扭矩转角法在电气化铁路接触网零部件装配中的应用与探讨

扭矩转角法在电气化铁路接触网零部件装配中的应用与探讨

杨晨光,戚欣,崔莹

中铁宝鸡轨道电气设备检测有限公司    陕西宝鸡   721000

摘要：电气化铁路接触网零部件紧固方式多采用扭矩法，扭矩控制法受到摩擦、几何参数等多种因素影响，轴向夹紧力控制精度低。本文基于扭矩转角控制法原理对接触网零部件的装配工艺进行了试验研究，确定了定位线夹等零部件在使用扭矩转角控制法下的装配应用。

关键词：紧固件；扭矩转角法；接触网零部件；轴向夹紧力。

0 引言

我国电气化铁路螺栓连接接触网零部件装配通常使用专用工具对连接螺栓副施加规定紧固力矩使之产生预期轴向夹紧力，这种方法受螺栓摩擦、几何参数等的影响，得到的轴向夹紧力离散性较大。

扭矩转角法具有受摩擦系数影响小，控制精度较高的优势，在航空航天、汽车制造等领域得到广泛应用，取得了较好的紧固件防松效果。本文将探讨扭矩转角法在电气化铁路螺栓连接接触网零部件装配中的应用。

1 原理浅析

扭矩转角法是对螺栓施加初始紧固力矩（贴合扭矩）后，控制螺母与螺栓旋转一定角度，控制螺栓夹持部分伸长量，从而得到预期轴向夹紧力。该方法的关键在于保证转角与螺栓夹持部分伸长量间的关系，与连接螺栓强度相关，受摩擦影响较小。转角与轴向夹紧力间有如下关系式：

式中：表示旋转角度；表示螺栓的刚度；表示被连接件刚度。

2 实验过程

2.1实验样品选取

试验首先选用多种典型零件进行测试，当对测试零件按实际工况安装并施加规定紧固力矩时，部分零件本体或安装基体发生明显变形。为排除变形影响，本文将选用定位线夹（图1）作为初步研究对象，该零件安装过程相对稳定，零件无明显变形。

图1：定位线夹

2.2 实验设备介绍

实验项目采用超声波测量仪，它通过测量超声纵波在紧固件中自由状态的紧固状态下的飞行声时差计算伸长量，从而得出紧固件预紧力。

2.3 初始扭矩参数的确定

初始扭矩值以螺栓螺母与被联接件贴合为准，通过在螺纹紧固分析系统上对采集的夹紧力-角度-扭矩曲线进行分析，设定初始扭矩为最大扭矩值32N·m的20%～30%，按10N·m计算。

2.4 角度参数的确定

TB/T2073-2020 《电气化铁路接触网零部件技术条件》表3规定，A2-70级M10不锈钢螺栓紧固力矩为25N·m～32N·m。通过超声波测量仪测得，实际工况安装情况下，定位线夹安装螺栓的轴向夹紧力范围为6.9kN～9.7kN，轴向夹紧力分布如图2。考虑到实际装配完成后螺栓轴向夹紧力会发生一定程度衰减（定位线夹安装螺栓轴向夹紧力静置衰减试验，如图3），得到实验批次定位线夹的夹紧力静置衰减残余约在70～80%。最终，确定定位线夹安装螺栓轴向夹紧力区间变化范围为10.5kN～13.3kN。

图 2预紧力分布图

图 3定位线夹轴向夹紧力静置衰减试验

接下来，对零件施加规定初始紧固力矩后，采用带角度扭矩扳手从初始扭矩算起以5°为间隔采集对应螺栓轴向夹紧力。经过实验，最终确定当旋转角度约为45°时，螺栓轴向夹紧力在确定的变化范围10.5kN～13.3kN内。

经测试该实验批定位线夹的扭矩转角法参数定为10N·m+45°旋转角度。对该批次样品按确定的扭矩转角方法进行验证，其控制下夹紧力结果如图4，可以看出10组数据中有9组满足目标夹紧力范围，基本符合要求。

图 4定位线夹扭矩转角法夹紧力分布

2.5实验结果及分析

通过以上实验，可以得到以下结论：

①转角前与转角后的夹紧力趋势线同步，即初始扭矩下夹紧力的离散程度一定程度上影响了最终夹紧力的离散程度。

②就夹紧力离散程度而言，扭矩转角法初始扭矩10N·m下的要明显小于扭矩法25N·m下的；转角后的也小于25N·m的。工艺替换后，控制精度得到提高。

③扭矩转角法在接触网零部件定位线夹的装配中得到了应用，达到了目的。

④要进一步优化夹紧力离散程度，可以通过控制表面粗糙度，拧紧速度、润滑条件降低初始夹紧力的离散程度来进行。

2.6 试验方法验证

选取另外两个批次定位线夹各10套，按上述实验步骤进行验证，确定扭矩转角参数分别为10N·m+60°/12N·m+45°，得到螺栓轴向夹紧力见表1，实验结果均符合要求。

表 1

3 结语

本文针对扭矩转角法在电气化铁路接触网零部件件定位线夹的装配应用进行了实验研究，取得的实验方案在定位线夹等本体以及安装基体刚性较好的零部件上取得了很好的效果，具有推广价值。后续我们将着重研究安装过程中零部件或安装基体产生的变形量对扭矩转角法的影响。

参考文献：

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[2]TB/T 2073-2020, 电气化铁路接触网零部件技术条件[S].

[3]李小强,孟庆阔,杜一凡,陈飞宇,王辉,赵兵.拧紧策略对航空发动机单螺栓连接预紧力的影响[J].机械工程学报,2020,56(13):231-241.