地鐵高架區(qū)段接觸網(wǎng)地腳螺栓螺母防松問題探討
王勝
（中鐵電氣化勘測設(shè)計研究院）

摘要：本文淺析了可用于接觸網(wǎng)地腳螺栓的幾種防松方式，以備城軌交通中當(dāng)高架橋區(qū)段接觸網(wǎng)預(yù)埋地腳螺栓外露長度出現(xiàn)不滿足安裝對頂螺母防松要求的情況時，施工設(shè)計人員現(xiàn)場靈活處理地腳螺栓螺母防松問題。
關(guān)鍵詞：高架橋、地腳螺栓、防松、比較、介紹

一、 引言
按照強(qiáng)度計算，一個螺母可以滿足支柱在靜工作載荷下的強(qiáng)度要求。但接觸網(wǎng)支柱長期處于振動的工況下，僅靠螺母自身的自鎖性能，防松效果很差，所以必須選擇較好的防松方式。傳統(tǒng)可靠的做法是采用對頂螺母進(jìn)行防松。使用對頂螺母防松時地腳螺栓的外露長度至少滿足下式：
l=h1+2xh2+h3+2p
l—地腳螺栓的外露長度（mm）
h1－支柱底板的厚度（mm）
h2－螺母的厚度，一般規(guī)定螺母的厚度為0.8d（螺栓標(biāo)稱直徑）（mm）
h3－墊圈的厚度（mm）
p－螺距（mm）
在干線鐵路電氣化施工中，專業(yè)的施工隊伍按照設(shè)計要求對接觸網(wǎng)基礎(chǔ)進(jìn)行植筋、混凝土澆注，地腳螺栓外露長度很少出現(xiàn)較大的負(fù)偏差。但是在城交領(lǐng)域，高架區(qū)間的地腳螺栓預(yù)埋是由高架橋施工單位提前實施的，由于施工中的某些原因可能會造成預(yù)埋地腳螺栓的外露長度不夠，無法進(jìn)行對頂螺母防松安裝。如果由土建單位進(jìn)行整改，滿足接觸網(wǎng)設(shè)計的要求，是較好的解決方案。但是在有些情況下，整改方案是無法實施的，那么在劃分責(zé)任界面以后，設(shè)計就要利用既有的螺栓長度選擇合適的防松方案。
二、 接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計防松方案概述
在靜態(tài)載荷下，如果螺紋的升角小于當(dāng)量摩擦角，那么螺紋具有自鎖性能，即螺母擰緊后，螺母承載面上作用有對螺母的彈性力，在靜載荷作用下，彈性力始終不變，當(dāng)有轉(zhuǎn)動趨勢時，該作用力產(chǎn)生一個摩擦力。如果產(chǎn)生的摩擦力大于驅(qū)動轉(zhuǎn)動的力，則螺紋將發(fā)生自鎖，這樣的自鎖是可靠的。但在振動的工況下，由于重復(fù)變載荷或工作溫度較高時，螺母的摩擦面上的正壓力會出現(xiàn)瞬時的消失或減少的現(xiàn)象。多次重復(fù)作用就會使連接松動造成失效。導(dǎo)致螺母松動的主要原因是沿螺栓的徑向振動，而沿螺栓軸向的振動對螺母松脫的影響是很小的。
一般地接觸網(wǎng)地腳螺栓的螺紋采用的是普通三角螺紋。該螺紋摩擦大、強(qiáng)度高，選擇合適的螺距，會產(chǎn)生很好的自鎖性能。但是，接觸網(wǎng)支柱與地腳螺栓的連接單純依賴螺紋本身的自鎖性能防松是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，因為在高架區(qū)段，機(jī)車的運(yùn)行必然導(dǎo)致橋梁的振動，橋梁振動必將使接觸網(wǎng)支柱產(chǎn)生振動荷載。
