王守兵,黃明高,黃欣,汪林峰
(中車株洲電力機(jī)車有限公司,湖南株洲 412001)
以電力機(jī)車、城軌車輛、高鐵為代表的軌道交通裝備作為一種大型復(fù)雜的機(jī)電產(chǎn)品,在其結(jié)構(gòu)上大量使用了螺栓連接形式,用于很多傳遞載荷的關(guān)鍵部位。因此螺栓連接的可靠性直接影響著產(chǎn)品質(zhì)量,螺栓連接結(jié)構(gòu)中螺栓的安裝預(yù)緊力是最核心的參數(shù)[1]。本文通過(guò)理論分析、試驗(yàn)測(cè)試、統(tǒng)計(jì)分析等方式研究了軌道交通車輛螺栓安裝預(yù)緊力散差的主要影響因素及控制措施,為提高螺栓連接結(jié)構(gòu)的可靠性提出可行的解決方案。
近年來(lái)各個(gè)行業(yè)都非常重視對(duì)螺栓預(yù)緊力的研究,如汽車發(fā)動(dòng)機(jī)螺栓、航空發(fā)動(dòng)機(jī)螺栓、風(fēng)電塔筒螺栓、高鐵制動(dòng)盤螺栓,給我們提供較為豐富的參考依據(jù)。與汽車、航空行業(yè)相比,軌道交通車輛中所使用的緊固件規(guī)格普遍較大,主要分布在M6~M36范圍內(nèi),一般規(guī)格越大,風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)越高。主要使用高強(qiáng)度等級(jí)的碳鋼和不銹鋼材質(zhì)緊固件,緊固件常用涂層為鍍鋅和達(dá)克羅。被連接件一般為碳鋼、鋁合金、不銹鋼等金屬材料(個(gè)別被連接件是非金屬材料)。常用的防松措施有墊圈結(jié)構(gòu)防松、有效力矩型螺母防松、機(jī)械防松等。常用的工具有預(yù)置式機(jī)械轉(zhuǎn)矩扳手、液壓轉(zhuǎn)矩扳手、電動(dòng)轉(zhuǎn)矩扳手、智能數(shù)顯轉(zhuǎn)矩角度扳手、智能擰緊機(jī)等。螺栓擰緊工藝以轉(zhuǎn)矩法為主,個(gè)別位置采用轉(zhuǎn)矩角度法。同時(shí)軌道交通車輛行業(yè)一個(gè)主要特點(diǎn)是以小批量定制化生產(chǎn)模式為主。
螺栓預(yù)緊力的重要性不言而喻,但在實(shí)際安裝時(shí)卻很難測(cè)量螺栓的預(yù)緊力。近年來(lái)超聲波測(cè)應(yīng)力技術(shù)在螺栓預(yù)緊力測(cè)試上已趨于成熟并廣泛應(yīng)用,給螺栓預(yù)緊力的分析帶來(lái)了極大的便利。但也還具有很大的局限性,例如:超聲波測(cè)試精度受溫度影響較大,只能測(cè)量軸向應(yīng)力,無(wú)法測(cè)量扭轉(zhuǎn)應(yīng)力,且需要對(duì)螺栓進(jìn)行加工貼片等預(yù)處理。
因緊固件和被連接件摩擦因數(shù)、幾何尺寸、材質(zhì)、工具精度、工人操作方法、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境等因素影響,螺栓安裝后的預(yù)緊力會(huì)有一定的偏差,導(dǎo)致連接結(jié)構(gòu)力學(xué)性能產(chǎn)生分散性。經(jīng)過(guò)大量測(cè)試及理論分析,航空發(fā)動(dòng)機(jī)止口螺栓安裝后的預(yù)緊力散差約為±30%[2],汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋螺栓預(yù)緊力散差約為±35%[3],某型號(hào)高鐵制動(dòng)盤螺栓預(yù)緊力散差約為±24%[4]。我們采用超聲波螺栓軸力測(cè)試技術(shù)對(duì)軌道交通車輛的部分位置進(jìn)行了螺栓安裝預(yù)緊力現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試,測(cè)試結(jié)果如表1所示。
表1 部分螺栓安裝位置預(yù)緊力測(cè)試結(jié)果
根據(jù)德國(guó)工程師協(xié)會(huì)《VDI2230高強(qiáng)度螺栓連接的系統(tǒng)計(jì)算》設(shè)計(jì)導(dǎo)則[5]可知,最大預(yù)緊力FMmax與最小預(yù)緊力FMmin的精度表現(xiàn)在擰緊系數(shù)αA上:
