WJ⁃8型扣件螺旋道钉摩擦因数测试方法.pdf
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1、第 63 卷 第 9 期2023 年9 月铁道建筑Railway EngineeringVol.63 No.9September 2023文章编号:10031995(2023)09003305WJ8型扣件螺旋道钉摩擦因数测试方法于毫勇1 刘长溪1 张欢1 蔡世生1,2 张晟11.北京铁科首钢轨道技术股份有限公司,北京 102206;2.中国铁道科学研究院集团有限公司 高速铁路轨道系统全国重点实验室,北京 100081摘要 WJ8型扣件螺旋道钉和预埋套管的摩擦因数是判断连接副防松性能的关键技术参数,而常规螺栓-螺母连接副摩擦因数的测试方法不适用于螺旋道钉。本文以常规螺栓-螺母连接副摩擦因数试验方
2、法为依据,考虑螺旋道钉-预埋套管连接副及扣件结构特点,系统地推导了螺旋道钉摩擦因数的计算公式,提出了螺旋道钉摩擦因数的测试方法,并通过优化接口、设计工装进行了试验验证。结果表明:利用公式推导得到的螺旋道钉-预埋套管连接副摩擦因数,计算得到的弹条标准安装状态扣压力与试验结果基本一致,本文方法适用于螺旋道钉摩擦因数的测试。关键词 WJ8型扣件;摩擦因数;螺旋道钉;预埋套管;连接副;测试方法中图分类号 U213.5+3 文献标识码 A DOI:10.3969/j.issn.10031995.2023.09.08引用格式:于毫勇,刘长溪,张欢,等.WJ8 型扣件螺旋道钉摩擦因数测试方法 J.铁道建筑,
3、2023,63(9):3337.摩擦因数是指两表面间的摩擦力和作用在其表面上的垂直力之间的比值。一般来说,摩擦因数和表面的粗糙度有关,而和接触面积的大小无关。适用于螺栓的摩擦因数包括总摩擦因数、螺纹摩擦因数和支承面摩擦因数。螺纹连接的可靠性主要取决于螺栓的轴向预紧力。螺栓的预紧力是通过控制拧紧扭矩和转角实现的,但不仅仅取决于拧紧扭矩和转角,还要受连接副摩擦因数的影响1。一般情况下,螺栓和螺母连接副的摩擦因数测试依据GB/T 16823.32010 紧固件 扭矩-夹紧力试验 进行。试验时,紧固扭矩平稳地作用于螺栓-螺母连接副或者螺钉-螺母连接副以产生夹紧力,测量确定总摩擦因数、螺纹摩擦因数和支承
4、面摩擦因数。在弹性变形的范围内,扭矩与夹紧力理论上呈线性关系。于俊辉等2通过试验证实了不进行润滑处理比进行润滑处理时摩擦因数呈现出较大的不稳定性,不利于扭矩测量。徐海东等3研究证实了摩擦因数从多方面影响螺纹连接系统所获得的轴向力,进而影响螺纹连接质量。在拧紧过程中设置合理的角度或扭矩监测,有利于识别螺纹紧固件摩擦因数的异常波动。倪晋挺4通过多组试验,明确了螺纹紧固件的摩擦性能取决于连接副结合面的状况、润滑条件、实际装配工艺、表面处理等多个因素。但标准所提供的测试方法仅仅适用于标准螺纹螺栓。WJ8型扣件为我国高速铁路无砟轨道普遍采用的一种扣件结构形式,螺旋道钉和预埋套管作为关键紧固部件,其摩擦因
5、数是判断连接副防松性能的关键技术参数。对于螺旋道钉和预埋套管连接副,其配合螺纹为大螺距非标螺纹。进行摩擦因数测试时,GB/T 16823.32010的试验方法并不适用。目前,在铁路扣件的日常维护中,发现有螺旋道钉锤击松退的现象。尽管在工程领域已采用渗锌防腐处理道钉、加大对道钉表面的抛丸力度、降低平垫圈厚度等措施来降低道钉松退的概率5,但鲜有对螺旋道钉和预埋套管摩擦因数的测试研究。本文基于常规螺栓螺母副的摩擦因数试验方法,充分考虑螺旋道钉和预埋套管连接副的特点,通过理论分析提出螺旋道钉摩擦因数测试方法,并进行试验验证。1 一般螺栓摩擦因数测试方法 一般螺栓是指由碳钢和合金钢制造的螺纹规格为M3M
6、39的螺栓、螺钉、螺柱和螺母,其摩擦因数测试按照GB/T 16823.32010的要求进行。收稿日期:20221230;修回日期:20230221基金项目:中国铁道科学研究院集团有限公司基金(2021YJ175)第一作者:于毫勇(1982),男,高级工程师。E-mail:铁道建筑第 63 卷1.1试验方法对螺栓、螺母连接副施加一定的扭矩,通过设备上预置的传感器,测量出螺纹部分和螺栓头部的扭矩,代入螺栓、螺母的相关几何参数,得出摩擦因数。1)总摩擦因数GB/T 16823.32010 给出了在已知摩擦因数的情况下紧固扭矩(T)、夹紧力(F)与各螺纹几何参数之间的关系,表达式为T=F()12P+1
