提高钢轨螺栓疲劳强度的有效方法
钢轨焊缝双轨同步全断面打磨车钢轨提升技术研究
钢轨焊缝双轨同步全断面打磨车钢轨提升技术研究发布时间：2023-01-16T13:11:59.903Z 来源：《中国建设信息化》2022年18期作者：徐明发[导读] 针对城市轨道交通钢轨焊缝打磨作业中需要拆除钢轨扣件并使用千斤顶顶升钢轨。
徐明发中铁上海工程局集团华海工程有限公司上海市201101摘要：针对城市轨道交通钢轨焊缝打磨作业中需要拆除钢轨扣件并使用千斤顶顶升钢轨。
手持式千斤顶使用费时费力，无法满足目前施工高速化的需求,研发形成钢轨焊缝双轨同步全断面打磨车钢轨提升技术。
采用新型钢轨夹持装置构造，实现对钢轨夹持固定的同时能够就钢轨平直度进行微调的功能，避免钢轨打磨过程中产生振动最终影响打磨效果，提高了打磨作业的打磨条件。
关键词：钢轨提升；系统设计；有限元分析1 前言钢轨焊缝打磨的过程中，钢轨处于悬空的状态，如若没有一个固定钢轨的装置，钢轨会由于打磨产生振动，严重影响最终的打磨效果。
因此在打磨装置的基础上需要附加一组夹持装置。
同时考虑到解除原先固定装置后，钢轨有可能出现形变，影响打磨的效果，所以夹持装置在固定钢轨的同时起到一定程度调节钢轨的作用。
调节内容主要包括两侧钢轨的距离以及钢轨的平直度。
因此，研发钢轨焊缝双轨同步全断面打磨车钢轨提升技术十分必要。
2 钢轨提升技术关键技术钢轨焊缝双轨同步全断面打磨车采用半自动开合夹具夹持钢轨，确保了夹持作业的自动化、高效化与安全性。
同时采用液压动力提轨装置进行钢轨提升作业，使用四处提升装置同步起落一段钢轨，保证提升时钢轨的平顺度，为后续的钢轨打磨作业打好基础。
钢轨提升装置实物图如图1所示。
图1 钢轨提升装置实物图（1）采用液压作为动力来源，使用两块仿形夹持板对钢轨进行横向夹持。
采用自动开合保险销板，防止出现钢轨脱落之类的危险情况。
一段钢轨采用有4处精准定位装置共同进行固定。
以确保能够高效、安全的固定打磨过程中的钢轨。
（2）在夹持块上设置有调节螺栓，可用于手动微调钢轨状态。
关于钢轨接头病害的原因及其整治策略
选择高强度、耐磨损、耐腐蚀的钢轨材料，优化接头结构设计，提高其承载能力 和抗疲劳性能。采用先进的焊接工艺，确保钢轨接头的焊接质量，减少虚焊、夹 渣等缺陷。
轨道铺设与维护标准的提升
总结词
提高轨道铺设与维护标准，确保轨道几何尺寸和线路条件的良好状态，有助于减少钢轨接头病害的发 生。
详细描述
制定严格的轨道铺设标准，确保轨道基础的稳定性和平顺性。加强轨道几何尺寸的监测和维护，及时 调整轨距、水平、超高、扭曲等参数，防止轨道变形和失稳。定期对钢轨接头进行涂油防锈，保持其 良好的润滑状态。
04
钢轨接头病害整治的实践与案 例
国内外钢轨接头病害整治的典型案例
国内案例
我国在钢轨接头病害整治方面有着丰富的实 践经验，例如北京地铁、上海地铁等大城市 的轨道交通系统在钢轨接头病害整治方面取 得了显著成果，减少了接头病害的发生，提 高了轨道运行的安全性和稳定性。
国外案例
欧美等发达国家在钢轨接头病害整治方面也 有着丰富的实践经验，例如伦敦地铁、纽约 地铁等大城市的轨道交通系统通过持续的接 头病害整治，实现了轨道寿命的延长和运行 效率的提高。
问题诊断等方面。
持续改进与创新发展
持续改进
