地铁高架区段接触网地脚螺栓螺母防松问题探讨
王胜
（中铁电气化勘测设计研究院）
摘要：本文浅析了可用于接触网地脚螺栓的几种防松方式，以备城轨交通中当高架桥区段接触网预埋地脚螺栓外露长度出现不满足安装对顶螺母防松要求的情况时，施工设计人员现场灵活处理地脚螺栓螺母防松问题。
关键词：高架桥、地脚螺栓、防松、比较、介绍
一、 引言
按照强度计算，一个螺母可以满足支柱在静工作载荷下的强度要求。但接触网支柱长期处于振动的工况下，仅靠螺母自身的自锁性能，防松效果很差，所以必须选择较好的防松方式。传统可靠的做法是采用对顶螺母进行防松。使用对顶螺母防松时地脚螺栓的外露长度至少满足下式：
l=h1+2xh2+h3+2p
l—地脚螺栓的外露长度（mm）
h1－支柱底板的厚度（mm）
h2－螺母的厚度，一般规定螺母的厚度为0.8d（螺栓标称直径）（mm）
h3－垫圈的厚度（mm）
p－螺距（mm）
在干线铁路电气化施工中，专业的施工队伍按照设计要求对接触网基础进行植筋、混凝土浇注，地脚螺栓外露长度很少出现较大的负偏差。但是在城交领域，高架区间的地脚螺栓预埋是由高架桥施工单位提前实施的，由于施工中的某些原因可能会造成预埋地脚螺栓的外露长度不够，无法进行对顶螺母防松安装。如果由土建单位进行整改，满足接触网设计的要求，是较好的解决方案。但是在有些情况下，整改方案是无法实施的，那么在划分责任界面以后，设计就要利用既有的螺栓长度选择合适的防松方案。
二、 接触网结构设计防松方案概述
在静态载荷下，如果螺纹的升角小于当量摩擦角，那么螺纹具有自锁性能，即螺母拧紧后，螺母承载面上作用有对螺母的弹性力，在静载荷作用下，弹性力始终不变，当有转动趋势时，该作用力产生一个摩擦力。如果产生的摩擦力大于驱动转动的力，则螺纹将发生自锁，这样的自锁是可靠的。但在振动的工况下，由于重复变载荷或工作温度较高时，螺母的摩擦面上的正压力会出现瞬时的消失或减少的现象。多次重复作用就会使连接松动造成失效。导致螺母松动的主要原因是沿螺栓的径向振动，而沿螺栓轴向的振动对螺母松脱的影响是很小的。
一般地接触网地脚螺栓的螺纹采用的是普通三角螺纹。该螺纹摩擦大、强度高，选择合适的螺距，会产生很好的自锁性能。但是，接触网支柱与地脚螺栓的连接单纯依赖螺纹本身的自锁性能防松是远远不够的，因为在高架区段，机车的运行必然导致桥梁的振动，桥梁振动必将使接触网支柱产生振动荷载。
根据对地脚螺栓的受力分析，接触网支柱的地脚螺栓既受到轴向的拉力，也受到径向的剪力。由于振动载荷的作用，一旦螺母松动，螺母和支柱底板之间产生间隙。该间隙在振动工况下，将使接触网支柱底板和螺母之间产生撞击。该撞击力在轴向上可能导致螺栓被拉长，严重时会导致螺纹破坏。沿径向的撞击力将使螺栓受剪切力作用，可能导致螺栓被剪断，螺栓孔被打成椭圆。
在接触网支柱与地脚螺栓的对顶联接中，我们把位于支柱底板（支撑面）上的螺母称之为紧固螺母，非支撑面上的螺母称之为锁紧螺母。对顶螺母拧紧后，地脚螺栓旋合段受拉而螺母受压，使螺纹副纵向压紧，增大了摩擦力，有效阻止了螺纹副相对转动的摩擦力矩，具有很好的防松效果。而且对顶螺母结构简单，安装拆卸方便，施工和运行维护工作量小。在地铁运营以后，运营防护人员经常加强维护，螺母松脱的几率更是大为减少，所以就防松效果而言对顶螺母是比较理想的方案。
根据对联接副的受力分析，由于紧固螺母的螺纹牙只受对顶力和摩擦力，相对锁紧螺母受力小一些，所以厚度可以适当减薄。但是锁紧螺母必须采用标准螺母厚度。但是在接触网结构设计中，为了防止现场装错和保证紧固螺母的强度，接触网支柱与基础的联接采用了两个等效的螺母。