7、.154 thd2-1.154 thP/d2+bD0+Dh4(1)式中:P为螺距;th为螺纹摩擦因数;d2为螺纹中径;b为支承面摩擦因数;D0为支撑面外径;Dh为支承面孔径。根据紧固扭矩与夹紧力的比值,近似得出总摩擦因数(tot)的计算式为tot=T/F-P/20.577d2+0.5Db(2)式中:Db为螺栓头下支承面的摩擦直径,Db=(D0+Dh)/2。式(2)是假设螺纹摩擦因数与支承面摩擦因数相等得出的,只用于比较不同摩擦条件下的螺栓副连接的受力情况;其中T、F均为测量值。2)螺纹摩擦因数根据螺纹扭矩与夹紧力的关系,近似得出螺纹摩擦因数(th)的计算式th=Tth/F-P/20.577d2
8、(3)式中:Tth为螺纹扭矩。Tth可通过实测得到的紧固扭矩(T)与支承面摩擦扭矩(Tb)计算得到,表达式为T=Tb+Tth(4)3)支承面摩擦因数根据支承面摩擦扭矩与夹紧力的关系,近似得出支承面摩擦因数(b)的计算式b=Tb0.5DbF(5)1.2试验工装及设备要求试验工装(图1)应能够承受紧固轴力和支承面摩擦扭矩的复合载荷,而不产生永久变形和位移。试验夹具要求螺柱拧入时基体端及垫片均不应转动。试验机应能够自动或通过手动旋转螺母或螺栓施加紧固扭矩,并装有能够直接或间接测量摩擦因数的装置,测试精度在2%范围内。试验机、载荷传感器和夹具应具有足够的刚度。2 螺旋道钉摩擦因数测试方法 正常组装状态
9、下,WJ8型扣件螺旋道钉与套管装配构造及啮合牙型见图2。螺旋道钉螺栓副几何尺寸的特点如下:1)螺纹的接触面与水平夹角(上部牙型角)=45,而常规的三角螺纹对应的角度为30。2)螺距较大。以M24螺纹为例,其大径为24 mm,标准三角螺纹螺距3.0 mm;螺旋道钉大径为24 mm,螺纹接触摩擦中径为d2=21 mm,螺距12.5 mm。3)与一般螺栓配合的平垫圈两面均为面接触;而与螺旋道钉配合的平垫圈为点、面接触,即一侧为面接触,一侧为点接触。4)与螺旋道钉旋合的套管材质为玻纤增强聚酰胺66。5)螺旋道钉与套管正常旋合的装配间隙比常规三角螺纹大。由于螺旋道钉与一般螺栓存在上述差异,所以螺旋道钉摩
10、擦因数的测量不能直接使用一般螺栓的测量方法,须根据实际情况进行专用工装设计以及计算公式推导6。2.1螺旋道钉摩擦因数的公式推导式(1)式(5)中P、T、F、Db、d2等均为螺栓特征值或试验测量值,仅1.154、0.577为特殊的系数。为验图1一般螺栓摩擦因数测试试验工装图2WJ8型扣件螺旋道钉与套管装配34第 9 期于毫勇等:WJ8型扣件螺旋道钉摩擦因数测试方法证系数的含义,对螺纹的摩擦进行分析。移动副摩擦按照接触面的形状可分为平面摩擦、斜面摩擦和槽面摩擦。为了简化移动副摩擦力的计算,不论移动副的两运动副元素的几何形状如何,均可将两构件不同几何形状的接触看作是沿单一平面接触的移动副,见图3。移
11、动副摩擦力(Ff)可以统一表达为Ff=f FN=fvG(6)式中:f为移动副的摩擦因数;FN为接触面的正压力;fv为移动副的当量摩擦因数;G为重力。对于槽面摩擦,接触面的正压力和当量摩擦因数分别可写成FN=Gsin(7)fv=fsin(8)式中:为槽面与重力方向的夹角。三角形螺纹旋转副中,可以把螺母在螺杆上的运动近似看作楔形滑块在斜槽面的运动,即槽面摩擦与斜面摩擦的组合。此时槽面夹角等于90-(图4),则当量摩擦因数(fv)和当量摩擦角(v)分别为fv=fsin(90-)=fcos(9)v=arctan fv (10)因此,克服螺纹副摩擦的拧紧力矩,即螺纹扭矩(Tth)的表达式可以写成7-8T
12、th=12Fd2tan(+v)(11)式中:为螺纹螺旋升角。螺栓拧紧过程中所需要的总力矩(T)包括两个部分:克服螺纹副摩擦的拧紧力矩(Tth)、螺栓头或螺母与支撑面间的摩擦力矩(Tb)。由式(4)、式(6)和式(7)可得T=12Fd2tan(+v)+12FbDb(12)由几何关系,有tan(+v)=tan +tan v1-tan tan v=Pd2+thcos 1-Pd2thcos=Pcos +d2thd2cos -Pth(13)将式(9)代入式(8),可得 T=Fd2tan(+v)2+FbDb2=F 12P+thd2sec (-thP/d2)sec +12bDb(14)对比式(1)和式(14
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