機車車輛制動系統(tǒng)是車輛運用的重要組成部分，而其連接螺栓的可靠性,，更是直接關(guān)系到車輛運行的**,。目前，國內(nèi)關(guān)于機車車輛制動系統(tǒng)螺栓緊固力矩的確定,，是以參照既有經(jīng)驗數(shù)據(jù)為主,，尚未考慮緊固件表面狀態(tài)對緊固特性的影響，尤其當(dāng)新的表面處理方式,，如達(dá)克羅等的大量運用，導(dǎo)致既有的經(jīng)驗數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性降低,，以此進(jìn)行設(shè)計,，易造成軸力偏差，造成**隱患,。

首先通過理論分析,，確定了影響螺栓緊固力矩的3個關(guān)鍵因素，并分析了螺紋摩擦系數(shù)和支承面摩擦系數(shù)對于緊固力矩的重要影響,，進(jìn)而歸納分析了表面處理對于摩擦系數(shù)的重要作用,。*后，總結(jié)了確定螺栓緊固力矩的方法與流程,，對于保證機車車輛制動系統(tǒng)連接螺栓的可靠運用具有非常重要的意義,。

1螺栓扭矩系數(shù)的分析

1．1螺栓連接緊固力矩

目前，關(guān)于螺栓連接緊固力矩的理論計算方法,，主要參照GB／T16823．2－1997《螺紋緊固件緊固通則》[1]中關(guān)于擰緊方法的相關(guān)規(guī)定,。

1．2摩擦系數(shù)對緊固力矩的影響

通過上述分析，從式(6)可以看出,，當(dāng)緊固螺栓的型式和尺寸固定后,，影響螺栓扭矩系數(shù)K的主要因素為螺紋摩擦系數(shù)μs和支承面摩擦系數(shù)μw。以機車制動系統(tǒng)中某高強度連接螺栓為例,，規(guī)格M20×32,，等級12．9,，規(guī)定緊固力矩(625±10)Nm，表面發(fā)黑處理,。通過手冊查詢相關(guān)參數(shù)：d＝20mm,，α′＝30°，P＝2．5mm,，d2＝18．376mm,，Dw＝28．5mm，公稱應(yīng)力截面積As＝245mm2,，螺栓保證應(yīng)力970MPa,，螺栓保證載荷238kN。假設(shè)配合件與螺栓的材料與表面狀態(tài)一致,，分別取μs＝μw＝0．08,，μs＝μw＝0．10，μs＝μw＝0．15,，μs＝μw＝0．20,，隨著摩擦系數(shù)的提高，預(yù)緊力消耗力矩Tp保持不變,，但螺栓螺紋摩擦力矩T′s,、支承面摩擦力矩Tw、總力矩Tf和扭矩系數(shù)K都顯著提高,。當(dāng)摩擦系數(shù)提高0．02時,，要達(dá)到相同的預(yù)緊力水平，總力矩需提高21％,；當(dāng)摩擦力提高0．05時,，總力矩需提高30％~43％.支承面摩擦力矩對摩擦系數(shù)的靈敏度*高，當(dāng)摩擦系數(shù)較高時,，緊固力矩大部分都消耗在支承面的摩擦上,，而轉(zhuǎn)化為預(yù)緊力的力矩很少，要保證相同的預(yù)緊力,，就需要非常大的緊固力矩,，過大的緊固力矩會導(dǎo)致工具易損、操作危險等問題,。同時若摩擦系數(shù)過小,，在相同的預(yù)緊力條件下，所需緊固力矩很小,，螺栓易松動,，降低了制動系統(tǒng)的可靠性。所以，在確定連接螺栓的緊固力矩時,，若不考慮摩擦系數(shù)的影響,，就極易發(fā)生緊固力矩不足或過高的情況。

另一方面,，保持連接螺栓的緊固力矩625Nm不變,，計算各摩擦系數(shù)下預(yù)緊力的大小，若保持連接螺栓的緊固力矩不變,，當(dāng)零件的表面狀態(tài)發(fā)生變化,，造成摩擦系數(shù)不同時，就極易發(fā)生預(yù)緊力不足或過高的情況,。當(dāng)摩擦系數(shù)降低到0．08時,，該緊固力矩所轉(zhuǎn)化的預(yù)緊力已經(jīng)超過了螺栓的保證載荷，造成軸力過載,，存在很大的失效風(fēng)險,。因此，研究不同摩擦系數(shù)下螺栓連接的扭矩系數(shù),，對確定緊固力矩,，保證預(yù)緊力在合理范圍內(nèi)，具有非常重要的意義,。