根據(jù)對地腳螺栓的受力分析，接觸網(wǎng)支柱的地腳螺栓既受到軸向的拉力，也受到徑向的剪力。由于振動載荷的作用，一旦螺母松動，螺母和支柱底板之間產(chǎn)生間隙。該間隙在振動工況下，將使接觸網(wǎng)支柱底板和螺母之間產(chǎn)生撞擊。該撞擊力在軸向上可能導(dǎo)致螺栓被拉長，嚴(yán)重時會導(dǎo)致螺紋破壞。沿徑向的撞擊力將使螺栓受剪切力作用，可能導(dǎo)致螺栓被剪斷，螺栓孔被打成橢圓。
在接觸網(wǎng)支柱與地腳螺栓的對頂聯(lián)接中，我們把位于支柱底板（支撐面）上的螺母稱之為緊固螺母，非支撐面上的螺母稱之為鎖緊螺母。對頂螺母擰緊后，地腳螺栓旋合段受拉而螺母受壓，使螺紋副縱向壓緊，增大了摩擦力，有效阻止了螺紋副相對轉(zhuǎn)動的摩擦力矩，具有很好的防松效果。而且對頂螺母結(jié)構(gòu)簡單，安裝拆卸方便，施工和運(yùn)行維護(hù)工作量小。在地鐵運(yùn)營以后，運(yùn)營防護(hù)人員經(jīng)常加強(qiáng)維護(hù)，螺母松脫的幾率更是大為減少，所以就防松效果而言對頂螺母是比較理想的方案。
根據(jù)對聯(lián)接副的受力分析，由于緊固螺母的螺紋牙只受對頂力和摩擦力，相對鎖緊螺母受力小一些，所以厚度可以適當(dāng)減薄。但是鎖緊螺母必須采用標(biāo)準(zhǔn)螺母厚度。但是在接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計中，為了防止現(xiàn)場裝錯和保證緊固螺母的強(qiáng)度，接觸網(wǎng)支柱與基礎(chǔ)的聯(lián)接采用了兩個等效的螺母。
在預(yù)埋地腳螺栓的外露長度不滿足設(shè)計要求，外界條件又不允許雙螺母防松時，設(shè)計就要綜合考慮施工和運(yùn)行維護(hù)等因素，進(jìn)行防松方案的比選確定。現(xiàn)對經(jīng)常使用的螺母防松方案進(jìn)行簡單介紹，希望能為各位同仁找到切入點(diǎn)，更好的解決現(xiàn)場防松問題。
三、 防松方案比較
防松的根本問題在于防止螺紋副的相對轉(zhuǎn)動。具體的防松裝置或方法很多，但就工作原理來看，可分為摩擦防松、機(jī)械防松、破壞螺紋副關(guān)系三種。
破壞螺紋副關(guān)系的防松是指采用沖點(diǎn)、焊接、粘接等方法使螺紋副失去運(yùn)動副特性而連接成為不可拆連接。這種方式的缺點(diǎn)是螺栓只能使用一次，且安裝拆卸十分困難，必須破壞螺紋副方可拆卸。考慮到地鐵的施工和運(yùn)行維護(hù)，該類型的防松方式應(yīng)慎選。
摩擦防松是應(yīng)用最廣的一種防松方式。這種方式是利用在螺紋副之間產(chǎn)生不隨外力變化的正壓力，以產(chǎn)生可阻止螺紋副相對轉(zhuǎn)動的摩擦力。這種正壓力可通過軸向或同時兩向壓緊螺紋副來實現(xiàn)。經(jīng)常采用的方案包括：
對頂螺母防松
這種方式前面已經(jīng)敘述過，這里就不在細(xì)談了。
扣緊螺母防松
先用螺母緊固接觸網(wǎng)支柱，然后旋上扣緊螺母。
該方案實質(zhì)上也是雙螺母防松，對預(yù)埋地腳螺栓長度也有一定的要求，差別在于扣緊螺母和普通螺母的厚度差，所以解決預(yù)埋螺栓短的問題效用有限。況且扣緊螺母在拆卸的過程中，須再次擰緊緊固螺母，使兩螺母之間產(chǎn)生間隙后，再擰下它，否則會劃傷螺紋，不利于運(yùn)營維護(hù)。
該結(jié)構(gòu)雖然防松性能良好，但不易于頻繁裝卸。國外在電力鐵塔上使用效果十分良好，可保持幾十年不松動。鑒于此，該方式可作為在螺栓外露長度足夠情況下雙螺母防松的替代方案。