钢轨接头病害整治是一个持续改进的 过程，需要不断优化整治方案、完善 技术手段、提高施工效率等方面，以 实现更好的整治效果。
创新发展
随着新材料、新工艺、新技术的不断 发展，钢轨接头病害整治也需要不断 创新发展，探索更加高效、环保、经 济的整治方法和技术手段，以适应轨 道交通系统发展的需求。
环境监测与灾害预警系统的建立
总结词
建立环境监测与灾害预警系统，实时监 测轨道环境和灾害情况，及时预警并采 取应对措施，保障铁路运输安全。
铁路钢轨伤损分析及对策
铁路钢轨伤损分析及对策钢轨作为铁路轨道的主要组成部分，直接与列车相接触且负载着列车的重量载荷，难免会因外界因素的影响受到伤损。
当钢轨伤损达到一定严重程度时便有可能导致列车出现运行安全的问题，关乎到旅客的生命安全，因此深入分析钢轨伤损问题成为了铁路工务段必须要解决的问题之一。
本文通过对铁路钢轨伤损方面进行深入分析，提出了相应的解决对策及建议。
标签：铁路钢轨；伤损分析；解决对策随着我国铁路运输业的高速发展，铁路承担的负荷也越来越大，这样便加快了钢轨的损耗速度，严重降低了钢轨的使用寿命。
再受到列车运行密度高、列车间距离小等不利因素的影响，导致工务段职工进行钢轨伤损修复工作的难度越来越高、钢轨伤损程度也越来越明显。
因此，铁路企业要大力加强铁路钢轨伤损的研究分析力度，提出行之有效的问题解决对策。
1 铁路钢轨伤损分析1.1 钢轨伤损的分类钢轨伤损按程度主要分为轻伤、重伤和折断。
当探伤人员或者钢轨检查工长认定钢轨有伤损时，也可以判其为轻伤或重伤。
而折断是指当钢轨截面全部断裂、裂纹横穿过轨道的整个轨头截面或是轨底截面。
1.2 钢轨伤损的修理我国铁路工务段基础线路设施维修主要分为大修和维修两种。
大修的基本任务是根据实际运输需求及钢轨伤损情况，有规律、周期地更新钢轨或者再用钢轨；其中，单项大修主要包括成段更换新的钢轨或使用再用轨、铺设无缝接线路等等。
主要是为了消除铁路钢轨线路设备长时间积累下来的永久性伤损，使大修后铁路钢轨的质量完全达到正常标准或者更高标准。
钢轨伤损的修理工作分为三类：（1）综合维修：依照钢轨伤损周期性变化的特点，主要以以翻修、更换伤损钢轨零部件的形式进行，以大型养路机械作为主要维修工具，具有较强的规律性和周期性。
（2）日常保养：依照钢轨伤损实时情况，以小型养路器械为主要工具，对钢轨实施具有针对性、日常性、规律性的日常保养措施，以保持钢轨伤损情况始终符合钢轨质量标准。
其主要方式是对钢轨进行焊补、打磨，处理接头处的伤损，更换断轨等等。
浅析高强度螺栓连接的计算及优缺点
浅析高强度螺栓连接的计算及优缺点摘要：高强度螺栓连接计算方法及优缺点比较，本文在理解钢结构设计规范的基础上对承压型高强度螺栓连接在剪力、轴向拉力同作用下的各种计算方法进行讨论及其特点进行比较。
关键词：高强度螺栓；连接；应力0引言高强度螺栓是指用高强度钢制造的，或者需要施以较大预紧力的螺栓。
高强度螺栓多用于桥梁、钢轨、高压及超高压设备的连接。
这种螺栓的断裂多为脆性断裂。
应用于超高压设备上的高强度螺栓，为了保证容器的密封，需要施以较大的预应力。
高强螺栓连接是通过螺栓杆内很大的拧紧预拉力把连接板的板件夹紧，足以产生很大的摩擦力，从而提高连接的整体性和刚度，当受剪力时，按照设计和受力要求的不同，可分为高强螺栓摩擦型连接和高强螺栓承压型连接两种，两者的本质区别是极限状态不同，虽然是同一种螺栓，但是在计算方法、要求、适用范围等方面都有很大的不同。
