动车组高强度螺栓质量分析

动车组高强度螺栓质量分析
摘要：高速动车组牵引、动力系统中的高强度螺栓产品是动车组中经济价值
最高的标准件，对品质和可靠性的要求极高，我国生产还不能完全达到国产化，
如齿轮箱与电机、齿轮箱与齿轮箱连接、轮毂与转向架之间螺栓风险等级最高，
都是关系人民生命、财产安全的重要连接件。

关键词：动车组；高强度螺栓；原材料
随着高速动车组动力的大容量化、大型化和功率转速的不断提高，牵引、传
动的工况条件更加复杂且苛刻，纵观各类行车事故案例，动车组螺栓的断裂失效
是影响高速动车组安全运行的巨大隐患，在螺栓的断裂失效模式中，涵盖了螺栓
的疲劳断裂失效、塑性断裂失效和脆性断裂失效等三大类型。

分析造成螺栓断裂
失效的因素主要有以下几种:①螺栓材质不良，钢材内非金属夹杂物严重，成为
疲劳裂纹源;②螺栓制造工艺欠合理，造成螺栓力学性能不符合标准要求或螺栓
制品具有原始裂纹，使用时扩展断裂;③设计选择的螺栓满足标准要求，但疲劳
强度难以满足实际工况需求;螺栓连接设计不科学，无法达到紧固扭矩。

为此，
对高速动车组高强度螺栓的性能提出了更高的要求。

1螺栓原材料质量
1.1螺栓规格
螺栓制造必须符合IS0898-1：2009《紧固件机械性能螺栓、螺钉和螺柱》标
准规范，紧固件所需材料碳素结构钢、合金结构钢符合DNEN20898-1、
DINEN20898-2及IS0898-1、IS0898-2规定的钢制螺栓及螺母与螺栓连接（件）。

CRH380型动车组部分螺栓规格，见表1。

表1CRH380型动车组部分螺栓规格
序号品种规格等级
/头标
材料表面
处理
1吊杆螺栓（非标）
M16
×140
10.9
/NKM
42Cr
Mo4
达克
罗
2IS04014六角头螺栓
M16
×220
8.8/
Z
36Mn
B4
电镀
黄锌
3IS04014六角头螺栓
M24
×250
8.8/
SBE
33B2电镀
黄锌
4IS04014六角头螺栓
M14
×105
10.9
/SBE
30Mn
B4
达克
罗
5IS04014六角头螺栓
M14
×105
10.9
/FF
38B2达克
罗
6IS04017六角头螺栓
M20
×70
8.8/
FF
32Cr
B4
电镀
黄锌
1.2化学成分对比
采用德国OBLF公司GS1000直读光谱仪，参照标准DINEN20898-1及IS0898-1、规定，对CRH380型动车组部分螺栓用材料进行成分分析，结果见表2。

从其
结果来看，动车组螺栓与国内螺栓用材料有较大的不同，主要采用的标准的不同，欧盟一般采用EN10263-2005《冷镦和冷挤压钢线材、棒材和线材》第4部分的钢种，而国内生产一般用GB/T国标和采用JISG3507,JISG4053或者SAE、ASTM、台
湾中钢标准。

表2CRH380型动车组部分螺栓用材料化学成分(质量分数，%)
规格C S
i
M
n
C
r
M
o
B P s
标准8.8级
0.25~
0.55
----≤0
.003
≤0
.025
≤0
.025
M16×2200.3470
.259
1
.068
.227
.013
0.0
034
0.0
12
0.0
06
M24×2500.3210
.108
.899
.166
.117
0.0
043
0.0
08
0.0
03
M20×700.3330
.083
.675
.659
.009
0.0
031
0.0
11
0.0
09
标准10.9级
0.20~
0.55
----≤0
.003
≤0
.025
≤0
.025
M14×1050.3200
.097
.888
.240
.008
0.0
042
0.0
12
0.0
13
M14×1050.4140
.074
.765
.282
.005
0.0
038
0.0
06
0.0
09
M16×1400.4540
.296
.606
1
.047
.185
-0.0
14
0.0
01
1.3非金属夹杂物
钢中的非金属夹杂物割裂了螺栓材料的连续性，剥落后就成为凹坑或裂纹，
在冷镦成形时极易形成裂缝，热处理时易造成应力集中，产生淬火裂纹。

在静载
荷和动载荷的作用下，往往成为高强度螺栓失效的裂纹源，特别是B类(氧化铝类)和D类(球状氧化物类)是造成冷镦开裂和早期疲劳破坏的主要原因之一，一
般紧固件的强度级别越高，夹杂物的危害性越大;夹杂物尺寸越大、距表面距离
越近，危害性越大。

