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城轨地铁车辆紧固件的使用现状及用钢发展(附图)

中国机械工业联合会机经网  发布时间:2018-01-29 16:11:15  来源:金蜘蛛紧固件网


螺纹连接在城轨地铁车辆中应用十分广泛。本文简述了城轨地铁车辆紧固件的使用和技术研发的现状,分析了车辆紧固件的使用钢种等级的分类。根据紧固件断裂失效而影响车辆安全运行的问题,对紧固件性能提出了更高的要求,展望了紧固件用钢发展的研究前景。

  螺纹连接在城轨地铁车辆中应用十分广泛。本文简述了城轨地铁车辆紧固件的使用和技术研发的现状,分析了车辆紧固件的使用钢种等级的分类。根据紧固件断裂失效而影响车辆安全运行的问题,对紧固件性能提出了更高的要求,展望了紧固件用钢发展的研究前景。

  摘要

  根据国务院在2月印发的《“十三五”现代综合交通运输体系发展规划》,2011年至2020年,我国城市轨道交通新增营业里程将达到6560公里,预计到2020年,我国城市轨道交通累计营业里程将达到7395公里。

  可见,未来城规地铁车辆紧固件的需求将是十分巨大的!

  螺纹连接在城轨地铁车辆中应用十分广泛。本文简述了城轨地铁车辆紧固件的使用和技术研发的现状,分析了车辆紧固件的使用钢种等级的分类。根据紧固件断裂失效而影响车辆安全运行的问题,对紧固件性能提出了更高的要求,展望了紧固件用钢发展的研究前景。

  

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  螺纹连接在城轨地铁车辆中应用十分广泛,是机械传动中必不可少的组成部分。螺纹紧固件起到联接、定位以及密封等作用,是最常用的可拆卸连接,其中螺栓的用量最大。

  随着各类城轨地铁车辆的大容量、大型化,以及功率转速的不断提高,车辆紧固件的工况条件更加苛刻,纵观各类行车失效案例,紧固件的断裂失效是影响城轨地铁车辆安全运行的巨大隐患。因此,对紧固件的性能提出了更高的要求。

  1. 紧固件的使用现状和技术研发

  1.1 紧固件的使用现状

  目前,城轨地铁车辆用紧固件(螺栓、螺钉和螺柱)普遍为8.8 级及以上高强度紧固件。据统计,行走、转向系统以碳素结构钢、合金结构钢连接螺栓为例,8.8 级及以上的螺栓用量约为25%,其中10.9 级及以上约为7%,极少量为12.9 级螺栓连接。底盘车厢上部采用的基本是奥氏体不锈钢六角头螺栓、自攻螺钉、沉头螺钉占70% ~ 80%。

  近年来,对影响城轨地铁车辆安全运营的紧固件断裂失效案例分析,涵盖了高强度螺栓的疲劳断裂、塑性断裂、脆性断裂三大类型。从人、机、料、法和环五大因素分析,造成螺栓断裂失效的因素主要有以下几种原因。

  1.栓材质不良,钢材非金属夹杂物严重,成为疲劳裂纹源;

  2.螺栓制造工艺不合理,造成螺栓机械性能不符合标准要求或螺栓制品具有原始裂纹,使用时扩展断裂;

  3.设计选择的螺栓满足国标要求,但疲劳强度难以满足实际工况需求。螺栓连接设计不科学,无法达到紧固扭矩。

  1.2 紧固件的技术研发

  城轨地铁车辆每列车厢使用大量的紧固件,数量不少于15000个。当今技术研发的重点是高强度化和提高品质;紧固件的高强度化可减轻紧固件重量和相应部件的重量,这将是今后紧固件长期的研发课题,在提高品质方面最需要解决的问题是防止廉价高强度钢材紧固件的延迟断裂。

  1.2.1 紧固件高强度化

  提高紧固件的强度,可以使紧固件减少使用数量,缩小直径、减轻重量,但需要解决抗拉强度达到1100Mpa、屈强比大于90% 的螺栓发生延迟断裂和疲劳断裂的问题。因此,高强度螺栓用钢的开发非常重要,高强度螺栓制造技术也要同时进行。

  

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  1.2.2 紧固件的小型轻量化

  在不损失紧固性能的前提下,对小型轻量化的紧固件进行开发。为此,对紧固件用新材料和紧固件形状进行研究,同时也对难加工材料的加工方法进行开发。

  1.2.3 紧固和防松弛技术

  为使紧固件牢固地紧固在部件上,防止因松弛发生事故,对紧固技术和防松弛技术进行研究。由于不认真安装紧固件导致紧固性能下降引发大事故的情况时有发生,所以不能掉以轻心。紧固件的容易安装和安全使用是两个完全不同的概念,发挥紧固件紧固作用的关键在于正确的安装作业,因此必须不断对紧固设计优化和强化紧固作业的施工方法开发。

