根据国务院在2月印发的《“十三五”现代综合交通运输体系发展规划》，2011年至2020年，我国城市轨道交通新增营业里程将达到6560公里，预计到2020年，我国城市轨道交通累计营业里程将达到7395公里。

可见，未来城规地铁车辆紧固件的需求将是十分巨大的！

螺纹连接在城轨地铁车辆中应用十分广泛，是机械传动中必不可少的组成部分。螺纹紧固件起到连接、定位以及密封等作用，是最常用的可拆卸连接，其中螺栓的用量最大。

随着各类城轨地铁车辆的大容量、大型化，以及功率转速的不断提高，车辆紧固件的工况条件更加苛刻，纵观各类行车失效案列，紧固件的断裂失效是影响城轨地铁车辆安全运行的巨大隐患。因此，紧固件的性能提出了更高的要求。


       国内紧固件的使用现状

   目前，城轨地铁车辆用紧固件（螺栓、螺钉和螺柱）普遍为8.8级及以上高强度紧固件。据统计，行车、转向系统以碳素结构钢、合金结构钢连接螺栓为例，8.8级及以上的螺栓用量约为25%，其中10.9级及以上约为7%，极少量为12.9级螺栓连接。底盘车厢上部采用的基本是奥氏体不锈钢六角头螺栓、自攻螺钉、沉头螺钉占70%~80%。　　

   近年来，对影响城轨地铁车辆安全运营的紧固件断裂失效案例分析，涵盖了高强度螺栓的疲劳断裂、塑性断裂、脆性断裂三大类型。从人、机、料、法和环五大因素分析，造成螺栓断裂失效的因素主要有以下几种原因。

1、栓材质不良，钢材非金属夹杂物严重，成为疲劳裂纹源；

2、螺栓制造工艺不合理，造成螺栓几下性能不符合标准要求或螺栓制品具有原始裂纹，使用时扩散断裂；

3、设计选择的螺栓满足国标要求，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。

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国内紧固件的技术研发

 轨道交通地铁车辆每列车厢使用大量的紧固件，数量至少有15000多个。当今技术研发的重点是高强度化和提高品质；紧固件的高强度可减轻紧固件重量和相应部件的重量，这将是今后紧固件长期的研发课题，在提高品质方面最需要解决的问题是防止廉价高强度钢材紧固件的延迟断裂。

技术研发方向主要有以下几种：

1、紧固件高强度化

2、紧固件的小型轻量化

3、紧固件防松弛技术

4、新材料利用

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车辆紧固件加工难点

 在车辆紧固件标准方面，有关铁道工务用紧固连接的标准约有30 余项，而有关城轨地铁车辆用紧固连接的标准则相对较少。TB/ T3246—2010《机车车辆及其零部件设计准则螺栓连接》标准，从设 计、安装、连接等系统的角度对螺栓连接做了规定。但是，针对城轨地铁车辆用紧固件的产品标准还很缺乏，目前主要只有6 项。

　　城轨地铁车辆紧固件材料基础技术研究十分薄弱，非标准紧固件无专用钢材牌号，小批量产量难以达到经济规模，且材料技术标准混乱，基础技术数据与行业统计数据贫乏。只有随之不断积累着技术和经验，期待城轨地铁车辆的未来发展。

　　如果是车辆行走、传动高性能级紧固件，品质的可靠性参差不齐， 对以自动化装配为主的车辆却是重大缺失。车辆紧固件必须具备“零缺陷”的要求，不良品率控制在60PPm 以下，这个指标非常高，按照目前生产工艺，全过程全自动涡流检测筛选机或各类传感器的研发，对缺陷和裂纹增加探伤功能自动甄别，达到“零缺陷”的终及目标管理，可能在今后2~3 年内会得到实现。但投入代价较高，普及化尚需时日。

　　现在世界上一些著名的大型紧固件生产企业，都有自己的专用材料、专用技术。专用材料是根据产品所需的成分和要求，与钢厂联合共同开发研制，如日本神户钢厂就有针对连杆螺栓的专门冶炼SCM435 钢。但是针对城轨地铁车辆紧固件，尤其是车辆行走、传动高性能级紧固件材料至今仍然是空白。