在抗剪设计时，高强螺栓摩擦型连接是以外剪力达到板件接触面间由螺栓拧紧力所提供的可能最大摩擦力作为极限状态，也即是保证连接在整个使用期间内外剪力不超过最大摩擦力。
板件不会发生相对滑移变形（螺杆和孔壁之间始终保持原有的空隙量），被连接板件按弹性整体受力。
在抗剪设计时，高强螺栓承压型连接中允许外剪力超过最大摩擦力，这时被连接板件之间发生相对滑移变形，直到螺栓杆与孔壁接触，此后连接就靠螺栓杆身剪切和孔壁承压以及板件接触面间的摩擦力共同传力，最后以杆身剪切或孔壁承压破坏作为连接受剪的极限状态。
总之，摩擦型高强螺栓和承压型高强螺栓实际上是同一种螺栓，只不过是设计是否考虑滑移。
摩擦型高强螺栓绝对不能滑动，螺栓不承受剪力，一旦滑移，设计就认为达到破坏状态，在技术上比较成熟；承压型高强螺栓可以滑动，螺栓也承受剪力，最终破坏相当于普通螺栓破坏。
在抗震设计中，主要承重结构的高强度螺栓连接一律采用摩擦型。
连接设计分为两个阶段：第一阶段按设计内力进行弹性设计，要求摩擦面不滑移；第二阶段进行极限承载力计算，此时考虑摩擦面已滑移，摩擦型连接成为承压型连接，要求连接的极限承载力大于构件的塑性承载力，其最终目标是保证房屋大震不倒。
钢轨螺栓孔距离及螺栓规格
钢轨螺栓孔距离及螺栓规格钢轨螺栓是用于固定铁路轨道的一种连接元件，它具有承受轨道车辆运行荷载的重要功能。
在铁路建设中，钢轨螺栓孔距离及螺栓规格是非常重要的参数，它们直接影响到轨道的稳定性和安全性。
钢轨螺栓孔距离是指螺栓孔之间的中心距离，其大小会直接影响到铁路轨道的稳定性。
一般来说，钢轨螺栓孔距离应符合国家规范和标准。
在中国，我国规定的钢轨螺栓孔距离为550mm或600mm，这是标准尺寸，适用于大多数铁路线路。
螺栓规格是指钢轨螺栓的几何尺寸和力学性能规格。
螺栓的规格不仅仅包括螺栓的直径和长度，还包括螺纹形状、材料强度等重要参数。
螺栓规格的选择需要根据实际工程需求和设计要求来确定。
一般来说，螺栓的直径越大，螺栓的强度和承载能力就越大。
根据不同的应用场景和要求，螺栓的材料可以选择普通碳素钢螺栓、合金钢螺栓或不锈钢螺栓等。
在实际应用中，钢轨螺栓的孔距离和规格必须合理搭配，以确保铁路轨道的稳定性和安全性。
钢轨螺栓的孔距离不宜过大或过小，过大会降低螺栓的承载能力，过小则会使螺栓安装困难，不利于设备的维护和维修。
螺栓规格的选择应根据实际的工况和荷载要求来确定，确保螺栓的安全使用。
除了孔距离和规格外，钢轨螺栓的安装和紧固也是非常重要的环节。
在钢轨的安装过程中，应注意螺栓的预紧力，即通过力学方法计算出螺栓所需的预紧力，并通过准确的扭矩或角度控制工具进行预紧。
螺栓的预紧力不宜过大或过小，过大会导致螺栓结构的应力过高，过小则会导致螺栓连接松动，影响铁路轨道的安全性。
钢轨螺栓的孔距离及规格是确保铁路轨道稳定性和安全性的重要因素。
合理选择适当的孔距离和规格，并正确安装和紧固螺栓，可以有效提高铁路线路的承载能力和安全性。
同时，科学合理的螺栓管理和维护工作也是确保铁路轨道长期稳定运行的重要保证。
钢轨螺栓是一种重要的固定元件，用于连接铁路轨道，维持轨道的稳定性和安全性。
螺栓的选择和安装，对铁路线路的可靠性和使用寿命起着至关重要的作用。
