劉進(jìn)華 孫博 劉磊

摘要：軌道交通車輛的風(fēng)缸屬于壓力容器，在制作中應(yīng)盡量減少焊接工作量，因此箍帶式安裝成為普遍采用的方式，其中箍帶安裝螺栓的可靠性對(duì)風(fēng)缸安裝可靠性有較為重要的影響。鑒于此，通過相關(guān)實(shí)驗(yàn)對(duì)風(fēng)缸箍帶安裝螺栓的擰緊特性、軸力衰減特性、擰緊工藝、復(fù)檢標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了研究，初步掌握了風(fēng)缸箍帶安裝螺栓的相關(guān)特性，為其設(shè)計(jì)、工藝和檢驗(yàn)提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：風(fēng)缸箍帶;螺栓;擰緊特性;軸力衰減;復(fù)檢標(biāo)準(zhǔn)

0 ? ?引言

隨著株機(jī)公司螺栓連接管理體系逐漸完善，對(duì)螺栓緊固特殊過程的質(zhì)量要求也逐漸提高，公司實(shí)驗(yàn)室各類螺栓實(shí)驗(yàn)設(shè)備豐富了螺栓連接檢測手段，從各個(gè)方面對(duì)螺栓連接的性能進(jìn)行驗(yàn)證，最大程度保證了軌道交通車輛中螺栓連接的性能。

在軌道交通車輛中，風(fēng)缸箍帶安裝螺栓屬于一種復(fù)雜柔性連接螺栓，有多個(gè)方面可對(duì)其性能產(chǎn)生影響，因此研究難度極大。在實(shí)際運(yùn)用過程中，客戶針對(duì)此螺栓的復(fù)檢扭矩及緊固性能提出問題，本文以現(xiàn)有檢測條件為基礎(chǔ)，針對(duì)風(fēng)缸箍帶安裝螺栓的擰緊特性與復(fù)檢標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行研究分析。

1 ? ?風(fēng)缸箍帶基本安裝結(jié)構(gòu)

風(fēng)缸箍帶是由箍帶座、不銹鋼螺栓/鎖緊螺母、不銹鋼箍帶及橡膠墊組成，如圖1所示。不銹鋼箍帶與橡膠墊共同包裹著風(fēng)缸，通過螺栓/螺母連接固定。箍帶會(huì)穿過箍帶座，并隨箍帶座將風(fēng)缸固定在車下。

2 ? ?擰緊過程特性研究

采用數(shù)顯扭矩扳子擰緊風(fēng)缸箍帶螺栓，每轉(zhuǎn)30°實(shí)時(shí)讀取扭矩值，直至扭矩達(dá)到設(shè)計(jì)扭矩23 N·m，根據(jù)數(shù)據(jù)繪制扭矩—角度曲線，如圖2所示。

由扭矩—角度曲線可知，風(fēng)缸箍帶螺栓擰緊角度超過4圈，屬于典型的柔性螺栓連接，扭矩隨角度增長而增長，且角度越大，扭矩增長速率越快。

3 ? ?軸力衰減特性研究

柔性螺栓連接的特點(diǎn)之一是扭矩的衰減量大，而扭矩的衰減會(huì)影響軸力，最終造成風(fēng)缸箍帶的包裹力不足，從而產(chǎn)生風(fēng)缸掉落的風(fēng)險(xiǎn)，因此需對(duì)軸力的衰減進(jìn)行研究。螺栓軸力的測量可采用超聲波螺栓軸力測試儀完成，通過測量超聲波在螺栓中傳播的信號(hào)變化，計(jì)算分析出螺栓軸力的變化。螺栓軸力的測試方便快捷，不受空間限制，可以在生產(chǎn)現(xiàn)場直接測試。

以下為先后3次進(jìn)行螺栓軸力衰減測試的結(jié)果。

3.1 ? ?裝車產(chǎn)品測試

在裝車的風(fēng)缸模塊上選取5個(gè)風(fēng)缸箍帶螺栓進(jìn)行軸力跟蹤測試，分別在7月28日安裝后、4 h后、9月8日裝車運(yùn)行后進(jìn)行測試，測試結(jié)果如表1所示。

由表1可知，螺栓夾緊力在4 h后即衰減較為嚴(yán)重，衰減最多的4號(hào)螺栓只有初始值的35%，衰減較少的2號(hào)螺栓約為初始值的60%。而動(dòng)調(diào)后的衰減只有4 h后的50%～60%，與初始安裝的值相比，動(dòng)調(diào)后夾緊力衰減到只有初始值的20%～30%，說明箍帶螺栓軸力確實(shí)衰減比較嚴(yán)重。

3.2 ? ?柔性與剛性螺栓連接對(duì)比實(shí)驗(yàn)

在實(shí)驗(yàn)室選取5個(gè)螺栓分別編號(hào)1～5號(hào)，其中1號(hào)作為對(duì)比實(shí)驗(yàn)樣品直接緊固到剛性裝置上，2～5號(hào)分別緊固到4根箍帶上，緊固力矩23 N·m。每隔一段時(shí)間測試一次軸力變化，并繪制軸力隨時(shí)間變化的曲線，如圖3所示。

由圖3可以看出，剛性連接螺栓軸力衰減較慢，140 min只衰減至初始軸力的90%左右。風(fēng)缸箍帶螺栓軸力在前30 min衰減快于剛性連接，約衰減至初始軸力的40%。30 min以后軸力衰減較慢，近似于剛性連接，140 min時(shí)軸力衰減至初始軸力的30%左右。這說明箍帶螺栓軸力的衰減主要發(fā)生在30 min以內(nèi)。