表面處理是現(xiàn)代機械工業(yè)的基礎(chǔ)工藝之一,，主要采用有效的物理或化學(xué)方法，改變材料表面的形態(tài),、化學(xué)成分和組織結(jié)構(gòu),，在材料表面生成具有特殊性能的膜層，賦予材料本身所不具備的機械,、物理或化學(xué)性能，滿足產(chǎn)品高技術(shù)性能的目的,。表面處理對摩擦系數(shù)的影響,，主要分為兩部分：一方面是不同的表面處理方式，造成緊固件表面狀態(tài)不同,，故具有不同的表面摩擦系數(shù),；另一方面，同一種表面處理方式,，其技術(shù)條件的差異亦會造成表面摩擦系數(shù)的差異,。下面分別對這兩種情況的相關(guān)研究進(jìn)行分析。

2．1表面處理方式對摩擦系數(shù)的影響

目前,，機車車輛制動系統(tǒng)所用緊固件一般都需要經(jīng)過表面處理,，主要處理方式有鍍鋅、氧化、達(dá)克羅,、磷化等,。不同的表面處理技術(shù)，因其膜層的成分,、性質(zhì)等不同,，會形成不同的表面狀態(tài)，對摩擦系數(shù)的影響很大,。此外,，在實際裝配過程中是否進(jìn)行潤滑，摩擦系數(shù)的差別也會很大,。

目前,，國標(biāo)GB／T16823．3－2010《緊固件扭矩－夾緊力試驗》[3]已經(jīng)對螺栓連接的摩擦系數(shù)測量方法做出了規(guī)定，但尚未有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)對各種不同表面處理的緊固件摩擦系數(shù)進(jìn)行測量并規(guī)范,。很多行業(yè)或企業(yè)根據(jù)各自產(chǎn)品的特點,，測量總結(jié)了相關(guān)數(shù)據(jù)，并形成了相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或企業(yè)標(biāo)準(zhǔn),。

(1)在不進(jìn)行潤滑的情況下,，配合*為常用的鍍鋅基材的內(nèi)螺紋與支承面，磷化螺栓比鍍鋅螺栓的摩擦系數(shù)相對較小,，這是由于磷化工藝具有自潤滑特性,。

(2)同一種表面處理，使用涂油潤滑后,，能夠降低螺紋緊固件的摩擦系數(shù),，并提高一致性，尤其對于較高扭矩要求的高強度螺栓,，能夠有效避免失效風(fēng)險,。

(3)當(dāng)對螺栓進(jìn)行MoS2潤滑時，摩擦系數(shù)可以降低至0．08~0．12,；而對于涂抹膠粘劑的螺紋配合,，摩擦系數(shù)可顯著提高至0．14~0．25，故這兩種情況在進(jìn)行緊固力矩的校核時需要特別注意,，若不加以區(qū)別就極易造成預(yù)緊力不足或過載,。

從上述分析可以看出，緊固件摩擦系數(shù)因表面處理方式的不同而存在差異,，但進(jìn)行潤滑處理后,，摩擦系數(shù)的穩(wěn)定性和一致性大大提高，可以有效避免失效風(fēng)險,。

目前,，達(dá)克羅因其具有較高的防腐蝕性,、無氫脆性、耐熱性等優(yōu)勢,，逐步取代鍍鋅工藝,，越來越多的應(yīng)用于機車車輛制動系統(tǒng)中的高強度螺栓。達(dá)克羅處理通常采用噴涂工藝,，其摩擦系數(shù)與磷化,、鍍鋅有所不同，但現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)尚缺少相關(guān)的試驗數(shù)據(jù),，這就需要設(shè)計人員在進(jìn)行高強度螺栓緊固力矩的校核時,，應(yīng)考慮表面處理對摩擦系數(shù)的影響，必要時進(jìn)行試驗與驗證,。

2．2表面處理技術(shù)條件對摩擦系數(shù)的影響

表面處理對于摩擦系數(shù)的影響,，除不同的表面處理方式外，其不同的技術(shù)條件亦會對摩擦系數(shù)產(chǎn)生影響,。

以機車車輛制動系統(tǒng)中,，連接螺栓經(jīng)常采用的磷化工藝為例：鋅鹽磷化膜微觀結(jié)構(gòu)為定型晶結(jié)構(gòu)，樹枝狀,、針狀,、空隙較多。而錳鹽磷化膜微觀結(jié)構(gòu)為密集顆粒狀,，空隙少,，故錳鹽磷化膜比鋅鹽磷化膜的摩擦系數(shù)相對較小且穩(wěn)定。此外,，磷化的溫度,、膜層厚度、后處理的種類等均會對摩擦系數(shù)產(chǎn)生影響,。