  

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  1.2.4 新材料利用

  对重要连接部位如悬挂部位、齿轮传动箱与牵引电机连接高强度螺栓,采用微合金化Cr-Mo-V、Cr-Mo-V-Nb 高强度冷镦钢等新材料,在大气环境下使用的紧固件采用耐热、耐腐蚀的奥氏体不锈钢或奥氏体- 铁素体双相不锈钢。

  2. 紧固件的使用钢种分类

  紧固件种类繁多,有螺栓、螺钉、螺柱、螺母、自攻螺钉、木螺钉、内螺纹滚压螺钉、内螺纹锁紧螺钉和板螺钉等等。

  按城轨地铁车辆及其零部件设计准则,螺栓连接的分类划分,螺栓连接失效时可能发生的危险定义为三个风险等级。风险等级不同,对螺栓连接的尺寸、安装和文件记录以及安装时所用的工具提出的要求也不相同。

  三个风险等级依次为:风险等级H(高),螺栓连接发生故障失效时,可能导致车辆运行危险或危及人身安全。风险等级M (中),螺栓连接发生故障失效时,可能导致车辆发生功能性故障。

  风险等级L(低),螺栓连接发生故障失效时,最多导致乘客或乘务员感觉不舒适。为此,对连接各部位的各类紧固件的选材十分重要。

  各类机车车辆使用的标准螺栓为8.8 级,多数为ML35、45、ML35B、ML35MnB、10B28、10B33 等碳素钢、碳硼钢。由于碳硼钢价格较低,原因是B 的含量很少,可以使钢的碳当量很低,可省略加工前的球化退火;为了加固螺栓连接,标准中现在原则上仅使用高强度螺栓(螺钉)材料,这样还可以减少所用螺栓的种类数量。正是上述原因,国内外标准中不再含有强度低于8 或8.8 级的材料替代。

  对于重要连接部位或齿轮传动箱与牵引电机连接的8.8 级螺栓,采用42CrMoE、18Cr2Ni4WE、25Cr2MoVA 等合金结构钢。10.9 级、12.9 级螺栓必须是合金钢制品,与8.8 级螺栓不同之处是在钢中添加适量的Cr、Mn、Mo、Ni、B 等合金元素可明显提高钢的淬透性和强度,还可改善钢材的固溶强化、弥散强化和细晶强化等冶金特性,表1 为合金元素对钢材冶金特性的影响。

  

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  钢材通过加入少量的V、Nb 等微量元素形成弥散细小的氮化物、碳化物或氮、碳化物或氮碳混合物,可起到弥散强化和晶粒细化效果,而这些弥散物通过增加晶界密度和位错可改善高强度螺栓的冲击韧度;且降低了P、S 等导致延迟断裂的有害元素含量,并且在拉拔过程中使用无渗磷润滑涂层。12.9 级螺栓钢中必须添加V 等碳化物析出元素俘获钢中氢,提高抗延迟断裂性,使之无害化,螺栓的紧固能力进一步提高。

  

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  钢中合金元素含量越高,其淬透性以及强度也就越高,但相应的生产成本也明显增加。碳硼钢由于合金成本方面的优势具有重要的发展潜力。此外,热处理淬火介质的冷却能力越大,淬硬层越深。而为了保证高强度螺栓在调质淬火处理时,不产生明显的热处理变形,又要求钢中的合金元素含量应控制在合理的范围内,且淬火介质能力也受到一定的限制。严格控制碳含量及合金元素含量的波动范围,可以实现均匀的淬透性,并明显降低热处理变形。

  如10.9 级高强度螺栓,调质处理能大大提高材料的抗拉强度、规定非比例延伸应力、提高屈服比和冲击韧度,使材料具有强度和塑韧性的良好的配合。由于疲劳强度、冲击韧度的提高,在高强度螺栓设计时就可以采用更小的材料截面,从而减少整车的整体重量,节省零部件占用空间和能量消耗。

  常用的碳素结构钢、低合金结构钢, 在GB/T6478-2015《冷镦和冷挤压用钢》和GB/T3077-2015《合金结构钢》中的ML35B、ML35MnB、18Cr2Ni4WE、40Cr、35CrMoA、42CrMoE、40CrNiMoA、35CrMoVE 等钢只有通过调质处理才能充分发挥合金元素的作用,不调质就等于浪费了宝贵的合金资源。城轨地铁车辆紧固件等级用钢种类见表2。

