俞鵬程，曹強(qiáng)，艾伍軼，郭寧平，李滔

（株洲變流技術(shù)國(guó)家工程研究中心有限公司,株洲 412001）

前言

螺栓緊固是電動(dòng)輪礦用車(chē)變流器內(nèi)部部件安裝的主要方式之一，幾乎涉及到所有部件的安裝。因此，螺栓緊固的可靠性是電動(dòng)輪礦用車(chē)變流器可靠運(yùn)行的重要保證。

目前電動(dòng)輪礦用車(chē)承擔(dān)著世界上40 %煤、90 %鐵礦的開(kāi)采運(yùn)輸任務(wù)，在年開(kāi)采量大于1 000萬(wàn)噸的露天礦山中被當(dāng)作首選運(yùn)輸工具，因此對(duì)電動(dòng)輪礦用車(chē)的需求極大。由于礦區(qū)道路多為臨時(shí)性路面，其不平順性遠(yuǎn)高于普通公路，其車(chē)體振動(dòng)條件比普通車(chē)輛更為惡劣。因此在進(jìn)行電動(dòng)輪礦用車(chē)變流器產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需要對(duì)螺栓緊固進(jìn)行可靠性校核。然而螺栓緊固的扭矩均會(huì)產(chǎn)生不同程度的衰減，目前尚無(wú)相應(yīng)的螺栓緊固的扭矩衰減數(shù)據(jù)，并缺乏系統(tǒng)有效的螺栓連接可靠性校核方法，嚴(yán)重制約了產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

為保證電動(dòng)輪礦用車(chē)變流器的螺栓緊固可靠性，本文測(cè)試了電動(dòng)輪礦用車(chē)變流器典型裝配結(jié)構(gòu)螺栓緊固扭矩衰減特性，得出關(guān)鍵結(jié)構(gòu)螺栓緊固扭矩衰減率。基于VDI 2230對(duì)功率模塊單元螺栓緊固進(jìn)行可靠性校核，并通過(guò)設(shè)計(jì)功率模塊試驗(yàn)工裝，進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)完成驗(yàn)證。

1 緊固扭矩衰減測(cè)試

對(duì)螺栓進(jìn)行扭矩衰減測(cè)試，根本目的是為了確認(rèn)螺栓緊固后連接狀態(tài)是否合格。評(píng)估螺栓連接狀態(tài)是否合格的主要參數(shù)，是螺栓連接的預(yù)緊力是否滿(mǎn)足要求。對(duì)于扭矩控制法而言，首先要保證緊固過(guò)程中的裝配扭矩是滿(mǎn)足要求的，其次是要保證緊固后，螺栓預(yù)緊力經(jīng)過(guò)衰減變化依然滿(mǎn)足要求。①緊固過(guò)程中，我們可以采用扭矩扳手，扭矩在線(xiàn)監(jiān)測(cè)工具等來(lái)保證裝配扭矩是合格的。②緊固過(guò)程后，直接測(cè)量預(yù)緊力的方法因?yàn)槌杀靖?、操作?fù)雜等因素，在大批量生產(chǎn)過(guò)程中是無(wú)法投入應(yīng)用的。而扭矩卻是一個(gè)比較容易得到的參數(shù)，通常我們通過(guò)二次擰緊/擰松的方式獲取扭矩。

螺栓扭矩衰減測(cè)試原理為：采用檢驗(yàn)用扭矩扳手（數(shù)顯/表盤(pán)）對(duì)螺栓進(jìn)行再擰緊或擰松進(jìn)行測(cè)量[1]，常用的方法分為兩種：①正向擰緊法，曲線(xiàn)如圖1（a）所示；②反向擰松法，曲線(xiàn)如圖1（b）所示。一般對(duì)于硬連接結(jié)構(gòu)，通常擰緊曲線(xiàn)為平滑過(guò)渡型曲線(xiàn)，即擰緊曲線(xiàn)先陡直然后平緩上升；對(duì)于軟連接結(jié)構(gòu)，通常擰緊曲線(xiàn)為轉(zhuǎn)折型曲線(xiàn)，即擰緊曲線(xiàn)會(huì)先陡直上升，后轉(zhuǎn)折下降，再平緩上升；其他中間部分連接，擰緊曲線(xiàn)可能會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)折跌落型曲線(xiàn)，即擰緊曲線(xiàn)會(huì)先陡直上升，后跌落下降，再平緩上升。

圖1 復(fù)驗(yàn)扭矩曲線(xiàn)