鍍鋅處理,，作為機車車輛制動系統(tǒng)中*為常見的緊固件表面處理方式，其摩擦系數(shù)亦會受到鍍鋅工藝中不同技術(shù)條件的影響,。

關(guān)于緊固件鍍鋅工藝對摩擦系數(shù)的影響,，有學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)試驗[2]：以M10×1．25×60，強度等級為10．9級的高強度螺栓為對象,，分別對4種不同厚度、不同鉻

(1)在同為c2C后處理的情況下,，鍍鋅層厚度由5μm提高至12μm時,，螺栓支承面摩擦系數(shù)基本保持不變，但螺紋摩擦系數(shù)由0．331提高至0．372,，增加了12．4％,；而同為c2D后處理的情況下,，鍍鋅層厚度由5μm提高至12μm時，螺栓支承面摩擦系數(shù)基本保持不變,，但螺紋摩擦系數(shù)由0．148提高至0．178,，增加了20．3％。這就表明,，鍍鋅層厚度對于螺栓支承面摩擦系數(shù)的影響較小,，但對螺紋摩擦系數(shù)的影響較大，故對扭矩系數(shù)亦會產(chǎn)生較大影響,。

(2)當(dāng)鍍鋅層厚度同為5μm時,，后處理由c2C變?yōu)閏2D，支承面摩擦系數(shù)由0．355降低至0．210,，減少了40．8％,，而螺紋摩擦系數(shù)由0．331降低至0．148，減少了55．3％,；而當(dāng)鍍鋅層厚度同為12μm時,，后處理由c2C變?yōu)閏2D，支承面摩擦系數(shù)由0．355降低至0．211,，減少了40．6％,，而螺紋摩擦系數(shù)由0．372降低至0．178，減少了52．2％,。這就表面,，在同種鍍鋅層厚度下，c2D后處理較c2C后處理的支承面摩擦系數(shù)和螺紋摩擦系數(shù)均有大幅下降,，對扭矩系數(shù)影響較大,。

(3)從上述試驗數(shù)據(jù)的分析結(jié)果可以看出，針對緊固件鍍鋅工藝而言,，鍍層厚度與后處理方式是影響其扭矩系數(shù)的兩個關(guān)鍵因素,，且后處理方式的影響更為顯著。這是由于不同的封閉處理造成了零件不同的表面狀態(tài),，故對摩擦系數(shù)產(chǎn)生了較大影響,。

所以，不單是表面處理的方式對于摩擦系數(shù)有較大影響,，就是同一種表面處理方式的不同技術(shù)條件,，亦會顯著的影響緊固件的摩擦系數(shù)。而不同的表面處理方式,，其技術(shù)條件的類型并不相同,，如達(dá)克羅涂層的等級、磷化液的類別和溫度等,，故對于摩擦系數(shù)的關(guān)鍵影響因素就不會完全一致,。這就需要我們研究確定每一種表面處理方式中影響摩擦系數(shù)的關(guān)鍵因素,，才能更為科學(xué)、合理的確定緊固件的緊固力矩,。

3螺栓緊固力矩的確定方法與流程

目前,，國內(nèi)機車車輛制動系統(tǒng)螺栓緊固力矩的確定方法，主要的依據(jù)是設(shè)計人員提取過時標(biāo)準(zhǔn)中的經(jīng)驗數(shù)據(jù),，當(dāng)緊固件表面狀態(tài)變化時,，不能合理的調(diào)整裝配扭矩值，很可能造成預(yù)緊力過大或過小,。

通過前述分析可以看出：

(1)影響螺栓緊固力矩的關(guān)鍵因素有3個：緊固連接的形式與規(guī)格,、螺紋摩擦系數(shù)μs和支承面摩擦系數(shù)μw，所以控制摩擦系數(shù)是合理選擇裝配扭矩的核心,。

(2)影響摩擦系數(shù)的關(guān)鍵因素是緊固件的表面處理方式與技術(shù)條件,。所以，要科學(xué),、合理的確定機車車輛制動系統(tǒng)螺栓連接的緊固力矩,，就需要綜合考慮緊固件規(guī)格、表面處理方式與技術(shù)條件3方面因素的共同影響,。為此機車車輛制動系統(tǒng)螺栓緊固力矩的確定,，應(yīng)首先明確緊固件的表面處理方式與技術(shù)條件的關(guān)鍵因素，通過試驗方法進(jìn)行摩擦系數(shù)測定,，然后統(tǒng)計歸納得到摩擦系數(shù)的分布規(guī)律,，從企業(yè)層面建立標(biāo)準(zhǔn)，科學(xué),、合理的計算得出,，如圖3所示。