冷镦钢性能的好坏直接影响到高强度螺栓的性能，影响冷镦
钢质量的因素主要有4个:一是钢中夹杂物含量、形态、分布和大小;二是钢中的
带状组织形态、分布和大小;三是钢中的中心疏松缩孔和中心偏析;四是冷镦钢产
品性能的一致性。

按照GB/T10561-2005《钢材中非金属夹杂物含量的测定标准评
级图显微检验法》，采用A法(最恶劣视场评定)，非金属夹杂物按JK图评定，
对动车组螺栓进行非金属夹杂物进行了评级。

根据夹杂物的形态，标准图谱分为A类（硫化物）、B类（氧化铝）、C类（硅酸盐）、D类（球状氧化物）和DS类（单颗粒球状）五大类。

国内常用的螺
栓钢材标准，如GB/T6478-2015、GB/T3077-2015、GB/T699-2015等将非金属夹
杂物的检验规定为协议项目，具体的合格指标也是由供需双方协商。

介于此，高
速动车组高强度螺栓，推荐合格指标为A类≤1.0级，B、C、D类≤1.5级，Ds
类≤1.0级。

从CRH380型动车组螺栓非金属夹杂物评级结果看，质量明显优于国
内钢材，且按GB/T34474.1-2017《钢中带状组织的评定第1部分：标准评级图法》检测，在带状组织控制方面也占优。

钢中的低倍组织缺陷将导致钢材冷镦温锻时
开裂，一般情况下，缺陷越严重，而热处理时其淬火裂纹的倾向性越大，必须严
格检验。

按照GB/T226-2015《钢的低倍组织及缺陷酸蚀检验法》、GB/T1979-
2001《结构钢低倍组织缺陷评级图》，对CRH380型动车组螺栓钢的中心疏松、
一般疏松、方形偏析评级均≤0.5级，不存在白点、缩孔、气泡、翻皮等缺陷。

2动车组螺栓的研发与展望
动车组牵引、传动部分，几乎不采用其他紧固方法（例如焊接、粘结）代替
螺纹连接。

由于螺纹紧固的可靠性极高，且已经紧固的螺纹也比较容易拆卸，易
于更换和维修。

从疲劳寿命角度来看，高速动车组高强度螺栓属于准高周疲劳6；而对于准
高周疲劳，则主要考虑强度指标，螺栓的屈强比匹配非常重要，应在保持一定强
度基础上，尽量提高材料的塑韧性。

根据EN标准，对动车组高强度螺栓的疲劳
性能提出了具体要求，即在疲劳试验机的加载频率为25Hz/min的循环下不允许
产生断裂或裂纹，8.8级的载荷循环次数为≥2×10°次：10.9级和12.9级的载
荷循环次数为≥4.5×10°次：每批次至少要试验15件，甚至试验多达50件样品。

高强度螺栓疲劳性能检验不是生产的例行检验，而是我们生产商获取生产资
质的证明。

生产资质认可不是针对紧固件设计，而是对紧固件制造商的制造工艺
和质量的认可。

高速动车组采用分散式动力分布，尽管高强度螺栓承载力较低，但由于其运
行速度高，需要长时间准周疲劳服役，对力学性能及综合使用性能要求十分苛刻，不允许存在任何项目超标。

由于高强度螺栓的破坏主要是疲劳破坏，因此，动车
组高强度螺栓的疲劳性能验证非常重要，尤其是针对新产品、新材料的高速动车
组高强度螺栓。

目前国标(GB)、铁标(T)缺乏高速动车组高强度螺栓疲劳性能测
试技术要求及方法，应加快制定相关标准。

当今国内紧固件制造的产品大都没有
达到EN标准中最低标准，且达不到试装车的最低要求。

3结论
高速动车组高强度螺栓是国内的“短板”产品，牵引、传动部分100%需要进口。

从调研情况看，动车组高强度螺栓市场没有壁垒，动车组10多年的发展到
新阶段受到一定条件的限制，采用新材料是必然的，也是迫切的，否则很难满足
使用要求。

通过对动车组高强度螺栓质量分析，以期实施国产化达到或超过进口
水平，完全满足我国高速动车组实际运用要求，实现动车组高强度螺栓的自主制
造和产业化，完成具有我国自主知识产权的高速动车组高强度螺栓技术再创新。

参考文献：
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24届年会暨2016金属制品行业技术信息交流会论文集,2016:86-90,104.
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