舒同太

(智滬鐵路設(shè)備有限公司，201812，上海∥高級(jí)工程師)

0 引言

2020年6月20日，南寧鐵路局集團(tuán)公司南寧動(dòng)車所在對(duì)某組動(dòng)車組進(jìn)行一級(jí)修作業(yè)時(shí)，發(fā)現(xiàn)00 車2位軸箱前蓋電線支架用手可輕微晃動(dòng)，但檢查安裝螺栓防松標(biāo)記未錯(cuò)位；使用160 N·m的扭矩(為目標(biāo)緊固力矩200 N·m的 80%)對(duì)全列28顆軸箱前蓋電線支架安裝螺栓(螺栓規(guī)格為M20 mm×105 mm)校核發(fā)現(xiàn)，均存在轉(zhuǎn)動(dòng)10°～30°的扭矩衰減情況。對(duì)此，中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司機(jī)輛部立即通報(bào)全路停用了電動(dòng)伺服智能扭矩扳手。為充分了解CRH6型動(dòng)車組(以下簡(jiǎn)稱“CRH6型車”)輪對(duì)軸箱前蓋螺栓組裝使用電動(dòng)伺服智能扭矩扳手?jǐn)Q緊的可靠性，2020年8月1日至8月31日組織抽查復(fù)核了金山鐵路運(yùn)用的CRH6型車2組輪對(duì)軸箱部件的組裝螺栓扭矩衰減情況。扭矩復(fù)核使用數(shù)顯式手動(dòng)咔噠扳手，復(fù)核扭矩的合格標(biāo)準(zhǔn)為目標(biāo)扭矩值的80%。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，CRH6型2組車復(fù)核的768顆輪對(duì)軸箱部件螺栓中有264顆螺栓防松標(biāo)識(shí)錯(cuò)位，占復(fù)核螺栓總數(shù)的34.38%。涉及復(fù)核的所有車組，均為軸箱前蓋螺栓。目標(biāo)扭矩為120 N·m，其中帶電線支架的前蓋螺栓松動(dòng)比例較大。

為解決這一問題，本文以金山鐵路CRH6型車的輪對(duì)軸箱前蓋螺栓(帶電線支架和不帶電線支架)為研究對(duì)象，通過研究使用電動(dòng)伺服智能扭矩扳手對(duì)CRH6型車軸箱前蓋螺栓實(shí)施擰緊作業(yè)，分析不同工況擰緊作業(yè)后螺栓扭矩衰減的差異，以及擰緊速度、復(fù)擰工序和停頓間隔等方面因素對(duì)螺栓扭矩衰減的影響；明確CRH6型車軸箱前蓋螺栓擰緊方法標(biāo)準(zhǔn)，以及其它不同規(guī)格螺栓及安裝位置擰緊方法，以確保動(dòng)車組檢修投入運(yùn)用后輪對(duì)軸箱部件緊固螺栓的可靠性，消除動(dòng)車組運(yùn)用中輪對(duì)軸箱部件螺栓扭矩衰減的安全隱患。

1 研究對(duì)象

1.1 研究車型及部件類型

選擇檢修投入運(yùn)用后發(fā)生扭矩衰減的CRH6型軸箱前蓋螺栓組裝，其檢測(cè)范圍見表1。

表1 CRH6型車軸箱前蓋檢測(cè)范圍

1.2 CRH6型車軸箱前蓋螺栓安裝環(huán)境

CRH6型車軸箱前蓋螺栓規(guī)格有M16 mm×55 mm和M16 mm×105 mm兩種，其目標(biāo)扭矩均為120 N·m，強(qiáng)度等級(jí)均為10.9，螺栓材質(zhì)為碳鋼，連接方式為盲孔，連接頭形式為六角頭，連接件材質(zhì)為鋁合金或鋁合金與鑄鐵組合，墊片形式為平墊+彈墊，部件接觸面為油漆面，螺栓頭支撐面為加工面，輔料為Molykote1000。

1.3 CRH6型車軸箱前蓋螺栓規(guī)格和安裝扭矩

根據(jù)CRH6型車的輪對(duì)軸箱前蓋螺栓扭矩衰減程度進(jìn)行分階段測(cè)試研究，并將研究范圍按螺栓規(guī)格、安裝螺栓位置和扭矩進(jìn)行歸類，見表2。

表2 CRH6型車軸箱前蓋螺栓的規(guī)格、扭矩和安裝位置

2 工具選擇及合格標(biāo)準(zhǔn)