在预埋地脚螺栓的外露长度不满足设计要求，外界条件又不允许双螺母防松时，设计就要综合考虑施工和运行维护等因素，进行防松方案的比选确定。现对经常使用的螺母防松方案进行简单介绍，希望能为各位同仁找到切入点，更好的解决现场防松问题。
三、 防松方案比较
防松的根本问题在于防止螺纹副的相对转动。具体的防松装置或方法很多，但就工作原理来看，可分为摩擦防松、机械防松、破坏螺纹副关系三种。
破坏螺纹副关系的防松是指采用冲点、焊接、粘接等方法使螺纹副失去运动副特性而连接成为不可拆连接。这种方式的缺点是螺栓只能使用一次，且安装拆卸十分困难，必须破坏螺纹副方可拆卸。考虑到地铁的施工和运行维护，该类型的防松方式应慎选。
摩擦防松是应用最广的一种防松方式。这种方式是利用在螺纹副之间产生不随外力变化的正压力，以产生可阻止螺纹副相对转动的摩擦力。这种正压力可通过轴向或同时两向压紧螺纹副来实现。经常采用的方案包括：
对顶螺母防松
这种方式前面已经叙述过，这里就不在细谈了。
扣紧螺母防松
先用螺母紧固接触网支柱，然后旋上扣紧螺母。
该方案实质上也是双螺母防松，对预埋地脚螺栓长度也有一定的要求，差别在于扣紧螺母和普通螺母的厚度差，所以解决预埋螺栓短的问题效用有限。况且扣紧螺母在拆卸的过程中，须再次拧紧紧固螺母，使两螺母之间产生间隙后，再拧下它，否则会划伤螺纹，不利于运营维护。
该结构虽然防松性能良好，但不易于频繁装卸。国外在电力铁塔上使用效果十分良好，可保持几十年不松动。鉴于此，该方式可作为在螺栓外露长度足够情况下双螺母防松的替代方案。
全金属自锁螺母防松
采用一种全金属自锁螺母。该螺母品种繁多，一类为在螺母一端制成非圆形收口或开封后径向收口，螺母拧紧后，收口涨开，利用收口的回弹力使旋合螺纹间压紧，产生有效力矩；另一类为嵌入金属弹性元件，增加摩擦阻力而产生有效力矩。
自锁螺母为标准件，比普通螺母多一道加工工序，成本比普通螺母高一倍左右。装配和拆卸与普通螺母完全相同。这种方法结构简单，可多次装卸而不降低防松性能。该方式适合于高强度外螺纹的联接，在受振动的联接，防松效果较好，适用于比较重要的联接。
尼龙锁紧螺母
采用尼龙锁紧螺母的方式。即在螺母体内嵌装上没有内螺纹的尼龙圈，然后拧入地脚螺栓。
尼龙材料具有良好的弹性，产生锁紧力，达到锁紧。尼龙圈在使用时，要求最高工作温度为100℃以下，而接触网支柱的最高环境温度不超过50℃，满足温度要求。经热老化试验证明，热老化以后，尼龙圈弹性锁紧力倍增，直至拧碎才可松退螺母，所以设计中可以不考虑老化问题。
尼龙属惰性物质，受无机、弱酸和强碱的腐蚀，在有污染源或处于重污染地区，应该考虑环境是否会对尼龙圈产生腐蚀。由于受高架施工现场环境的影响，接触网地脚螺栓预埋好以后，不可避免会在螺纹上附着高强度的混凝土等杂质。预埋螺栓暴露在大气中产生的锈蚀，在支柱安装中施工人员清理螺纹表面杂质或除锈时，造成的螺纹表面损伤，以及螺纹的毛刺，这些因素都会在螺母拧入中不可避免划伤尼龙圈，降低防松效果。
理论与实践表明，该螺母拧紧后，松退400次以上时，其性能基本稳定，适用经常拆装的场合，且不易损坏螺纹。
弹簧垫圈
支柱底板和螺母之间加弹簧垫圈防松。在螺母施加预紧力后，垫圈被压平而产生弹性反力，使旋合螺纹间压紧，增大摩擦力防松，同时垫圈斜口的尖端抵住螺母与支柱底板面也有防松作用。这种方法结构简单，使用方便。但是由于弹力不均，在运营过程中，发生的振动冲击载荷，使垫圈的防松效果变的很差。一般用于不甚重要的联接。