(完整word版)高强度螺栓的连接方式
高强度螺栓的连接方式有摩擦连接、承压连接、混合连接和并用连接和张拉连接四种〔1 ）摩擦型连接：摩擦型高强螺栓是一般常说的高强螺栓，基于高强螺栓紧固时产生的强大夹紧力来压紧钢板束，依靠接触面间产生的抗剪摩擦力传递与螺栓垂直方向应力的连接方法.高强度螺栓的连接方式一般分为有摩擦连接、承压连接、混合连接和并用连接和张拉连接四种。
今天就来介绍一下摩擦型连接的特点。
摩擦型连接：高强度螺栓一般分为摩擦型高强度螺栓、承压型高强度螺栓和抗拉型高强度螺栓三种，摩擦型高强螺栓是一般常说的高强螺栓.摩擦型连接在荷载设计值下,以连接件之间产生相对滑移，作为其承载能力极限状态。
通俗一点来讲摩擦型连接就是就是基于高强螺栓紧固时产生的强大夹紧力来压紧钢板束，依靠接触面间产生的抗剪摩擦力传递与螺栓垂直方向应力的连接方法。
摩擦型高强度螺栓因其硬度高，安装方便，被广泛的应用于钢框架结构梁、柱连接，实腹梁连接，工业厂房的重型吊车梁连接，制动系统和承受动荷载的重要结构的连接。
( 2 ）承压型连接：是在螺栓拧紧后所产生的抗滑移力及螺栓杆在螺孔内和连接钢板间产生的承压力来传递应力的一种连接方法。
在抗剪设计中，高强度螺栓承压型连接是指螺栓连接使用过程中允许外剪力超过最大摩擦力，因为这使得摩擦力已经超过了最大摩擦力,被连接板件之间会发生相应的滑移变形，直到螺栓的杆身一孔壁相互接触，后面的连接就只能靠螺栓杆身的剪切和孔壁承压以及板件接触面间的摩擦力共同传力,那就是以螺栓本身的的杆身或者孔壁承压破坏作为连接受剪的极限状态。
简单的来说就是高强度螺栓的承压连接中的高强度螺栓的滑动，也承受剪力,最终破坏相当于普通螺栓破坏.承压型高强度螺栓则是以杆身不被剪坏或板件不被压坏为设计准则。
( 3 ）张拉型连接：接头在螺栓拧紧后,钢板间产生的压力使雳板层处于密贴状态，螺栓在轴向拉力作用下，板层间的压力减少,外力完成由螺栓承担。
当外力作用超过螺拴的预拉力时，板层间就互相离开，发生离间时的荷载叫做离间荷载，张拉连接其外力应小于离间荷载。
高强度螺栓详解
用高强度钢制造的,或者需要施以较大预紧力的螺栓,皆可称为高强度螺栓.高强度螺栓多用于桥梁、钢轨、高压及超高压设备的连接.这种螺栓的断裂多为脆性断裂.应用于超高压设备上的高强度螺栓,为了保证容器的密封,需要施以较大的预应力。
关于高强度螺栓的几个概念1.按规定螺栓的性能等级在8.8级以上者,称为高强度螺栓.现国家标准只罗列到M39,对于大尺寸规格,特别是长度大于%10~15倍的高强度螺栓,国内生产尚属短线。
高强螺栓与普通螺栓区别高强度螺栓就是可承受的载荷比同规格的普通螺栓要大。
普通螺栓的材料是Q235（即A3）制造的。
高强度螺栓的材料35#钢或其它优质材料，制成后进行热处理，提高了强度。
两者的区别是材料强度的不同。
从原材料看：高强度螺栓采用高强度材料制造。
高强螺栓的螺杆、螺帽和垫圈都由高强钢材制作，常用 45号钢、40硼钢、20锰钛硼钢、35CrMoA等。
普通螺栓常用Q235（相当于过去的A3）钢制造。
从强度等级上看：高强螺栓，使用日益广泛。
常用8.8s和10.9s两个强度等级，其中10.9级居多。
普通螺栓强度等级要低，一般为4.4级、4.8级、5.6级和8.8级。