全金屬自鎖螺母防松
采用一種全金屬自鎖螺母。該螺母品種繁多，一類為在螺母一端制成非圓形收口或開封后徑向收口，螺母擰緊后，收口漲開，利用收口的回彈力使旋合螺紋間壓緊，產(chǎn)生有效力矩；另一類為嵌入金屬彈性元件，增加摩擦阻力而產(chǎn)生有效力矩。
自鎖螺母為標(biāo)準(zhǔn)件，比普通螺母多一道加工工序，成本比普通螺母高一倍左右。裝配和拆卸與普通螺母完全相同。這種方法結(jié)構(gòu)簡單，可多次裝卸而不降低防松性能。該方式適合于高強(qiáng)度外螺紋的聯(lián)接，在受振動的聯(lián)接，防松效果較好，適用于比較重要的聯(lián)接。
尼龍鎖緊螺母
采用尼龍鎖緊螺母的方式。即在螺母體內(nèi)嵌裝上沒有內(nèi)螺紋的尼龍圈，然后擰入地腳螺栓。
尼龍材料具有良好的彈性，產(chǎn)生鎖緊力，達(dá)到鎖緊。尼龍圈在使用時，要求最高工作溫度為100℃以下，而接觸網(wǎng)支柱的最高環(huán)境溫度不超過50℃，滿足溫度要求。經(jīng)熱老化試驗證明，熱老化以后，尼龍圈彈性鎖緊力倍增，直至擰碎才可松退螺母，所以設(shè)計中可以不考慮老化問題。
尼龍屬惰性物質(zhì)，受無機(jī)、弱酸和強(qiáng)堿的腐蝕，在有污染源或處于重污染地區(qū)，應(yīng)該考慮環(huán)境是否會對尼龍圈產(chǎn)生腐蝕。由于受高架施工現(xiàn)場環(huán)境的影響，接觸網(wǎng)地腳螺栓預(yù)埋好以后，不可避免會在螺紋上附著高強(qiáng)度的混凝土等雜質(zhì)。預(yù)埋螺栓暴露在大氣中產(chǎn)生的銹蝕，在支柱安裝中施工人員清理螺紋表面雜質(zhì)或除銹時，造成的螺紋表面損傷，以及螺紋的毛刺，這些因素都會在螺母擰入中不可避免劃傷尼龍圈，降低防松效果。
理論與實踐表明，該螺母擰緊后，松退400次以上時，其性能基本穩(wěn)定，適用經(jīng)常拆裝的場合，且不易損壞螺紋。
彈簧墊圈
支柱底板和螺母之間加彈簧墊圈防松。在螺母施加預(yù)緊力后，墊圈被壓平而產(chǎn)生彈性反力，使旋合螺紋間壓緊，增大摩擦力防松，同時墊圈斜口的尖端抵住螺母與支柱底板面也有防松作用。這種方法結(jié)構(gòu)簡單，使用方便。但是由于彈力不均，在運(yùn)營過程中，發(fā)生的振動沖擊載荷，使墊圈的防松效果變的很差。一般用于不甚重要的聯(lián)接。
齒形鎖緊墊圈
與彈簧墊圈相似，螺母壓平墊圈翹齒產(chǎn)生彈力增加螺紋副摩擦力矩。彈性均勻，防松效果略好于彈簧墊圈。
機(jī)械防松是用止動件直接限制螺紋副的相對轉(zhuǎn)動。經(jīng)常采用的方案包括：
開口銷與槽形螺母
在地腳螺栓的尾部打孔，螺母擰緊后安裝銷釘。
一般接觸網(wǎng)專業(yè)向土建專業(yè)提供的地腳螺栓預(yù)埋要求是按照雙螺母防松做的，預(yù)埋地腳螺栓尾部沒有銷釘安裝孔。若采用該方案必須在螺栓尾部打孔，但高強(qiáng)度螺栓的硬度很高，打孔無疑增加了施工難度。在打孔過程中，施工人員的誤操作很可能會破壞螺紋，甚至使地腳螺栓產(chǎn)生機(jī)械損傷，嚴(yán)重時導(dǎo)致螺栓無法使用。而且這種方式很難保證銷釘和螺母之間的預(yù)緊力，因而防松效果差，或者說在一定程度上只能防止地腳螺栓上的螺母不脫落。
止動墊圈