  

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  3. 紧固件用钢的发展研究

  3.1 洁净低合金紧固件钢

  低合金钢一般在中碳范围,从合金元素来看,有Cr 系、Cr-Mo 系、Cr-Mo-V 系、Ni-Cr-Mo 系等。由表3 可看出低合金紧固件钢的应用范围是很广泛的,强度级别从700 ~ 1200MPa 都可选用。当强度超过1200MPa 时,低合金钢制造的螺栓延迟断裂现象十分突出。目前低合金钢仍是主要的高强度螺栓用钢。

  从提高螺栓钢的冷镦性,改善钢质方面来讲,需要尽可能降低钢中杂质元素含量。降低S 含量可提高钢的变形能力,降低P 含量可降低钢的变形抗力,同时可减少P、S 在晶界的偏聚而减轻晶界脆化。降低S 含量还可以减少钢中的非金属夹杂物,改善钢的韧塑性。

  

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  因此,降低钢中的P、S 含量不仅可以改善钢的冷镦性能,还可以改善钢的耐延迟断裂性能。实践表明,S 含量对45 钢出现裂纹的倾向(出现裂纹的临界变形量)有很大的影响,降低S 含量可使这种倾向大大减少,特别是当S 含量降低到0.005% 时,效果更明显。为此,GB/T3098.1-2010 标准中,将8.8 级及以上螺栓用钢P、S 含量更改为0.025%max。

  在高强度螺栓的实际生产及使用过程中,非金属夹杂物的类别及形态对高强度螺栓的疲劳性能有着较大影响。非金属夹杂物在钢中主要以氧化物和硫化物的形式存在。根据实际生产经验及相关试验规程,高强度螺栓材料的非金属夹杂物允许范围,根据GB/T10561-2005、标准,A 类硫化物类≤ 1.5 级、B 类氧化铝类≤ 2 级、C 类硅酸盐类≤ 1.5 级、D 类球状氧化物类≤ 2 级、DS 类单颗粒球状类≤ 0.5 级。

  3.2 经济型高强度紧固件钢

  随着城轨地铁车辆的轻量化,要求紧固件用钢具有更高的强度。如标准紧固件、特殊紧固件、非标异型件。冷镦钢的强度级别较常用的是400~1000MPa 级,现已提高到1000~1300MPa级,甚至要求提高到1400MPa 级以上。除强度外,对冷镦钢的其他性能也提出了较高的要求,如抗延迟破坏性能、耐蚀性、加工性能等。

  

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  3.2.1 碳硼钢

  为了增加紧固件的市场竞争力,在提高钢材性能和冶金质量的同时,还要求减少生产成本,省略或简化工序,降低对能源的消耗。因此开发了节约合金元素的低、中碳硼钢。其成分设计的基本原则是降低含碳量,改善钢的冷变形能力,加入0.0008% ~ 0.0030% 的硼,以弥补因降碳而造成的强度和淬透性的损失。另外根据需要还可加入适量Cr、Mn、Ti 等合金元素,进一步提高淬透性。硼钢的特点是由于少量硼代替大量合金元素,成本降低,碳和合金元素含量低,热轧线材可以直接拉拔和冷镦加工,不需要预先球化退火处理,节约了紧固件的制造成本。

  碳硼钢作为高强度螺栓用的主要材料之一,淬火变形和开裂倾向小,可用水溶液淬火处理,热处理操作简便,改善了工作环境,不仅综合力学性能好,在相同强度水平下韧性较中碳钢有明显改善,且脱碳敏感性小。9.8 级和10.9 级螺栓用与ML40Cr 相当的ML35MnB、10B33 硼钢制造,由于硼钢的抗回火软化能力小,其回火温度要比SCM435、ML40Cr、ML35CrMo 钢低60~80℃,因此用碳硼钢制造的10.9 级高强度螺栓的延迟断裂敏感性增大。

  3.2.2 微合金非调质钢

  高强度螺栓用非调质钢主要是冷作细晶非调质钢,可省略螺栓冷拔前的球化退火和螺栓成形后的淬火并回火处理,且可减轻螺纹牙尖的脱碳倾向,提高螺栓成品率,经济效率十分明显。非调质钢常用的微合金化元素有:Ti、Nb、V、B 等。在轧制前的加热过程中应保证微合金化元素充分固溶,随后在控制轧制、冷却过程中析出弥散微细的微合金化元素碳氮化物,抑制奥氏体晶粒长大,得到细小的晶粒,在提高螺栓钢强度的同时又能改善韧塑性。