2.1 工具選擇

2.1.1 擰緊工具

對(duì)擰緊工具進(jìn)行安裝精度檢測(cè)，并計(jì)算其誤差百分比，從而選擇符合條件的電動(dòng)伺服智能扭矩扳手及手動(dòng)擰緊工具。測(cè)試方法為使用兩種工具分別在測(cè)試工裝上對(duì)每個(gè)目標(biāo)扭矩?cái)Q緊20次，記錄其作業(yè)扭矩及誤差百分比，從中選擇誤差百分比不超過±6%的工具作為測(cè)試工具。

2.1.2 校核工具

為避免檢測(cè)過程中因扭矩過大而造成螺栓或工具損壞，特采用數(shù)顯式手動(dòng)咔噠扳手進(jìn)行校核。

2.2 擰緊方法及合格標(biāo)準(zhǔn)

2.2.1 螺栓擰緊作業(yè)順序

使用扭矩扳手?jǐn)Q緊螺栓的基本步驟如下：

1)對(duì)角預(yù)緊。將待裝配件定位后，手動(dòng)將螺栓旋入2圈，檢查有無螺紋錯(cuò)扣，然后使用手動(dòng)棘輪扳手按對(duì)角順序擰緊到貼合位置，對(duì)角擰緊順序見圖1。

2)對(duì)角擰緊。按對(duì)角擰緊方式和圖1中的對(duì)角擰緊順序進(jìn)行擰緊。

3)對(duì)角復(fù)擰。按對(duì)角擰緊方式和圖1中的對(duì)角擰緊順序進(jìn)行復(fù)擰。

圖1 螺栓安裝的對(duì)角擰緊順序

2.2.2 作業(yè)合格標(biāo)準(zhǔn)

在使用扭矩扳手進(jìn)行擰緊時(shí)，以目標(biāo)扭矩值×(1±6%)為合格范圍。

2.3 校核方法及合格標(biāo)準(zhǔn)

2.3.1 扭矩衰減校核方法

1)校核流程。在按規(guī)范要求安裝完成后對(duì)螺栓做防松標(biāo)記；靜置一段時(shí)間后，使用數(shù)顯式手動(dòng)咔噠扳手按100%目標(biāo)扭矩值(設(shè)定扳手扭矩比例i=100%)進(jìn)行校核，觀察防松標(biāo)記是否錯(cuò)位。結(jié)合作業(yè)順序，對(duì)所有螺栓均按此流程校核。

2)操作要求。在進(jìn)行螺栓扭矩校核時(shí)，應(yīng)按要求進(jìn)行操作，保持扳手與螺栓方向垂直，并平穩(wěn)施加扭矩；在接近目標(biāo)扭矩時(shí)，需緩慢擰緊直至聽到扳手發(fā)出聲響。

3)記錄要求。校核時(shí)應(yīng)進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄；校核后，對(duì)發(fā)現(xiàn)防松標(biāo)識(shí)錯(cuò)位的拍照存檔，并記錄所屬車組號(hào)及軸端號(hào)。

2.3.2 校核合格標(biāo)準(zhǔn)

在8副輪對(duì)上進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證。若測(cè)試合格率達(dá)100%，則該擰緊方法的場(chǎng)內(nèi)測(cè)試合格。

3 測(cè)試方法及設(shè)計(jì)思路

3.1 擰緊螺栓速度的影響[1]

選取不同規(guī)格螺栓進(jìn)行擰緊，驗(yàn)證其擰緊速度對(duì)扭矩衰減的影響。分快速和慢速2種作業(yè)模式，擰緊螺栓后按照合格標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行扭矩衰減檢查和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，驗(yàn)證其是否達(dá)到扭矩合格標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)比試驗(yàn)設(shè)計(jì)如下：① 電動(dòng)伺服智能扭矩扳手采用較高轉(zhuǎn)速對(duì)角擰緊，各步之間無停頓；② 電動(dòng)伺服智能扭矩扳手采用較低轉(zhuǎn)速對(duì)角擰緊，各步之間無停頓。

快速模式：例如，第一步，設(shè)置0～25%目標(biāo)扭矩值，轉(zhuǎn)速為180 r/min；第二步，設(shè)置25%～100%目標(biāo)扭矩值，轉(zhuǎn)速為54 r/min。

慢速模式：例如，第一步，設(shè)置0～50%目標(biāo)扭矩值，轉(zhuǎn)速為20～60 r/min；第二步，設(shè)置50%～90%目標(biāo)扭矩值，轉(zhuǎn)速為5～10 r/min；第三步，設(shè)置90%～100%目標(biāo)扭矩值，轉(zhuǎn)速為1～2 r/min。

