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，尤其當新的表面處理方式，如達克羅等的大量運用，導致既有的經(jīng)驗數(shù)據(jù)準確性降低，以此進行設(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。當摩擦系數(shù)提高0．02時，要達到相同的預(yù)緊力水平，總力矩需提高21％；當摩擦力提高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方法，改變材料表面的形態(tài)、化學成分和組織結(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行潤滑，摩擦系數(shù)的差別也會很大。

目前，國標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)一的標準對各種不同表面處理的緊固件摩擦系數(shù)進行測量并規(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)標準或企業(yè)標準。

(1)在不進行潤滑的情況下，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險。

(3)當對螺栓進行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險。

目前，達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)有標準尚缺少相關(guān)的試驗數(shù)據(jù)，這就需要設(shè)計人員在進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，有學者進行了相關(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、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)計人員提取過時標準中的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，當緊固件表面狀態(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、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)層面建立標準，科學、合理的計算得出，如圖3所示。