从受力特点来看：高强度螺栓施加预拉力和靠摩擦力传递外力。
普通螺栓连接靠栓杆抗剪和孔壁承压来传递剪力，拧紧螺帽时产生预拉力很小，其影响可以忽略不计，而高强螺栓除了其材料强度很高之外，还给螺栓施加很大预拉力，使连接构件间产生挤压力，从而使垂直于螺杆方向有很大摩擦力，而且预拉力、抗滑移系数和钢材种类都直接影响高强螺栓的承载力。
根据受力特点分承压型和摩擦型.两者计算方法不同。
高强螺栓最小规格M12，常用M16~M30，超大规格的螺栓性能不稳定，设计中应慎重使用。
高强度螺栓摩擦型和承压型连接的区别：高强螺栓连接是通过螺栓杆内很大的拧紧预拉力把连接板的板件夹紧，足以产生很大的摩擦力，从而提高连接的整体性和刚度，当受剪力时，按照设计和受力要求的不同，可分为高强螺栓摩擦型连接和高强螺栓承压型连接两种，两者的本质区别是极限状态不同，虽然是同一种螺栓，但是在计算方法、要求、适用范围等方面都有很大的不同。
高强度螺栓应力松弛
高强度螺栓应力松弛
高强度螺栓应力松弛是指在高载荷条件下，螺栓松弛或失效的现象。
螺栓在正确拧紧时，会产生压力，这种压力称为应力预紧力。
然而，由于材料的弹性特性，螺栓会在一段时间后发生应力松弛，导致预紧力减小。
这是因为在高载荷下，螺栓所承受的应力超过了材料的弹性限度，导致螺栓被拉长并松弛。
高强度螺栓应力松弛可能会导致螺栓松动或失效，进而影响机器或设备的正常运行。
因此，为了防止高强度螺栓的应力松弛，可以采取以下措施：
1.正确的螺栓拧紧：确保螺栓按照正确的拧紧扭矩进行拧紧，避免过度或不足拧紧导致应力松弛。
2.使用弹性垫片或垫圈：在螺栓与工作面之间使用弹性垫片或垫圈，可以减少应力松弛的程度，提高螺栓的预紧力保持能力。
3.使用锁定剂：使用防松锁定剂或螺纹胶等产品，可以增加螺栓的摩擦力，防止螺栓松动。
4.定期检查和维护：定期检查螺栓的拧紧力并重新拧紧需要的螺栓，以确保其正常运行和不出现应力松弛。
需要注意的是，高强度螺栓的应力松弛是一种常见的问题，特别是在高温和高载
荷条件下。
因此，在设计和使用中应充分考虑螺栓的材料选择、预紧力计算和使用环境等因素，以减少螺栓松动和失效的风险。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
提高钢轨螺栓疲劳强度的有效方法
X X X
2011年5月20日
摘要：文章应用有限元方法分析了钢轨螺栓根部圆弧半径对其根部应力大小及分
布的影响，并在此基础上进一步探讨了增大圆弧半径的方法与途径，为缓解螺纹
根部的应力集中，改善应力分布，提高螺栓的疲劳强度提供了可靠的依据。
关键词：钢轨螺栓 有限元法 应力集中 疲劳强度
螺栓是最常见的联接件之一，广泛应用于铁路、机械、汽车以及各种工程结
构之中。很多研究成果表明，螺纹根部圆弧半径的尺寸影响螺纹根部应力的大小
及分布[1,2]， 由于螺纹根部存在较大的应力集中，当承受较大载荷时可能出现局
部应力超过材料流动极限的现象。虽然这种局部高应力区域较小，且对螺栓的静
强度影响不大，但因疲劳裂纹大多发生在高应力区，因此可以说螺纹根部圆弧半
径的大小直接关系到螺栓的疲劳强度和使用寿命。
本文在分析钢轨螺栓根部圆弧半径对其根部应力集中系数影响的基础上，进
一步探讨了增大圆弧半径的方法和途径，为缓解螺纹根部的应力集中，改善应力
分布，提高钢轨螺栓的疲劳强度提供了可靠的依据。
