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(guó)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的先行產(chǎn)業(yè)，有國(guó)民經(jīng)濟(jì)大動(dòng)脈之稱。鐵路作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要基礎(chǔ)設(shè)施，為經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會(huì)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(shì)，但是仍避免不了會(huì)有事故發(fā)生，諸如：由于螺栓的疲勞斷裂及松動(dòng)而引起事故。

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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(huì)使鐵路運(yùn)輸?shù)目煽啃浴踩韵陆?，將?huì)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(cè)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

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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(duì)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(huì)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(duì)螺栓的疲勞產(chǎn)生重要的影響。

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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(huì)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。

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2、 預(yù)緊扭矩對(duì)螺栓疲勞失效的影響

螺栓在預(yù)緊扭矩不足時(shí)，會(huì)造成軌縫時(shí)大時(shí)小，嚴(yán)重時(shí)形成大軌縫和瞎縫。在冬季，大的縫隙會(huì)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(shí)，螺栓螺紋會(huì)由彈性變形發(fā)展成塑性變形，甚至過大的預(yù)緊扭矩會(huì)使螺栓擰斷，這將對(duì)螺栓的疲勞斷裂產(chǎn)生影響。

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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(gè)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。

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1、楔負(fù)載試驗(yàn)

進(jìn)行楔負(fù)載試驗(yàn)時(shí)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(shí)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(shí)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(zhǎng)度內(nèi)做出的試驗(yàn)才算合格。不過對(duì)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。

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根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3632-2008 中的規(guī)定，在被測(cè)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。

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楔負(fù)載試驗(yàn)可以同時(shí)測(cè)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。

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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(gè)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。

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將螺母擰入螺紋芯棒，試驗(yàn)時(shí)夾頭的移動(dòng)速度不應(yīng)超過3mm/min，對(duì)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。

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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)。

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結(jié)語

鐵路建設(shè)促進(jìn)了我國(guó)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(cè)和養(yǎng)護(hù)工作，加強(qiáng)鐵路鋼軌接頭螺栓的質(zhì)量檢測(cè)，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。