼、低合金結構鋼，在GB/T699-2015《優質碳素結構鋼》和GB/T3077-2015《合金結構鋼》中的35、45、18Cr2Ni4WE、40Cr、35CrMoA、 42CrMoE、40CrNiMoA、40CrMoVE等鋼只有通過調質處理才能充分發揮合金元素的作用，不調質等于浪費了寶貴的合金資源。緊固件等級用鋼種類見表2。

　　3、緊固件用鋼的發展及前景軌道車輛幾乎不採用其他緊固方法(例如焊接、粘結)代替螺紋連接。塬因是螺紋緊固的可靠性很高，并且已經緊固的螺紋也比較容易拆卸，即便于更換和維修。因此，提高緊固件的性能和性價比，比試圖減少或取代緊固件的探索更有意義。

　　為了提高緊固件的疲勞性能主要進行結構優化，如在車輛的走行部位及動力總成部位的連接螺栓，由于螺栓承受振動衝擊載荷，不僅要具有高強度，且要具有良好的疲勞性能。在結構上需最大限度地改善螺栓連接結構中螺紋牙角的載荷分佈和應力狀態，主要從以下叁方面入手，降低螺栓所承受的應力幅;減小螺紋牙底的應力集中水準;改善螺紋牙角上的載荷分佈。

　　在緊固件成本方面，材料費占的比例最大，其次是加工費和熱處理費。因此，為實現更高的性價比，需提高緊固件用料的成材率。為此，在小規格螺栓製造中實現了螺栓頭部的無飛邊模鍛成型和螺紋的滾軋成型，期待將這些技術擴大應用到大規格螺栓的製造上。

　　在緊固件用鋼方面，軌道車輛高強度螺栓，因一直存在的延遲斷裂和淬透性問題，成為影響使用的瓶頸。目前，應改變部分關鍵緊固件依賴進口，受制于人的被動局面，隨著軌道車輛的快速發展，開發高精度、高強度、高可靠性的緊固件是現階段的工作任務。從鋼的淬透性方面入手，開發新型鋼種或進行成分設計，低合金鋼一般在中碳範圍，從合金元素來看，有Cr系、Cr-Mo系、Cr-MoV系、Ni-Cr-Mo系等。軌道車輛緊固件鋼的應用範圍是很廣泛的，強度級別從 700～1200MPa都可選用。當強度超過 1200MPa時，低合金鋼製造的螺栓延遲斷裂現象十分突出。

　　從提高螺栓鋼的冷鐓性，改善鋼質方面來講，需要盡可能降低鋼中雜質元素含量。降低S含量可提高鋼的變形能力，降低P含量可降低鋼的變形抗力，同時可減少P、S在晶界的偏聚而減輕晶界脆化。降低S含量還可以減少鋼中的非金屬夾雜物，改善鋼的韌塑性。用價格低廉的B、Ti 替代高價合金元素，加熱后也可以進行充分冷卻的熱處理技術和非調質鋼高強度螺栓。在抗延遲斷裂性方面開發出的超高強度螺栓用鋼，在技術上是可行的，但是價格仍然較高。對于常規的12.9 級螺栓來說，提高緊固件用鋼的高純凈化、高均勻化以及高精細化的控制，以減少雜質元素，由此會降低延遲斷裂的危險性，所以期待著開發出低成本、高可靠性的新型超高強度緊固件用鋼。

　　4、結語總之，對軌道車輛用緊固件應從使用環節入手，技術研發的方向以扣件用鋼為主，既要從設計、製造、安裝等進行全過程品質控制，又要與時俱進在高強度、輕量化相結合下，不斷提高製造工藝技術水準。