螺母擰緊后，將單耳或雙耳止動墊圈分別向螺母和接觸網(wǎng)支柱底板側(cè)面折彎貼緊，即可將螺母鎖住。在接觸網(wǎng)支柱上的加強(qiáng)勁板限制了雙耳止動墊圈的使用，所以接觸網(wǎng)支柱的防松只能采用單耳止動墊圈。
然而，這種方式帶來的問題是止動墊圈能否和螺母面、支柱底板側(cè)面貼緊，即止動墊圈和螺母、支柱底板之間的預(yù)緊力很難保證，從而很難保證支柱和螺母之間的預(yù)緊力精度。如果沒有適當(dāng)?shù)念A(yù)緊力，螺母、支柱底板和墊圈之間存在著間隙，那么地腳螺栓與支柱底板之間的預(yù)緊力會隨著振動緩慢減小，螺母將出現(xiàn)松動，出現(xiàn)撞擊現(xiàn)象。對于要求高穩(wěn)定性的接觸網(wǎng)支柱來說顯然是不允許的。止動墊圈采用低碳鋼制造，對于重載的接觸網(wǎng)支柱，要想保證墊圈強(qiáng)度，應(yīng)該使用較厚的墊圈，在將墊圈折起貼近螺母和支柱底板的過程中，既增加了施工困難，還可能對墊片造成機(jī)械損傷，這種損傷一旦被忽視，在該區(qū)域產(chǎn)生的應(yīng)力集中，在承受沖擊、振動載荷時，墊圈可能發(fā)生斷裂，為以后的運(yùn)營留下了安全隱患。所以采用該方式防松，必須規(guī)定墊圈和貼近面的預(yù)緊力，采用合理的施工方法保護(hù)墊圈。這種方式對以后運(yùn)營維護(hù)人員更換螺母也增加了一定的困難。
串聯(lián)金屬絲
用鋼絲穿入各螺栓頭部的孔內(nèi)，將各螺栓串聯(lián)起來，使其相互制動。但需注意鋼絲的穿入方向。這種方法適用于螺栓組聯(lián)接，拆卸不方便。
經(jīng)過對以上防松方式的分析，防松效果以對頂螺母為最好，其它防松方式的防松效果按由強(qiáng)到弱的順序排列為尼龍嵌套、自鎖螺母、開槽螺母加開口銷、止動墊圈、彈性墊圈。各種防松措施可以一起使用，以增加防松可靠性。
本人傾向為當(dāng)螺栓預(yù)埋長度不夠無法進(jìn)行雙螺栓防松時采用自鎖螺母進(jìn)行防松。該方式在地鐵領(lǐng)域尚未有成熟運(yùn)營經(jīng)驗，但是在飛機(jī)、汽車制造業(yè)的緊固聯(lián)接中取得了很好的防松效果，適合振動工況下重要部件的緊固聯(lián)接。自鎖螺母為標(biāo)準(zhǔn)件，易于市場采購，現(xiàn)場實施不用其它輔助設(shè)施，和普通螺母的安裝方式相同，安裝拆卸方便。制造成本只有普通螺母的一倍。考慮運(yùn)營因素，該工點(diǎn)無需進(jìn)行特別維護(hù)，且更換易于進(jìn)行，減少了運(yùn)營維護(hù)人員的工作量，可以有效的解決預(yù)埋螺栓短的情況。
四、 結(jié)束語
在地鐵領(lǐng)域可能出現(xiàn)預(yù)埋地腳螺栓外露長度不符合雙螺母防松要求的問題，或者其它的連接防松問題。螺紋緊固的防松方法很多，但在現(xiàn)場處理防松問題時，應(yīng)該在滿足安全的前提下，綜合考慮施工現(xiàn)場和以后運(yùn)營的方便，經(jīng)過綜合比選后確定方案。
參考文獻(xiàn)：
1) 《機(jī)械設(shè)計手冊》(第3卷 聯(lián)接和緊固) 機(jī)械工業(yè)出版社
2) 《機(jī)械工程手冊》第二版 (機(jī)械零部件設(shè)計卷 聯(lián)接與緊固) 機(jī)械工業(yè)出版社

作者簡介：
王勝，中鐵電氣化勘測設(shè)計研究院，助理工程師，電話：（022）26023426