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號螺栓只有初始值的35%,衰減較少的2號螺栓約為初始值的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比實(shí)驗(yàn)
在實(shí)驗(yàn)室選取5個(gè)螺栓分別編號1~5號,其中1號作為對比實(shí)驗(yàn)樣品直接緊固到剛性裝置上,2~5號分別緊固到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1~5號,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。