一、钢轨螺栓联接有限元模型
钢轨螺栓联接由钢轨、螺栓、螺母、缓冲垫等组成，如图 1所示。本文采用
的钢轨螺栓材料为20 MnTiB，弹性模量为210GPa，泊松比为0.28，抗拉强度为
1040 MPa，屈服强度为940MPa 。螺栓长度为72mm，公称直径为24mm，螺距
为3mm，螺纹中径为22.051mm,螺母直径为40mm,旋合长度为27mm。分析螺纹
根部圆弧半径对螺栓最大轴向拉应力及应力集中系数的影响时,在不影响精度的
前提下,为了减少计算量，可将螺栓、螺母单独作为研究对象，用接触载荷代替
钢轨与螺母间的相互作用。根据螺栓联接结构及受力特点(轴对称)，建立的有限
元模型如图2所示。此外，由于螺栓和螺母相互接触，应进行非线性的接触分析，
而不能将它们看作同一个物体进行有限元分析计算。
有限元模型的单元划分不但影响计算速度，而且影响计算精度。因此，单元
划分是有限元分析的关键点之一。单元划分应疏密合理， 适应应力分布规律。 在
应力变化梯度较大的螺纹处。为了较好地反映应力变化情况，需要采用比较密集
的网格，而在应力变化梯度较小的部位，则应划分相对稀疏的网格。对于单元类
型，本文采用的是四边形轴对称平面单元。
二、普通钢轨螺栓根部圆角半径对其根部应力集中系数的影响
钢轨螺栓螺纹是普通三角螺纹，按照螺纹形状的几何关系[3]，在保证螺母牙
形不变的前提下，螺栓根部最大圆角半径为=tan 30°P/4=0.143375P，其中 P为
螺距。当 P=3时，Rmax=0.433mm。由于钢轨螺栓的断裂一般发生在螺母支承
面附近，为此应用图2 所示的有限元模型，分别取螺栓根部圆角半径为R=0mm、
R=0.1mm、R=0.2mm 、R=0.3mml、R=0.4mm，并设螺母支承面压力P’ =5MPa，
对螺栓和螺母进行有限元接触应力分析,计算出最大轴向拉应力。然后根据普通
钢轨螺栓螺纹的几何参数和螺母支承面压力P，计算出螺栓的平均拉应力为
11.89MP a ，从而计算出应力集中系数α，计算结果如图3所示。由图3可以看
出，普通钢轨螺栓根部的应力集中系数，随着螺栓根部圆角半径 R的增大而明
显降低，从R=0的5.98减少到 R=0.4mm的4.14，相对降低了30.77％。这说明
随着半径的增加，应力集中系数有较大的减少，螺栓的疲劳强度提高了。因而螺
栓根部圆角半径的变化对螺栓的强度有较大的影响，所以增加螺栓根部圆角半径
非常必要。
三、提高螺栓疲劳强度的方法
螺纹根部最大圆角半径是由螺纹的几何形状决定的，不能随意增大。要想增
加螺纹根部圆角半径，提高螺栓的疲劳强度，必须从改变螺栓和螺母的结构人手。
而且由于铁路上螺栓螺母的用量非常大，在改变螺栓联接的结构时必须考虑制造
成本和可制造性问题。
(一)改变螺栓的小径
普通三角螺纹牙底圆弧半径的最大值是0.1443375P，在保持螺纹基本牙形不
变的前提下，若要进一步增大螺纹根部最大圆角半径，可以通过修正螺栓的小径
来实现，即增加外螺纹小径。目前的高强度螺栓就是为了适应大圆弧底的需要而
产生的，其基本牙形与普通螺纹相比，原始三角形是相同的，只是增大了外螺纹
小径处的削平高度(比普通螺纹增大了H/16，H为原始三角形高度，且
H=Pcos30°) 。这使得外螺纹小径增加了，从而外螺纹牙底圆弧半径最大可达到