本次測(cè)試通過(guò)二次正向擰緊的方式進(jìn)行螺栓扭矩衰減測(cè)試：使用數(shù)顯扭矩扳手，選擇“預(yù)設(shè)”模式，設(shè)定扭矩值為額定扭矩值，角度控制為5 °，使用數(shù)顯扭矩扳手沿螺栓擰緊方向施加扭矩，當(dāng)螺栓的接觸端面相互滑動(dòng)超過(guò)預(yù)設(shè)角度時(shí)，扭矩扳手會(huì)振動(dòng)提示即可釋放扳手，導(dǎo)出擰緊曲線(xiàn)，Tf2可用于間接評(píng)估預(yù)緊力的衰減。

電動(dòng)輪礦用車(chē)變流器典型裝配結(jié)構(gòu)按照安裝型式和部件材料可以歸納為這幾種：①金屬類(lèi)器件與金屬骨架硬連接，②塑料類(lèi)器件與金屬骨架硬連接，③環(huán)氧類(lèi)材料與銅母排硬連接，④銅母排與銅母排硬連接，⑤金屬類(lèi)器件與金屬骨架采用非限位密封結(jié)構(gòu)軟連接，如圖3所示，⑥金屬類(lèi)器件與金屬骨架采用限位密封結(jié)構(gòu)硬連接，如圖4所示。

圖3 非限位密封結(jié)構(gòu)

圖4 限位密封結(jié)構(gòu)

表1給出了這幾類(lèi)典型結(jié)構(gòu)的扭矩衰減測(cè)試數(shù)據(jù)，其中測(cè)試得到的Tf2可用于評(píng)估組裝后的緊固扭矩變化。圖2給出了主要結(jié)構(gòu)扭矩衰減率對(duì)比，由此可知：

表1 電動(dòng)輪礦用車(chē)變流器典型裝配結(jié)構(gòu)緊固扭矩衰減測(cè)試數(shù)據(jù)

圖2 礦卡典型裝配結(jié)構(gòu)衰減率對(duì)比

① 對(duì)于金屬類(lèi)硬連接，以接觸器和整車(chē)控制器為例，扭矩衰減在11 %左右；

② 對(duì)于塑料類(lèi)硬連接，以電流傳感器為例，扭矩衰減在50 %左右；

③ 對(duì)于環(huán)氧類(lèi)硬連接，扭矩基本無(wú)衰減；

④ 對(duì)于非限位密封結(jié)構(gòu)軟連接，以功率模塊為例，扭矩衰減在55 %左右；

⑤ 對(duì)于限位密封結(jié)構(gòu)硬連接，以功率模塊為例，扭矩衰減在11 %左右。

2 基于VDI 2230對(duì)螺栓緊固可靠性校核

由于功率模塊是電動(dòng)輪礦用車(chē)變流器里單體重量最重的部件，并且存在采用限位密封結(jié)構(gòu)裝配與采用非限位密封結(jié)構(gòu)裝配的情況。因此本文以功率模塊的緊固螺栓為例進(jìn)行可靠性校核和試驗(yàn)驗(yàn)證。

設(shè)計(jì)三組試驗(yàn)工裝，采用某款功率模塊通過(guò)6顆螺栓緊固在夾具上，功率模塊重量為140 kg。第一組試驗(yàn)工裝，模塊采用6顆M8鍍彩鋅螺栓進(jìn)行緊固安裝，模塊與夾具采用非限位密封結(jié)構(gòu)；第二組試驗(yàn)工裝，采用6顆M10鍍彩鋅螺栓進(jìn)行緊固安裝，模塊與夾具采用非限位密封結(jié)構(gòu)；第三組試驗(yàn)工裝，采用6顆M8鍍彩鋅螺栓進(jìn)行緊固安裝，模塊與夾具采用限位密封結(jié)構(gòu)。鍍彩鋅螺栓為GB/T 5783-2016《六角頭螺旋 全螺紋》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的性能等級(jí)為8.8級(jí)的螺栓。

基于VDI 2230對(duì)上述三組試驗(yàn)工裝螺栓緊固可靠性進(jìn)行校核。初始條件為：功率模塊重量140 kg；依據(jù)電動(dòng)輪礦用車(chē)變流器振動(dòng)實(shí)測(cè)路譜最大沖擊載荷為垂向方向，大小為10 G；模塊緊固螺栓總共為6顆。