齿形锁紧垫圈
与弹簧垫圈相似，螺母压平垫圈翘齿产生弹力增加螺纹副摩擦力矩。弹性均匀，防松效果略好于弹簧垫圈。
机械防松是用止动件直接限制螺纹副的相对转动。经常采用的方案包括：
开口销与槽形螺母
在地脚螺栓的尾部打孔，螺母拧紧后安装销钉。
一般接触网专业向土建专业提供的地脚螺栓预埋要求是按照双螺母防松做的，预埋地脚螺栓尾部没有销钉安装孔。若采用该方案必须在螺栓尾部打孔，但高强度螺栓的硬度很高，打孔无疑增加了施工难度。在打孔过程中，施工人员的误操作很可能会破坏螺纹，甚至使地脚螺栓产生机械损伤，严重时导致螺栓无法使用。而且这种方式很难保证销钉和螺母之间的预紧力，因而防松效果差，或者说在一定程度上只能防止地脚螺栓上的螺母不脱落。
止动垫圈
螺母拧紧后，将单耳或双耳止动垫圈分别向螺母和接触网支柱底板侧面折弯贴紧，即可将螺母锁住。在接触网支柱上的加强劲板限制了双耳止动垫圈的使用，所以接触网支柱的防松只能采用单耳止动垫圈。
然而，这种方式带来的问题是止动垫圈能否和螺母面、支柱底板侧面贴紧，即止动垫圈和螺母、支柱底板之间的预紧力很难保证，从而很难保证支柱和螺母之间的预紧力精度。如果没有适当的预紧力，螺母、支柱底板和垫圈之间存在着间隙，那么地脚螺栓与支柱底板之间的预紧力会随着振动缓慢减小，螺母将出现松动，出现撞击现象。对于要求高稳定性的接触网支柱来说显然是不允许的。止动垫圈采用低碳钢制造，对于重载的接触网支柱，要想保证垫圈强度，应该使用较厚的垫圈，在将垫圈折起贴近螺母和支柱底板的过程中，既增加了施工困难，还可能对垫片造成机械损伤，这种损伤一旦被忽视，在该区域产生的应力集中，在承受冲击、振动载荷时，垫圈可能发生断裂，为以后的运营留下了安全隐患。所以采用该方式防松，必须规定垫圈和贴近面的预紧力，采用合理的施工方法保护垫圈。这种方式对以后运营维护人员更换螺母也增加了一定的困难。
串联金属丝
用钢丝穿入各螺栓头部的孔内，将各螺栓串联起来，使其相互制动。但需注意钢丝的穿入方向。这种方法适用于螺栓组联接，拆卸不方便。
经过对以上防松方式的分析，防松效果以对顶螺母为最好，其它防松方式的防松效果按由强到弱的顺序排列为尼龙嵌套、自锁螺母、开槽螺母加开口销、止动垫圈、弹性垫圈。各种防松措施可以一起使用，以增加防松可靠性。
本人倾向为当螺栓预埋长度不够无法进行双螺栓防松时采用自锁螺母进行防松。该方式在地铁领域尚未有成熟运营经验，但是在飞机、汽车制造业的紧固联接中取得了很好的防松效果，适合振动工况下重要部件的紧固联接。自锁螺母为标准件，易于市场采购，现场实施不用其它辅助设施，和普通螺母的安装方式相同，安装拆卸方便。制造成本只有普通螺母的一倍。考虑运营因素，该工点无需进行特别维护，且更换易于进行，减少了运营维护人员的工作量，可以有效的解决预埋螺栓短的情况。
四、 结束语
在地铁领域可能出现预埋地脚螺栓外露长度不符合双螺母防松要求的问题，或者其它的连接防松问题。螺纹紧固的防松方法很多，但在现场处理防松问题时，应该在满足安全的前提下，综合考虑施工现场和以后运营的方便，经过综合比选后确定方案。
参考文献：
1) 《机械设计手册》(第3卷 联接和紧固) 机械工业出版社
2) 《机械工程手册》第二版 (机械零部件设计卷 联接与紧固) 机械工业出版社
作者简介：
王胜，中铁电气化勘测设计研究院，助理工程师，电话：（022）26023426