擰緊系數(shù)與預(yù)緊力精度的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2所示。從長(zhǎng)期的大批量測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)看,螺栓預(yù)緊力存在±20%散差是普遍存在的情況,螺栓連接本身所能夠承受的軸力范圍也比較寬,有一定的軸力散差是可以接受的。但在特定的應(yīng)用場(chǎng)景中,或者一組螺栓中(如制動(dòng)盤)軸力存在較大散差對(duì)于結(jié)構(gòu)是不利的,應(yīng)分析原因并減少散差。
表2 擰緊系數(shù)與預(yù)緊力精度的關(guān)系
為了分析預(yù)緊力精度的影響因素,對(duì)擰緊工具、擰緊速度、擰緊工藝、緊固件及被連接件摩擦因數(shù)等因素開(kāi)展單一變量對(duì)比測(cè)試。試驗(yàn)選取規(guī)格為M12、強(qiáng)度等級(jí)為8.8級(jí)的鍍鋅層螺栓。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)使用軸力傳感器、轉(zhuǎn)矩傳感器和機(jī)械扳手(達(dá)威力預(yù)置式扭力扳手、轉(zhuǎn)矩精度為±4%)、數(shù)顯扳手(Kistler數(shù)顯轉(zhuǎn)矩角度扳手、轉(zhuǎn)矩精度為±1%)、擰緊軸(Atlas電動(dòng)擰緊軸,轉(zhuǎn)矩精度為±1%)對(duì)試驗(yàn)樣件進(jìn)行模擬裝配試驗(yàn),如圖1所示。試驗(yàn)條件及分組情況如表3所示,共開(kāi)展11組對(duì)比測(cè)試,測(cè)試結(jié)果如表4所示。
圖1 模擬裝配試驗(yàn)
表3 試驗(yàn)條件及測(cè)試分組
表4 測(cè)試結(jié)果
測(cè)試結(jié)果分析如下:
1)第1組(無(wú)潤(rùn)滑)的預(yù)緊力平均值為15.8 kN、散差為±13.6%,第2組(對(duì)螺紋和支撐面涂抹潤(rùn)滑劑)的預(yù)緊力平均值為39.6 kN、散差為±7.2%,說(shuō)明摩擦因數(shù)對(duì)軸力散差影響較大。第1組軸力散差的±13.6%中約一半的散差是由摩擦因數(shù)散差引起的。同時(shí)使用潤(rùn)滑脂摩擦因數(shù)大幅降低,軸力會(huì)大幅增加。因此后續(xù)測(cè)試均對(duì)螺紋和支撐面涂抹潤(rùn)滑劑,盡量排除摩擦因數(shù)散差的影響。
2)第2組(正常速度擰緊)的平均轉(zhuǎn)矩為70.3 N·m、散差為±3%、平均預(yù)緊力為39.6 kN,第5組(快速擰緊)的平均轉(zhuǎn)矩為75.4 N·m、散差為+1%~+20%,平均預(yù)緊力43.0 kN,說(shuō)明手動(dòng)擰緊時(shí)擰緊速度對(duì)轉(zhuǎn)矩和預(yù)緊力的影響較大,快速擰緊螺栓比均勻慢速擰緊螺栓的預(yù)緊力平均增大10%,因此在手動(dòng)擰緊時(shí),擰緊速度過(guò)大會(huì)導(dǎo)致過(guò)沖,現(xiàn)場(chǎng)操作的規(guī)范性也是導(dǎo)致預(yù)緊力散差大的主要因素。
3)第6組(數(shù)顯扳手)的平均轉(zhuǎn)矩為70.5 N·m、散差為-1%~+2%,平均預(yù)緊力為42.5 kN,散差為±7.1%。與第2組相比,手動(dòng)擰緊時(shí),數(shù)顯扳手的轉(zhuǎn)矩精度比機(jī)械扳手的轉(zhuǎn)矩精度略高,但對(duì)預(yù)緊力散差影響不大。因此,從擰緊結(jié)果來(lái)說(shuō),低成本的機(jī)械扳手與高成本的數(shù)顯轉(zhuǎn)矩角度扳手差異不大,從可追溯性方面來(lái)說(shuō),數(shù)顯扳手聯(lián)網(wǎng)后可以記錄擰緊數(shù)據(jù)(包含擰緊曲線),對(duì)識(shí)別異常擰緊狀態(tài)具有較好的作用。
4)第7組(擰緊軸)的平均轉(zhuǎn)矩為70.8 N·m、散差為0~+1%,平均預(yù)緊力為40.3 kN,散差為±4.9%。與采用機(jī)械扳手的手動(dòng)擰緊(第2組)相比,自動(dòng)擰緊軸緊固的精度更高,結(jié)果更穩(wěn)定,預(yù)緊力精度可達(dá)到±5%以內(nèi)。因此在工序作業(yè)內(nèi)容固定的批量生產(chǎn)中采用自動(dòng)擰緊軸緊固螺栓有利于提升緊固質(zhì)量。