3.3 ? ?橡膠墊對(duì)軸力衰減的影響

在實(shí)驗(yàn)室選取2個(gè)風(fēng)缸箍帶，其中一個(gè)將橡膠墊取出后安裝，另一個(gè)正常安裝，緊固力矩23 N·m。每隔一段時(shí)間測試一次軸力變化，并繪制軸力隨時(shí)間變化的曲線，如圖4所示。

由圖4可以看出，有無橡膠墊螺栓軸力衰減速率差不多，無橡膠墊時(shí)螺栓緊固后的初始軸力會(huì)高于有橡膠墊，因此橡膠墊不是造成軸力衰減的主要原因。

4 ? ?螺栓復(fù)擰工藝研究

由軸力衰減特性分析可知，30 min左右是螺栓軸力衰減速度由快到慢的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，因此，為獲得良好的軸力特性，既有較高的軸力又能衰減緩慢，制訂了在30 min對(duì)螺栓進(jìn)行復(fù)擰的工藝。

復(fù)擰工藝有兩種：扭矩法和轉(zhuǎn)角法。扭矩法是指以相同的設(shè)計(jì)扭矩進(jìn)行復(fù)擰，而轉(zhuǎn)角法是指使用扳手將螺栓旋轉(zhuǎn)一定角度。對(duì)這兩種復(fù)擰工藝擰緊效果分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究分析。

4.1 ? ?扭矩法工藝研究

在實(shí)驗(yàn)室選取5個(gè)螺栓分別編號(hào)1～5號(hào)，分別緊固到5根箍帶上，緊固力矩23 N·m，在30 min時(shí)復(fù)擰23 N·m。每隔3 min測試一次軸力變化，并繪制軸力隨測量次數(shù)變化的曲線，如圖5所示。其中2、3、5號(hào)螺栓復(fù)擰時(shí)未轉(zhuǎn)動(dòng)。

由圖5可以發(fā)現(xiàn)，復(fù)擰能夠讓軸力得到提升，而且復(fù)擰后軸力的衰減速率與未復(fù)擰的基本一致。然而，有3個(gè)螺栓復(fù)擰時(shí)未轉(zhuǎn)動(dòng)角度，其軸力也未得到改善，可能的原因是此時(shí)螺栓的殘余扭矩并未同軸力一樣大幅衰減，因此在復(fù)擰時(shí)同樣的扭矩?zé)o法轉(zhuǎn)動(dòng)。

4.2 ? ?轉(zhuǎn)角法工藝研究

選取一個(gè)正常安裝的風(fēng)缸箍帶螺栓，在安裝后30 min按一定的角度進(jìn)行復(fù)擰，每轉(zhuǎn)30°測量一次軸力，繪制軸力—角度曲線，如圖6所示。

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，復(fù)擰一定的角度能夠讓螺栓軸力得到線性提升，因此采用轉(zhuǎn)角法復(fù)擰是一種可靠的復(fù)擰工藝。

5 ? ?扭矩復(fù)檢標(biāo)準(zhǔn)研究

為檢測螺栓緊固效果，一般采用扭矩扳子按一定的扭矩標(biāo)準(zhǔn)對(duì)螺栓再次擰緊，如螺栓轉(zhuǎn)動(dòng)角度則不合格，這種檢查方式就叫扭矩復(fù)檢。風(fēng)缸箍帶螺栓為柔性連接，且扭矩衰減影響因素很多，因此需研究扭矩復(fù)檢的標(biāo)準(zhǔn)，確定扭矩復(fù)檢標(biāo)準(zhǔn)采用的方法是螺栓殘余扭矩檢測法。

共選取116個(gè)風(fēng)缸箍帶螺栓進(jìn)行殘余扭矩檢測，采用數(shù)顯式扭矩扳子，在螺栓產(chǎn)生微小轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)讀取扭矩值，將測得的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)匯總，繪制數(shù)量—扭矩柱狀圖，如圖7所示。

由圖7可以看出，螺栓殘余扭矩呈正態(tài)分布，計(jì)算殘余扭矩的平均值為18.5 N·m，標(biāo)準(zhǔn)差為2.5，螺栓復(fù)檢標(biāo)準(zhǔn)一般為平均值上下3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差的范圍，因此風(fēng)缸箍帶螺栓檢查扭矩下限為11 N·m，上限為26 N·m。

6 ? ?結(jié)論與建議

綜合以上分析結(jié)果，得出如下結(jié)論：

（1）風(fēng)缸箍帶螺栓緊固后，螺栓軸力會(huì)在30 min內(nèi)迅速衰減至40%左右，后續(xù)衰減較緩慢，最終衰減至初始值的20%～30%。

（2）采用殘余扭矩測試法確定風(fēng)缸箍帶螺栓扭矩復(fù)檢標(biāo)準(zhǔn)為：扭矩大于11 N·m、小于26 N·m為合格。

（3）采用轉(zhuǎn)角法復(fù)擰是一種可靠的復(fù)擰工藝。

收稿日期：2021-04-16

作者簡介：劉進(jìn)華（1969—），男，湖北天門人，高級(jí)工程師，長期從事軌道交通產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、工藝工作。

孫博（1993—），男，遼寧大連人，工程師，長期從事軌道交通產(chǎn)品的工藝質(zhì)量工作。

劉磊（1990—），男，甘肅會(huì)寧人，工程師，長期從事軌道交通產(chǎn)品的工藝質(zhì)量工作。