3.2 停頓間隔的影響

選取不同規(guī)格螺栓進(jìn)行擰緊停頓間隔影響的驗(yàn)證，設(shè)置相同擰緊速度，分無停頓、有停頓兩種作業(yè)模式，擰緊后按照合格標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行扭矩衰減檢查和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，驗(yàn)證是否達(dá)到扭矩合格標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)比試驗(yàn)設(shè)計(jì)如下：

1)采用多段擰緊法進(jìn)行擰緊，各段之間無停頓。例如：第一步，設(shè)置0～50%目標(biāo)扭矩值，轉(zhuǎn)速為20～60 r/min；第二步，設(shè)置50%～90%目標(biāo)扭矩值，轉(zhuǎn)速為5～10 r/min；第三步，設(shè)置90%～100%目標(biāo)扭矩值，轉(zhuǎn)速為1～2 r/min。

2)采用多段擰緊法進(jìn)行擰緊，各段之間增加200 ms停頓。例如：第一步，設(shè)置0～50%目標(biāo)扭矩值，轉(zhuǎn)速為20～60 r/min，該段結(jié)束后停頓200 ms；第二步，設(shè)置50%～90%目標(biāo)扭矩值，轉(zhuǎn)速為5～10 r/min，該段結(jié)束后停頓200 ms；第三步，設(shè)置90%～100%目標(biāo)扭矩值，轉(zhuǎn)速為1～2 r/min。

3.3 復(fù)擰的影響

選取不同規(guī)格螺栓進(jìn)行擰緊復(fù)擰工序驗(yàn)證，設(shè)置相同擰緊速度，分無復(fù)擰、有復(fù)擰兩種作業(yè)模式，擰緊后按照合格標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行扭矩衰減檢查和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，驗(yàn)證是否達(dá)到扭矩合格標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)比試驗(yàn)設(shè)計(jì)如下：

1)采用多段擰緊法進(jìn)行擰緊，對(duì)角擰緊后結(jié)束作業(yè)。例如：第一步，設(shè)置0～50%目標(biāo)扭矩值，轉(zhuǎn)速為20～60 r/min；第二步，設(shè)置50%～90%目標(biāo)扭矩值，轉(zhuǎn)速為5～10 r/min；第三步，設(shè)置90%～100%目標(biāo)扭矩值，轉(zhuǎn)速為1～2 r/min。

2)采用多段擰緊法進(jìn)行擰緊，對(duì)角擰緊后進(jìn)行復(fù)擰作業(yè)。例如：第一步，設(shè)置0～50%目標(biāo)扭矩值，轉(zhuǎn)速為20～60 r/min；第二步，設(shè)置50%～90%目標(biāo)扭矩值，轉(zhuǎn)速為5～10 r/min；第三步，設(shè)置90%～100%目標(biāo)扭矩值，轉(zhuǎn)速為1～2 r/min。擰緊結(jié)束后，重新進(jìn)行對(duì)角復(fù)擰。

4 CRH6型車的輪對(duì)軸箱前蓋螺栓擰緊方法

對(duì)CRH6型車的輪對(duì)軸箱前蓋螺栓制定個(gè)性化擰緊方法和作業(yè)方式：① 通過調(diào)整螺栓擰緊時(shí)的停頓間隔、速度等影響因素來優(yōu)化擰緊方法，在螺栓擰緊至扭矩目標(biāo)值并增加其保持時(shí)間；② 保留電動(dòng)伺服智能扭矩扳手?jǐn)Q緊后的數(shù)顯式手動(dòng)咔噠扳手復(fù)擰工序。

綜合考慮不同工況下的影響因素，通過調(diào)整螺栓擰緊的停頓間隔和速度等方式制定不同的擰緊方法(見表3)，并驗(yàn)證其擰緊效果。

表3 CRH6型車的輪對(duì)軸箱前蓋螺栓擰緊方法

5 擰緊方法的測(cè)試

根據(jù)設(shè)計(jì)方案，對(duì)電動(dòng)伺服智能扭矩扳手?jǐn)Q緊的影響因素和CRH6型車的輪對(duì)軸箱前蓋螺栓擰緊方法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試驗(yàn)證。本測(cè)試將普通前蓋螺栓(不帶電線支架，M16 mm×55 mm)定義為測(cè)試類型1，前蓋正下方2顆螺栓(帶電線支架，AG37前蓋，AG43前蓋，接地前蓋，M16 mm×105 mm)定義為測(cè)試類型2，前蓋正上方4顆螺栓(帶電線支架，AG37前蓋，AG43前蓋，接地前蓋，M16 mm×180 mm)定義為測(cè)試類型3。按照測(cè)試方法操作，用合格標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢測(cè)，并將測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總整理，以判定擰緊方法是否合格。需要注意的是扭矩檢測(cè)應(yīng)在前次擰緊停頓5 min后進(jìn)行。