　　目前车辆用高性能级紧固件最高强度为12.9 级，依据国外钢材标准，借鉴欧盟DINEN10253-4：2005《冷镦和冷挤压钢线材、棒材和线材》，可以采用34CrMo4、42CrMo4、34CrNiMo6 等牌号。目前1300 MPa、1400 MPa 级螺栓短期内很难在车辆中应用，但材料设计思路在提高现有高性能级紧固件抗疲劳性能或抗延迟断裂性能方面可以提供借鉴。

　　车辆行走、传动高性能级紧固件，使用的螺纹连接结构设计上应能保证维持所施加的预紧力。轴向预紧力过大或过小都会对螺纹连接产生不利影响。轴向预紧力过小，螺纹连接承载能力、防松性能均达不到设计要求；轴向预紧力过大，螺纹接触面应力值较大，容易引起螺纹变形、滑扣等机械损伤，降低螺纹连接可靠性。因此，为保证螺纹连接满足连接实际工作需要，必须确定合理的轴向预紧力范围。

　　车辆用高性能级紧固件的摩擦系数，主要取决于螺栓制造工艺和实际应用时装配工艺。我们在经过长期工作实践，10000 次台架试验验证，确认摩擦系数与下列因素密切相关。

　　①、螺纹精度。由螺纹公差带和旋合长度组成，螺纹精度是螺纹加工质量的综合体现，同等条件下螺纹精度越高，摩擦系数越小。

　　②、紧固件表面粗糙度。包括螺纹表面粗糙度和支承面表面粗糙度，与紧固件生产中的冷镦作业工艺参数、螺纹制造工艺有直接关系。

　　③、紧固件表面处理工艺。包括磷化、电镀和锌铝涂层。受表面处理层材料类型、局部厚度、转化工艺等因素影响，不同表面处理工艺得到的紧固件摩擦系数相差较大。

　　目前我国还无城轨地铁车辆螺纹紧固件紧固扭拒的国家标准，只有汽车行业标准和欧盟标准，缺乏自主知识产权和基础理论层面的技术支撑。

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紧固件发展与用钢展望

 城轨地铁车辆几乎不采用其他紧固方法( 例如焊接、粘结) 代替螺纹连接。原因是螺纹紧固的可靠性很高，并且已经紧固的螺纹也比较容易拆卸，即便于更换和维修。因此，提高紧固件的性能和性价比，比试图减少或取代紧固件的探索更有意义。

　　螺栓紧固后不松弛和容易拆卸是两个相反的特性。为了提高这两个特性，应不使螺栓锈蚀和黏结，为此多年来在提高螺纹精度、采用涂装和表面处理技术以及改进紧固方法等方面开展了大量的工作。

　　为了提高紧固件的疲劳性能主要进行结构优化，如在车辆的走行部位及动力总成部位的连接螺栓，由于螺栓承受振动冲击载荷，不仅要具有高的强度，且要具有良好的疲劳性能。在结构上需最大限度地改善螺栓连接结构中螺纹牙角的载荷分布和应力状态，主要从以下三方面入手：降低螺栓所承受的应力幅；减小螺纹牙底的应力集中水平；改善螺纹牙角上的载荷分布。

　　在紧固件成本方面，材料费占的比例最大，其次是加工费和热处理费。因此，为实现更高的性价比，需提高紧固件用料的成材率。为此，在小规格螺栓制造中实现了螺栓头部的无飞边模锻成型和螺纹的滚轧成型，期待将这些技术扩大应用到大规格螺栓的制造上。

 在紧固件用钢方面，城轨地铁车辆高强度螺栓，因一直存在的延迟断裂和淬透性问题，成为影响使用的瓶颈。目前，应改变部分关键紧固件依赖进口，受制于人的被动局面，随着城轨地铁车辆的快速发展，开发高精度、高强度、高可靠性的紧固件是现阶段的工作任务。从钢的淬透性方面入手，开发新型钢种或进行成分设计，用价格低廉B、Ti 替代高价合金元素，加热后也可以进行充分冷却的热处理技术和非调质钢高强度螺栓。

 在抗延迟断裂性方面开发出的超高强度螺栓用钢，在技术上是可行的，但是价格仍然较高。研发城轨地铁车辆12.9 级螺栓，提高紧固件用钢的高纯净化、高均匀化以及高精细化的控制，以减少杂质元素，降低延迟断裂的危险性。所以期待着开发出低成本、高可靠性的新型超高强度紧固件用钢。