智能扭矩監管系統的研究及應用

張　宏　中國鐵路上海局集團有限公司南京動車段

隨著我國高鐵動車快速發展，檢修工作量爆發式增長，對質量管理提出了新的挑戰。螺紋緊固件作為生產組裝關鍵部件之一，其緊固、防松一直是日常檢修的重點內容。在動車組的檢修維護中，防止配件脫落一直是重中之重。尤其是日常拆裝作業量較大的軸端緊固螺栓，防控壓力極大。

在動車所一、二級修中，螺栓拆裝作業量非常大，維修中有大量拆裝作業，如空心車軸探傷，每列車（標準組）探傷一次拆裝螺栓數量在1000個以上。

現場作業普遍采用機械聲響式扭矩扳手，在實際操作層面，存在幾方面問題：

（1）數據記錄不能反映扭矩真實值。以 CRH3型動車組的FAG軸端蓋為例，要求螺栓扭矩為100N·m。真實情況應該類似99、102、98、99.5……但因為聲響式扳手無法實時顯示扭矩大小，所有的數據記錄全是100N·m，不能反映真實值。

（2）存在扭矩快打現象。如前所說，校驗扳手時雖然合格，但在操作中往往速度過快，這使得螺栓扭矩普遍偏大。

（3）對扭矩偏大沒有有效的甄別辦法。當扭矩偏小時，可通過聲響式扳手檢查出來并擰緊。當扭矩偏大時，無法通過聲響式扳手甄別。而現場恰恰存在普遍的扭矩快打現象，甚至部分作業人員認為扭矩大一點更安全，導致扭矩過大很常見。

（4）對扭矩無法實現實時、有效的監管。以軸端為例，在進行螺栓緊固過程中，往往對整列車全部組裝完成后才開始填報作業記錄單，領導層不能及時發現問題。

（5）存在漏打、錯打的可能。目前數據記錄全為手動記錄，且初次擰緊后漏打不易被發現，存在漏打、錯打的風險。由于軸端、裙底板種類較多，易出現人為失誤。

目前，動車運用所普遍采用的是聲響扭矩扳手，在開工前采用扭矩儀對扭矩扳手進行校驗。經測試發現，采用不同的模式時，檢測結果相差很大，無法有效卡控。然而，應用智能扭矩監管系統，使用精密扭矩緊固，高精角度卡控，對螺栓緊固過程進行精準控制，解決螺栓擰過緊或過松、重復擰緊等問題，同時對螺栓緊固過程進行記錄，對相關信息、數據進行管理和分析，提出必要卡控措施，從而保證螺栓緊固到位。

1 機理分析

1.1 實際扭矩值和目標值

目前在校驗儀上普遍采用的是普通手用扳手模式，此時校驗儀只采集第一個峰值，所以無論擰緊速度快或慢，只要扳手咔噠響了就表示扭矩值符合要求。采用數字扳手模式時，此時校驗儀采集整個擰緊過程中的峰值遠高于目標值。該峰值是在擰緊過程中，扳手響時，未能立刻停止，在慣性作用下，扭矩在較短時間內上升，產生了瞬時沖擊。而在實際擰緊過程中，最終施加在螺栓上的力矩，是全過程的峰值，比目標值大的多。

圖1 校驗結果

為此，對手用扳手實際擰緊過程進行了驗證，我們分別對23N·m、34N·m、45N·m 三種規格固定扭矩扳手進行校驗，如圖1所示，扭矩峰值高于目標值的平均值分別為：6.23N·m、9.59N·m、8.35N·m，經過手動扭矩扳手緊固的螺栓的實際扭矩值超過目標值約18%～28%。

1.2 動態扭矩和靜態扭矩

動態扭矩是指在擰緊的時候，檢測儀所測出的峰值；靜態扭矩是指在擰緊完成后，用分析扳手對螺栓進行二次擰緊，螺栓再次轉動時的扭矩值。

在真實螺栓上進行測試，以觀察在真實擰緊過程中動態扭矩值和靜態扭矩值，具體見表1和表2。

表1 目標扭矩為20N·m的情況

表2 目標扭矩為40N·m的情況

如表所示，動態扭矩平均超出目標值 23.9%左右，靜態力矩平均超出目標值31.5%，并且結果很分散，兩次擰緊的結果相差可達 30%，以上數據與在校驗臺上的校驗數據基本一致。