1）確定橫向最大載荷FQmax

考慮10 g沖擊,每個(gè)螺栓承受橫向載荷為

取m=140 kg，a=100 m/s2，n=6。

2）確定所需最小夾緊載荷FKerf

為了傳遞規(guī)定的橫向載荷FQmax，具有力傳遞內(nèi)部分界面的給定摩擦夾緊連接，需要的最小夾緊載荷為

取qF=1，μTmin=0.12。

3）確定最小殘余夾緊載荷FKRmin通過(guò)剩余的螺紋力矩，確定最小的殘余夾緊載荷

① 確定第一組試驗(yàn)工裝最小殘余夾緊載荷FKRmin1為

取MG=11.9 N·m，d2=7.188 mm，P=1.25 mm，μGmin=0.08。

② 確定第二組試驗(yàn)工裝最小殘余夾緊載荷FKRmin2為

取MG=22.1 N·m，d2=9.026 mm，P=1.5 mm，μGmin=0.08。

③ 確定第二組試驗(yàn)工裝最小殘余夾緊載荷FKRmin3為

取MG=22.2 N·m，d2=7.188 mm，P=1.25 mm，μGmin=0.08。

4）確定抗滑安全余量SG[2]

由下式得出現(xiàn)有抗滑安全余量

① 確定第一組試驗(yàn)工裝抗滑安全余量SG1為

② 確定第二組試驗(yàn)工裝抗滑安全余量SG2為

③ 確定第三組試驗(yàn)工裝抗滑安全余量SG3為

SG的推薦值為1.2，通過(guò)計(jì)算得出：SG1＜1.2，SG2＞1.2，SG3＞1.2，因此得出第一組試驗(yàn)工裝有螺栓松脫風(fēng)險(xiǎn)。

式中：

FQmax—橫向最大載荷，N；

m—重量，kg；

a—加速度，m/s2；

n——螺栓個(gè)數(shù)；

FKerf—用于密封功能、摩擦夾緊和防止分界面單側(cè)松開(kāi)所需的最小夾緊載荷，N；

qF—涉及螺栓可能滑動(dòng)/剪切的內(nèi)部分界面?zhèn)鬟f力的數(shù)量；

μTmin—分界面最小摩擦系數(shù)；

MG—螺紋扭矩，N·m；

d2—螺紋中徑，mm；

P—螺距，mm；

FKRmin—最小殘余夾緊載荷，N；

μGmin—螺紋最小摩擦系數(shù)；

SG——抗滑移安全余量。

3 振動(dòng)試驗(yàn)驗(yàn)證

三組試驗(yàn)工裝（如圖5）固定在振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)上，依據(jù)電動(dòng)輪礦用車(chē)變流器振動(dòng)實(shí)測(cè)路譜進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)，其中垂向沖擊試驗(yàn)參數(shù)：半正弦波，10 g，脈寬最小0.01 s，15次。振動(dòng)完后進(jìn)行力矩測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。第一組試驗(yàn)工裝，有1顆緊固螺栓已經(jīng)松動(dòng)；第二組試驗(yàn)工裝、第三組試驗(yàn)工裝，緊固螺栓沒(méi)有松動(dòng)。因此通過(guò)振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果，可以說(shuō)明統(tǒng)計(jì)分析的電動(dòng)輪礦用車(chē)變流器典型安裝結(jié)構(gòu)緊固扭矩衰減率是較為準(zhǔn)確的，采用VDI 2230對(duì)螺栓緊固進(jìn)行可靠性校核是可行的。

圖5 試驗(yàn)工裝

表2 振動(dòng)前后扭矩衰減測(cè)試數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

由上述針對(duì)電動(dòng)輪礦用車(chē)變流器典型安裝結(jié)構(gòu)緊固扭矩衰減分析可知：

1）緊固扭矩衰減主要發(fā)生在塑料類(lèi)硬連接結(jié)構(gòu)、非限位密封結(jié)構(gòu)軟連接結(jié)構(gòu)，扭矩衰減率達(dá)到50 %以上。

2）模塊與夾具采用非限位密封結(jié)構(gòu)，使用M8不銹鋼螺栓緊固安裝，開(kāi)展完振動(dòng)試驗(yàn)后中間底部的螺栓松動(dòng)。進(jìn)一步采用限位密封結(jié)構(gòu)的方式進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)，使用M8不銹鋼螺栓緊固安裝，螺栓無(wú)扭矩衰減和松脫現(xiàn)象?？梢源_定模塊螺栓松動(dòng)主要由扭矩衰減過(guò)大引起。后續(xù)關(guān)鍵部件應(yīng)避免使用非限位的密封結(jié)構(gòu)，如果采用非限位密封結(jié)構(gòu)，則必須要確保扭矩衰減后還能滿(mǎn)足使用要求。

3）基于VDI2230對(duì)螺栓緊固進(jìn)行可靠性校核在電動(dòng)輪礦用車(chē)變流器上是可行的。