0.18402P。当螺距 P为3时， Rmax为0.55206mm。分别取 R=0.1mm、R=0.2mm、
R=0.3mm、R=0.4mm，R=0.5mm，建立有限元接触分析模型，与前述方法相同，
计算出应力集中系数a，计算结果如图4所示。由图4可知，当 R=0.5 mm时，
螺栓根部的应力集中系数为3.81，与普通螺栓(R=0.4mm) 相比差值为0.33，相
对降低约8％，从而进一步缓解了螺纹根部的应力集中。
（二）螺栓和螺母的螺牙同时变为圆弧
在螺母螺纹牙形不变的限制下，螺栓螺纹根部圆角半径的增大仍受到限制。
要进一步改善螺纹根部的应力集中，提高钢轨螺栓的疲劳强度，可以通过改变螺
栓联接的结构,如采用悬置螺母、开环槽螺母及内斜螺母等[4]，从而改变螺纹载荷
的分布不均来实现。但是结构的改变使得制造成本升高，而铁路上螺栓螺母的用
量又非常大，因此改变螺栓联接结构提高钢轨螺栓强度的方法在铁路上较少采
用。螺栓小径处的削平高度增大后,螺纹根部的圆角半径增大了。如果同时改变
螺母的牙形，让其与螺栓配合的部位也变成圆弧，则可进一步增大螺纹根部的圆
角半径，而螺母的制造成本并不会增加多少。此时，可推导出最大圆角半径为 ：
Rmax =5P cos30°/16=0.2706329P。当螺距P=3mm时，Rmax=0.8118988mm 。
相对于小径增大后 的螺栓，螺纹根部的圆角半径明显增大了。根据这个半径值，
计算出螺栓根部的应力集中系数为3.14 ,与增加外螺纹小径后的螺栓 ( R=0.5mm)
相比差值为0.67，相对降低约17.59％。 应力集中系数明显降低，显著缓解了螺
纹根部的应力集中。
考虑到普通螺栓R=0mm 时的应力集中系5.89，和同时改变螺栓螺母牙形后
的应力集 中系数3.14，其中的差值为2.84，相对降低47.49％。因这种结构上的
改变效果很好,使钢轨螺栓的疲劳强度和使用寿命有较大提高。
四、结论
（1）普通钢轨螺栓根部的最大轴向拉应力及应力集中系数随着螺纹根部圆角
半径的增 大而明显减少。
（2） 增加螺纹根部 圆角半径的方法有两种：一是增加螺纹的削平高度；二
是改变螺栓和螺母的结构。其中螺栓和螺母结构的改变能得到较大的螺纹根部圆
角半径，而这对螺栓根部的最大轴向拉应力及应力集中系数的降低影响很大。
（3）螺栓和螺母结构的改变可以明显改善螺纹根部的应力集中，提高钢轨螺
栓的疲劳 强度，但结构的改变要考虑到制造成本和可制造性问题。
（4）为了提高钢轨螺栓联接应力分析的准确性，应采用有限元接触分析的方
法，而不能将螺栓螺母视为一个整体进行分析。
参
考文献
[1] Toshimichi FUKUOKA，Evaluation of the Method for Lowering Stress
Concentration at the Thread Root with Modifications of Nut Shape [C] .1994，
Proceedings of JSME．
[2] 张家旭．高强度螺栓承载力几个影响因素的研究[J] ．石家庄铁道学院学
报，1996 .
[3] 徐灏 ．机械设计手册[ M] ．北京:机械工业出版社，2003．
[4] 邱宣怀、郭可谦、吴宗泽，等．机械设计[M]．北京：高等教育出版社，
1997．