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
按照強度計算，一個螺母可以滿足支柱在靜工作載荷下的強度要求。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，無法進行對頂螺母防松安裝。如果由土建單位進行整改，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遠不夠的，因為在高架區(qū)段，機車的運行必然導(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，施工和運行維護工作量小。在地鐵運營以后，運營防護人員經(jīng)常加強維護，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，所以厚度可以適當減薄。但是鎖緊螺母必須采用標準螺母厚度。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行維護等因素，進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行簡單介紹，希望能為各位同仁找到切入點，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、焊接、粘接等方法使螺紋副失去運動副特性而連接成為不可拆連接。這種方式的缺點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行維護，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，不利于運營維護。
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。
自鎖螺母為標準件，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、弱酸和強堿的腐蝕，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)生機械損傷，嚴重時導(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?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墊圈。這種方式對以后運營維護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。
本人傾向為當螺栓預(yù)埋長度不夠無法進行雙螺栓防松時采用自鎖螺母進行防松。該方式在地鐵領(lǐng)域尚未有成熟運營經(jīng)驗，但是在飛機、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。自鎖螺母為標準件，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。考慮運營因素，該工點無需進行特別維護，且更換易于進行，減少了運營維護人員的工作量，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)場和以后運營的方便，經(jīng)過綜合比選后確定方案。
參考文獻：
1) 《機械設(shè)計手冊》(第3卷 聯(lián)接和緊固) 機械工業(yè)出版社
2) 《機械工程手冊》第二版 (機械零部件設(shè)計卷 聯(lián)接與緊固) 機械工業(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
