鋼軌接頭螺栓疲勞失效影響因素及其栓疲勞失效分析

鐵路作為我國社會和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的先行產(chǎn)業(yè)，有國民經(jīng)濟(jì)大動脈之稱。鐵路作為國民經(jīng)濟(jì)的重要基礎(chǔ)設(shè)施，為經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會進(jìn)步、人們生活質(zhì)量提高作出了重大貢獻(xiàn)。鐵路雖然具有大運(yùn)力、低成本、低能耗、低污染的優(yōu)勢，但是仍避免不了會有事故發(fā)生，諸如：由于螺栓的疲勞斷裂及松動而引起事故。

 

鋼軌與鋼軌之間的聯(lián)結(jié)主要有鋼軌夾板、接頭螺栓、螺母等組成，其中鋼軌接頭螺栓是鋼軌連接的關(guān)鍵零件，螺栓的疲勞失效直接影響到火車運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性，若接頭螺栓發(fā)生疲勞失效或斷裂，將會使鐵路運(yùn)輸?shù)目煽啃浴踩韵陆?，將會阻礙高速鐵路的發(fā)展。因此，深入分析鋼軌接頭螺栓發(fā)生疲勞失效的影響因素及鋼軌接頭螺栓的檢測具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

 

影響鋼軌接頭螺栓疲勞失效的因素有哪些？

1、 根部應(yīng)力集中對螺栓疲勞失效的影響

在螺栓的連接中，螺栓發(fā)生疲勞斷裂的主要原因是螺紋根部產(chǎn)生應(yīng)力集中，由于螺紋的存在，在螺紋根部形成缺口效應(yīng)，會在螺紋牙與牙根部發(fā)生截面突變，形成應(yīng)力階差，在螺紋根部造成應(yīng)力集中現(xiàn)象，對螺栓的疲勞產(chǎn)生重要的影響。

 

螺栓螺紋根部應(yīng)力集中比較嚴(yán)重是螺栓發(fā)生疲勞斷裂的主要因素。螺栓各承載段螺紋牙受力不均勻，最大應(yīng)力主要集中在螺母與支撐面第一圈螺紋根部，且離加載面越遠(yuǎn)應(yīng)力值就會越小。隨著螺紋根部半徑的增加，就可以明顯降低螺紋根部的應(yīng)力，提高螺栓的疲勞強(qiáng)度。

 

 

2、 預(yù)緊扭矩對螺栓疲勞失效的影響

螺栓在預(yù)緊扭矩不足時，會造成軌縫時大時小，嚴(yán)重時形成大軌縫和瞎縫。在冬季，大的縫隙會造成鋼軌跑到或鋼軌斷面掉塊，不能使鋼軌接頭有良好的連續(xù)性，從而導(dǎo)致螺栓拉斷。當(dāng)預(yù)緊扭矩過大時，螺栓螺紋會由彈性變形發(fā)展成塑性變形，甚至過大的預(yù)緊扭矩會使螺栓擰斷，這將對螺栓的疲勞斷裂產(chǎn)生影響。

 

如何防止鋼軌接頭螺栓疲勞失效？

為了防止螺栓失效和非預(yù)期失效，高強(qiáng)螺栓需要進(jìn)行楔負(fù)載試驗(yàn)和螺母保證載荷試驗(yàn) ，在GB/T 1231-2006、GB/T 3632-2008 標(biāo)準(zhǔn)中，螺栓楔負(fù)載試驗(yàn)和螺母保證荷載試驗(yàn)是兩個相互獨(dú)立的試驗(yàn)，需要兩套不同的工裝進(jìn)行兩次試驗(yàn)，分別檢驗(yàn)螺栓和螺母的強(qiáng)度，如果能夠進(jìn)行螺栓楔負(fù)載試驗(yàn)和螺母保證載荷試驗(yàn)，則能很大程度上避免鋼軌接頭螺栓疲勞失效。

 

1、楔負(fù)載試驗(yàn)

進(jìn)行楔負(fù)載試驗(yàn)時通常要在螺栓頭部(夾具體)下面放置不同角度的楔塊，試驗(yàn)時將夾具體的拉桿夾入試驗(yàn)機(jī)圓鉗口內(nèi)固定好，然后進(jìn)行拉伸試驗(yàn)知道試樣斷裂，并記錄試驗(yàn)載荷。這里要特別注意在螺栓出現(xiàn)斷裂的時候要去觀察斷裂的具體位置，試樣斷裂在桿部或未旋合的螺紋長度內(nèi)做出的試驗(yàn)才算合格。不過對于全螺紋的螺栓或者螺釘，如斷裂自未旋合的螺紋部分起始，即使在拉斷前已延伸或擴(kuò)展到頭下圓角或頭部，該試樣也同樣合格。

 

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3632-2008 中的規(guī)定，在被測螺栓頭下放置一10°楔墊，在拉力試驗(yàn)機(jī)上將螺栓寧在帶有內(nèi)螺紋的專用夾具上（≤1d），然后進(jìn)行拉力試驗(yàn)，其中10°楔墊尺及硬度應(yīng)符合GB/T 3098.1的規(guī)定。

 

楔負(fù)載試驗(yàn)可以同時測定螺栓成品的最大拉力載荷和螺栓頭與桿部交接處的牢固性，預(yù)防發(fā)生螺栓斷頭現(xiàn)象。

 

 

2、 螺母保證載荷試驗(yàn)

螺母保證載荷試驗(yàn)考察的是螺母螺紋部分承受載荷的能力。保證載荷試驗(yàn)包括兩個主要程序：（1）借助試驗(yàn)芯棒實(shí)現(xiàn)規(guī)定的保證載荷；（2）檢查有無因保證載荷造成的螺母螺紋損傷。

 

將螺母擰入螺紋芯棒，試驗(yàn)時夾頭的移動速度不應(yīng)超過3mm/min，對螺母施加標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的保證載荷，持續(xù)15s，螺母不應(yīng)脫扣或斷裂。當(dāng)去除載荷后，應(yīng)可用手將螺母旋出，或者借助扳手松開螺母（但不應(yīng)超過半扣）后用手旋出。在試驗(yàn)中，如果螺紋芯棒損壞，則試驗(yàn)作廢。

 

需要注意的是：試驗(yàn)中所用的螺紋芯棒硬度應(yīng)≥45HRC，其螺紋公差帶為5h6g,但大徑應(yīng)控制在6g公差帶靠近下限的四分之一的范圍內(nèi)。

 

結(jié)語

鐵路建設(shè)促進(jìn)了我國交通事業(yè)的發(fā)展，優(yōu)化鐵路交通可增強(qiáng)運(yùn)輸?shù)谋憬菪裕踩?。因此，?yīng)做好鐵路鋼軌的檢測和養(yǎng)護(hù)工作，加強(qiáng)鐵路鋼軌接頭螺栓的質(zhì)量檢測，規(guī)避運(yùn)輸中的行車安全隱患，保障鐵路線路的運(yùn)行質(zhì)量。