2 測試驗證

2.1 實車測試

在實車上進行驗證，選取CRH3型動車組輪對軸箱裝置安裝螺栓進行測試，一是對D型普通軸端蓋（螺栓加平墊片）安裝螺栓進行驗證，使用智能扳手對螺栓進行擰緊后（扭矩目標值23N·m），再使用聲響式扳手進行復核，螺栓有少許轉動，轉動角度在5°～10°。二是對B型接地端蓋，使用智能扳手進行擰緊后，目標值扭矩值有34N·m（適配器，螺栓加平墊片）、45N·m（摩擦盤，螺栓加平墊片）、23N·m（外端蓋螺栓，帶接地裝置，螺栓加彈簧墊片），使用機械聲響式扳手進行復核，螺栓再次被擰緊，轉角角度分別為 0°～3°，10°～20°，25°～30°，甚至30°以上。

從上述試驗可以看出，一是緊固扭矩越小，使用聲響式扳手復核時，螺栓轉動角度越大。因作業者每次緊固螺栓時的速度、沖擊力矩基本一致，（在扭力校驗臺上進行試驗，45N·m的最終沖擊力矩約53N·m，沖擊力矩比標準高8N·m，而23N·m的最終沖擊力矩約30N·m，沖擊力比標準高7N·m左右），在相同沖擊力條件下，小扭矩螺栓螺桿更容易被拉伸，導致小扭矩螺栓復核時轉動角要大。二是接地裝置端蓋相對于普通端蓋的相同扭矩螺栓的復核轉動角要大。接地裝置端蓋內的接地碳刷彈簧力，端蓋螺栓彈簧墊片的彈簧力對螺栓緊固存在反作用力，而普通端蓋僅平墊圈，二者在相同的預緊力、緊固力矩下前者因碳刷彈簧及螺栓的彈簧墊片兩個彈簧對螺栓螺紋施加了反作用力，而導致彈簧墊片未壓縮到位，在固定扳手沖擊力矩作業下，碳刷彈簧及螺栓的彈簧墊片進一步壓縮，螺栓行程及轉動角度加大，比普通螺栓單純拉伸螺栓螺桿的行程和轉動角度要大的多。

這說明在實際擰緊過程中，實際扭矩值的大小依賴作業手法，無法有效卡控。當然，具體偏差的多少取決于螺紋形式、材料的軟硬、螺紋質量和健康狀態、公差配合、潤滑情況、作業者手法、使用的工具等復雜因素。但在螺栓擰緊過程中，螺栓故障主要體現在松動和失效，螺栓松動是因扭矩過小，螺栓失效是因為扭矩過大引起的。在螺栓緊固過程中，軸向力應處于螺栓彈性區域，一般為屈服強度的 50%～85%之間，軸向力偏小易松動、軸向力偏大則易產生螺栓失效。 如果擰緊時扭力過大，在低摩擦力狀態下，夾緊力可超過屈服應力極限，造成螺栓損壞；反之，也可能達不到預緊力，出現螺栓松動。因此，將扭矩控制在合格區間內是螺栓安全緊固的最低要求，過大或過小都會增大故障概率。

2.2 另一種驗證

使用一種脫跳式扳手用于復核，該扳手在達到設定扭矩時，自動脫跳，脫跳轉角在90°以上，有效防止慣性帶來的額外扭矩沖擊，可防扭矩過載。以下為在脫跳式扳手在扭矩扳手校驗平臺上進行校驗的數值。扭矩扳手校驗平臺所采用的扭矩測試儀參數如下：量程：10N·m～100N·m，精度：±0.1%。具體數據見表3、表4和表5。