5.1 兩步快速擰緊法的測(cè)試

兩步快速擰緊法可快速完成多顆螺栓作業(yè)，但擰緊后復(fù)核出多顆螺栓松動(dòng)，防松標(biāo)記錯(cuò)位明顯。螺栓松動(dòng)的扭矩均處于80%～90%的目標(biāo)扭矩值之間，如表4所示。

表4 兩步快速擰緊法前蓋螺栓測(cè)試結(jié)果

5.2 兩步快速?gòu)?fù)擰法

兩步快速?gòu)?fù)擰法增加了螺栓的復(fù)擰工序，部分螺栓在90%目標(biāo)扭矩值檢測(cè)時(shí)未出現(xiàn)松動(dòng)情況，扭矩衰減有明顯改善，如表5所示。

表5 兩步快速?gòu)?fù)擰法前蓋螺栓測(cè)試結(jié)果

5.3 三步慢速?gòu)?fù)擰法

三步慢速擰緊法大幅降低螺栓擰緊速度，且增加了扭矩分段步驟設(shè)置，可在擰緊過程中增加螺栓轉(zhuǎn)動(dòng)的穩(wěn)定性；增加步驟間的間隔時(shí)間和復(fù)擰，可以釋放擰緊過程的彈性應(yīng)變，經(jīng)螺栓檢測(cè)可知松動(dòng)效果極大地減少了，如表6所示。

表6 三步慢速?gòu)?fù)擰法前蓋螺栓測(cè)試結(jié)果

5.4 四步慢速停頓復(fù)擰法

該方法增加了扭矩分段步驟設(shè)置和停頓間隔次數(shù)，更大程度上釋放了擰緊過程中的彈性應(yīng)變，最終測(cè)試結(jié)果均達(dá)到合格標(biāo)準(zhǔn)。

軸箱前蓋目標(biāo)扭矩為120 N·m、螺栓規(guī)格為M16 mm×55 mm、M16 mm×105 mm和M16 mm×180 mm，均使用彈墊+平墊方式緊固安裝；經(jīng)測(cè)試驗(yàn)證，按規(guī)范要求安裝完成后對(duì)螺栓做防松標(biāo)記，靜置一段時(shí)間后使用數(shù)顯式手動(dòng)咔噠扳手按100%目標(biāo)扭矩進(jìn)行檢測(cè)，防松標(biāo)記無錯(cuò)位。測(cè)試結(jié)果如表7所示。

表7 四步慢速停頓復(fù)擰法前蓋螺栓測(cè)試結(jié)果

6 結(jié)語

經(jīng)對(duì)CRH6車的動(dòng)輪、拖輪各8副輪對(duì)進(jìn)行實(shí)物測(cè)試，結(jié)果表明：電動(dòng)伺服智能扭矩扳手?jǐn)Q緊速度對(duì)扭矩衰減有明顯的影響，慢速擰緊效果較好[2]；螺栓擰緊過程中的復(fù)擰工序和增加停頓間隔對(duì)扭矩衰減有明顯的改進(jìn)。

通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試驗(yàn)證，電動(dòng)伺服智能扭矩扳手使用“四步慢速停頓復(fù)擰法”，通過調(diào)整擰緊速度、增加停頓間隔和采用復(fù)擰工序，可有效解決螺栓扭矩衰減情況，能夠保證CRH6型車的輪對(duì)軸箱前蓋裝配質(zhì)量要求。

“四步慢速停頓復(fù)擰法”從2021年6月開始應(yīng)用到各型動(dòng)車組輪對(duì)軸箱螺栓組裝過程中，使得輪對(duì)軸箱組裝由原來的24副/d增加到32副/d，產(chǎn)能提高了33.3%；輪對(duì)軸箱組裝人員由原來的40人減為32人，人工成本節(jié)約160萬元/年。到目前為止動(dòng)車組輪對(duì)軸箱組裝螺栓運(yùn)行安全可靠，未出現(xiàn)扭矩衰減的情況。