  我国使用的非调质钢,其组织为低碳含锰的铁素体+珠光体型和贝氏体型,并添加有微量合金元素(V、Ti、Nb 和N 等)细化晶粒和析出强化元素;采用炉外精炼减少夹杂物并控制成分在较窄的范围,通过控温轧制(锻制)、控温冷却,在铁素体和珠光体中弥散析出碳、氮化物为强化相,使钢在轧制(锻制)后不经调质处理即可获得中碳钢经调质后所达到的力学性能的钢种。

  MFT8、 MFT9、MFT10 非调质钢在冷镦时的硬度较通常的线材高,使冷镦复杂形状的凸缘类螺栓时产生裂纹的机率较高,而且冷镦模具寿命有所降低。因而非调质钢制造的螺栓主要为7T 级和8.8 级,少量10.9 级双头螺栓也可采用非调质钢制造。

  为了提高螺栓的屈强比和去除加工应力,需要对非调质钢进行200 ~ 510℃的回火时效处理,10.9 级螺栓在200 ~ 220℃的回火处理与电镀后的驱氢处理可同时进行;而8.8级螺栓在350 ~ 400℃的回火处理可与着色发黑工序一道进行。既减轻了劳动强度,又达到节能降耗目的。

  

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  3.2.3 超细晶粒钢

  高强度螺栓属于带缺口零件,具有很高的缺口敏感性,容易在缺口集中部位处、杆与头部的过渡处或螺纹根部产生延迟断裂。耐延迟断裂的具体措施之一是细化晶粒。为此,近年来,国内外都在进行广泛的研究开发超细晶粒紧固件钢。如:日本住友金属的ADS 系列,神户制铁的KNDS 系列,中国钢铁研究总院的ADF 系列钢等。

  研究表明,当亚共析钢的原奥氏体晶粒因共析铁素体的超量析出而超细化至亚微米尺度时,随后发生的共析相变产物不论具有什么样的形态(包括片状) 钢材均可直接承受冷镦成形。1300MPa 级的高强度螺栓钢42CrMoVNb(ADF1),在42CrMo 钢的基础上,通过降低S、P、Si、Mn 的含量,添加微合金元素V、Nb,并增加Mo 的含量,其综合力学性能有较大幅度提高,使用在发动机上13.9 ~ 14.9 级高强度螺栓,突破了最高设计只有12.9 级螺栓的限制;而国外采用KNDS2、SNCM439 钢(代替SCM440 钢)制造12.9 ~ 14.9 级螺栓,延迟断裂有明显改善。

  4. 车辆紧固件的加工难点

  在车辆紧固件标准方面,有关铁道工务用紧固连接的标准约有30 余项,而有关城轨地铁车辆用紧固连接的标准则相对较少。TB/ T3246—2010《机车车辆及其零部件设计准则螺栓连接》标准,从设 计、安装、连接等系统的角度对螺栓连接做了规定。但是,针对城轨地铁车辆用紧固件的产品标准还很缺乏,目前主要只有6 项。

  城轨地铁车辆紧固件材料基础技术研究十分薄弱,非标准紧固件无专用钢材牌号,小批量产量难以达到经济规模,且材料技术标准混乱,基础技术数据与行业统计数据贫乏。只有随之不断积累着技术和经验,期待城轨地铁车辆的未来发展。

  如果是车辆行走、传动高性能级紧固件,品质的可靠性参差不齐, 对以自动化装配为主的车辆却是重大缺失。车辆紧固件必须具备“零缺陷”的要求,不良品率控制在60PPm 以下,这个指标非常高,按照目前生产工艺,全过程全自动涡流检测筛选机或各类传感器的研发,对缺陷和裂纹增加探伤功能自动甄别,达到“零缺陷”的终及目标管理,可能在今后2~3 年内会得到实现。但投入代价较高,普及化尚需时日。

  现在世界上一些著名的大型紧固件生产企业,都有自己的专用材料、专用技术。专用材料是根据产品所需的成分和要求,与钢厂联合共同开发研制,如日本神户钢厂就有针对连杆螺栓的专门冶炼SCM435 钢。但是针对城轨地铁车辆紧固件,尤其是车辆行走、传动高性能级紧固件材料至今仍然是空白。