表3 23N·m脫跳式扭矩扳手校驗表（手持）

表4 34N·m脫跳式扭矩扳手校驗表（手持）

表5 45Nom脫跳式扭矩扳手校驗表（手持）

表6 扭矩測試結果表

23N·m、34N·m和45N·m脫跳式扭矩扳手各扭矩曲線如圖2、圖3和圖4所示（分別選取典型數據截圖）。

圖2 23N·m脫跳式扭矩扳手校驗（手持）

圖3 34N·m脫跳式扭矩扳手校驗（手持）

圖4 45N·m脫跳式扭矩扳手校驗（手持）

扭矩測試值分析。選取 23N·m、34N·m、45N·m三種規格脫跳式扭矩扳手最大值、最小值及平均值進行精度分析，具體見表6。

3 智能扭矩監管系統的設計及在CRH3型動車組空心軸軸端部件安裝上的應用

3.1 設計背景

在動車運用所的動車組空心車軸存在5種不同類型的軸端，軸端部件和安裝程序相對固定。為了卡控裝配質量，促進作業標準化，結合南京南動車運用所的車型配屬情況，研發定制針對軸端部件安裝智能扭矩監管系統。

通過仔細分析空心車軸軸端部件安裝工藝文件，初步制定以下方案：采用移動式智能控制小車的方式實現工具存放及過程引導，涵蓋軸端部件拆裝的所有步驟，實現扭矩精確控制、記錄作業數據以及實時存儲功能。

3.2 設計目標

該智能扭矩監管系統目標有：（1）作業人員身份識別，可以為不同管理層設置不同的管理權限；（2）真實記錄每一個扭矩值，確保安裝扭矩完全在合格范圍之內，并將所有安裝力矩、作業人員、作業時間、零件信息電子存檔，以備數據追溯；（3）實時糾正現場不規范操作，出現不合格情況實時聲光警示，彌補了以往只能事后追責但不能事前預警的缺陷，同時指標量化、數據明確，有效輔助操作人員提高作業質量，增強作業一致性和標準化；（4）對不同部位設置不同的擰緊標準，將擰緊次數和扭矩值與標準值進行比對，有效規避了漏打、扭矩錯打的情況；（5）扳手無線接收電腦發送的扭矩值信息，并智能調整作業扳手扭矩大小；（6）具有扭矩工具擴展模塊，兼容其它車型檢修時，可進行工具配置的靈活調整。

3.3 設計方案

3.3.1 總體方案（見圖5）

設置扭矩操作模塊、身份識別模塊、無線通訊模塊、服務器、扭矩分析管理軟件模塊，各模塊實現功能設計方案見圖5。3.3.2樣機制作

圖5 各模塊實現功能設計方案

將扭矩操作模塊、身份識別模塊、無線通訊模塊、扭矩分析管理軟件布置與移動式扭矩監管操作小車上，方便對現場作業進行實時操作和監管。

3.3.3 網絡架構及功能（見圖6）3.3.4軟件設計

圖6 網絡構架圖

系統的軟件部分主要包括：后臺管理客戶端、扭矩工作站客戶端、網頁客戶端三個模塊（見圖7）。

圖7 軟件系統構架

（1）后臺管理客戶端包含三部分信息維護：

①基礎信息維護：用戶信息維護、系統設置、職務設置、部門設置、角色設置。

②通用基礎信息維護：基礎車型信息維護、車間-工作站信息維護、工作站-扳手配置維護、螺栓規格信息維護、套筒類型配置維護、工藝文件維護。

③作業方案信息配置：零部件信息維護、組裝類型信息維護、組裝方案信息維護。

（2）扭矩工作站客戶端包含：作業任務接收、螺栓擰緊控制、實時作業反饋、安裝結果查看和提交等。

（3）網頁客戶端包含：作業任務信息統計、作業結果統計與查詢等功能。

3.4 軟件界面

具體見圖8和圖9。

圖8 作業界面

圖9 作業界面

3.5 軸端部件安裝效果（圖10、圖11）

圖10 擰緊螺栓　

圖11 擰緊狀態

3.6 扳手日常校驗方案

扳手校驗規定。根據電動扳手出廠設定，扳手的按鍵使用達到25萬次后，一般為半年，需要對扳手的準確度進行校驗。

4 結束語

智能扭矩監管系統具有測量精確，穩定可靠等優點，可以實現動車組上螺栓的最佳緊固，從而使螺栓緊固得到有效控制。后期可將該系統進行推廣，使其廣泛應用于動車組的日常檢修維護。