5)對(duì)比第7組、第8組和第9組轉(zhuǎn)矩及預(yù)緊力測(cè)試結(jié)果,這3組的轉(zhuǎn)矩和預(yù)緊力散差非常小,在本次測(cè)試中自動(dòng)擰緊軸的轉(zhuǎn)速在5~20 r/min范圍內(nèi)變化,對(duì)擰緊結(jié)果影響不大,生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)可參照該測(cè)試結(jié)果進(jìn)行速度設(shè)置。
6)分析第8組(轉(zhuǎn)矩法)和第10組(轉(zhuǎn)矩角度法)預(yù)緊力測(cè)試結(jié)果,轉(zhuǎn)矩法安裝后的預(yù)緊力散差為±4.9%,轉(zhuǎn)矩角度法為±2.5%。轉(zhuǎn)矩角度法明顯提高了預(yù)緊力的精度,但需要使用帶角度測(cè)量功能的工具,同時(shí)工藝參數(shù)的選取也更加復(fù)雜,可用于預(yù)緊力精度要求較高的部件安裝中。
7)分析第2組(轉(zhuǎn)矩法)和第3組(擰兩次)轉(zhuǎn)矩和預(yù)緊力測(cè)試結(jié)果,第3組測(cè)試是在第2組的基礎(chǔ)上進(jìn)行再次擰緊的結(jié)果。再次擰緊時(shí)轉(zhuǎn)矩會(huì)增大,但預(yù)緊力的平均值和散差均沒(méi)有明顯變化,因?yàn)槁菟ú⑽丛俅无D(zhuǎn)動(dòng),因此在實(shí)際安裝時(shí)對(duì)螺栓進(jìn)行重復(fù)擰緊一次,對(duì)擰緊結(jié)果影響不大。
8)分析第2組(轉(zhuǎn)矩法)和第4組(拆卸后重新擰緊)轉(zhuǎn)矩和預(yù)緊力測(cè)試結(jié)果,第4組測(cè)試是在第2組的基礎(chǔ)上拆卸后重新擰緊的結(jié)果。預(yù)緊力平均值有所降低、散差明顯增大(由±7%增大到±10.2%),因此,如果再次使用拆卸后的螺栓時(shí),就應(yīng)考慮摩擦因數(shù)變化對(duì)擰緊結(jié)果影響。
9)上述測(cè)試中也給出了擰緊系數(shù)αA的測(cè)試結(jié)果。在使用VDI2230進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí),也可參照測(cè)試結(jié)果在1.2~1.4之間選取,從而得到更加精準(zhǔn)的計(jì)算結(jié)果。
提高螺栓預(yù)緊力的精度應(yīng)從總體上考慮產(chǎn)品的可靠性、方案的可行性和經(jīng)濟(jì)性等因素,沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和流程,應(yīng)該根據(jù)每個(gè)企業(yè)的現(xiàn)狀因地制宜,循序漸進(jìn)地將螺栓預(yù)緊力控制在可接受范圍內(nèi)。
根據(jù)螺栓預(yù)緊力散差分析及測(cè)試結(jié)果,對(duì)于軌道交通行業(yè),目前建議采取以下措施提高螺栓預(yù)緊力精度:1)控制緊固件的一致性。緊固件的表面涂層、生產(chǎn)工藝、材料一致性、尺寸精度、形位公差等因素很大程度上決定著緊固件的摩擦因數(shù)和力學(xué)性能,借鑒汽車、航空等行業(yè)的經(jīng)驗(yàn),對(duì)不同重要等級(jí)的緊固件制定不同的要求,可以在很大程度上提高螺栓預(yù)緊力的精度。2)控制被連接件的一致性。緊固件安裝到產(chǎn)品上,裝配結(jié)果的好壞與被連接件的表面粗糙度、平面度、端面的垂直度、孔的位置度、螺紋孔的質(zhì)量有較大關(guān)系,提高對(duì)被連接件螺栓安裝位置的相關(guān)要求有利于進(jìn)一步提高螺栓預(yù)緊力的精度。3)升級(jí)擰緊工具和擰緊策略。對(duì)于重要位置螺栓使用自動(dòng)擰緊設(shè)備,采用轉(zhuǎn)矩角度法擰緊策略更能夠保證較高的螺栓預(yù)緊力精度。
本文研究了螺栓安裝預(yù)緊力的精度,通過(guò)分析軌道交通裝備螺栓連接特點(diǎn)和其他行業(yè)經(jīng)驗(yàn),采用單一變量試驗(yàn)測(cè)試研究的方式研究了擰緊工具、擰緊速度、擰緊工藝、緊固件及被連接件摩擦因數(shù)等因素對(duì)預(yù)緊力散差的影響,并提出提高螺栓預(yù)緊力精度的幾個(gè)措施,為提升軌道交通行業(yè)螺栓連接質(zhì)量提供了參考依據(jù)。