  目前车辆用高性能级紧固件最高强度为12.9 级,依据国外钢材标准,借鉴欧盟DINEN10253-4: 2005《冷镦和冷挤压钢线材、棒材和线材》,可以采用34CrMo4、42CrMo4、34CrNiMo6 等牌号。目前1300 MPa、1400 MPa 级螺栓短期内很难在车辆中应用,但材料设计思路在提高现有高性能级紧固件抗疲劳性能或抗延迟断裂性能方面可以提供借鉴。

  车辆行走、传动高性能级紧固件,使用的螺纹连接结构设计上应能保证维持所施加的预紧力。轴向预紧力过大或过小都会对螺纹连接产生不利影响。轴向预紧力过小,螺纹连接承载能力、防松性能均达不到设计要求;轴向预紧力过大,螺纹接触面应力值较大,容易引起螺纹变形、滑扣等机械损伤,降低螺纹连接可靠性。因此,为保证螺纹连接满足连接实际工作需要,必须确定合理的轴向预紧力范围。

  车辆用高性能级紧固件的摩擦系数,主要取决于螺栓制造工艺和实际应用时装配工艺。我们在经过长期工作实践,10000 次台架试验验证,确认摩擦系数与下列因素密切相关。

  ①、螺纹精度。由螺纹公差带和旋合长度组成,螺纹精度是螺纹加工质量的综合体现,同等条件下螺纹精度越高,摩擦系数越小。

  ②、紧固件表面粗糙度。包括螺纹表面粗糙度和支承面表面粗糙度,与紧固件生产中的冷镦作业工艺参数、螺纹制造工艺有直接关系。

  ③、紧固件表面处理工艺。包括磷化、电镀和锌铝涂层。受表面处理层材料类型、局部厚度、转化工艺等因素影响,不同表面处理工艺得到的紧固件摩擦系数相差较大。

  目前我国还无城轨地铁车辆螺纹紧固件紧固扭拒的国家标准,只有汽车行业标准和欧盟标准,缺乏自主知识产权和基础理论层面的技术支撑。

  5. 紧固件发展与用钢展望

  城轨地铁车辆几乎不采用其他紧固方法( 例如焊接、粘结) 代替螺纹连接。原因是螺纹紧固的可靠性很高,并且已经紧固的螺纹也比较容易拆卸,即便于更换和维修。因此,提高紧固件的性能和性价比,比试图减少或取代紧固件的探索更有意义。

  螺栓紧固后不松弛和容易拆卸是两个相反的特性。为了提高这两个特性,应不使螺栓锈蚀和黏结,为此多年来在提高螺纹精度、采用涂装和表面处理技术以及改进紧固方法等方面开展了大量的工作。

  为了提高紧固件的疲劳性能主要进行结构优化,如在车辆的走行部位及动力总成部位的连接螺栓,由于螺栓承受振动冲击载荷,不仅要具有高的强度,且要具有良好的疲劳性能。在结构上需最大限度地改善螺栓连接结构中螺纹牙角的载荷分布和应力状态,主要从以下三方面入手:降低螺栓所承受的应力幅;减小螺纹牙底的应力集中水平;改善螺纹牙角上的载荷分布。

  在紧固件成本方面,材料费占的比例最大,其次是加工费和热处理费。因此,为实现更高的性价比,需提高紧固件用料的成材率。为此,在小规格螺栓制造中实现了螺栓头部的无飞边模锻成型和螺纹的滚轧成型,期待将这些技术扩大应用到大规格螺栓的制造上。

  

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  在紧固件用钢方面,城轨地铁车辆高强度螺栓,因一直存在的延迟断裂和淬透性问题,成为影响使用的瓶颈。目前,应改变部分关键紧固件依赖进口,受制于人的被动局面,随着城轨地铁车辆的快速发展,开发高精度、高强度、高可靠性的紧固件是现阶段的工作任务。从钢的淬透性方面入手,开发新型钢种或进行成分设计,用价格低廉B、Ti 替代高价合金元素,加热后也可以进行充分冷却的热处理技术和非调质钢高强度螺栓。

  

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  在抗延迟断裂性方面开发出的超高强度螺栓用钢,在技术上是可行的,但是价格仍然较高。研发城轨地铁车辆12.9 级螺栓,提高紧固件用钢的高纯净化、高均匀化以及高精细化的控制,以减少杂质元素,降低延迟断裂的危险性。所以期待着开发出低成本、高可靠性的新型超高强度紧固件用钢。

  作者:张九高,上海申通轨道交通研究咨询有限公司

  金蜘蛛紧固件网编辑整理

  原文刊登于金蜘蛛《紧固件》季刊第48期,转载请注明作者和来源。

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责任编辑:机经网编辑部 feng
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