高速列車電動(dòng)擰緊裝置在線智能檢測(cè)技術(shù)的研究與應(yīng)用

王 言，林永強(qiáng)，周 菁，趙興亮，史路陽(yáng)

（1.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，青島 266111；2.阿米檢測(cè)技術(shù)有限公司，天津 300308）

高速列車產(chǎn)業(yè)是支撐國(guó)家重大戰(zhàn)略實(shí)施和拉動(dòng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支柱產(chǎn)業(yè)。保障高速列車平穩(wěn)運(yùn)行的一個(gè)關(guān)鍵部件就是動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架，其質(zhì)量的優(yōu)劣將直接影響高速列車的運(yùn)行品質(zhì)、動(dòng)力性能和行車安全。由于轉(zhuǎn)向架由構(gòu)架、輪對(duì)軸箱體和制動(dòng)裝置等部分組裝而成，并且大多組裝工藝采用螺栓連接。因此螺栓裝配的擰緊質(zhì)量是影響轉(zhuǎn)向架產(chǎn)品質(zhì)量的重要因素，針對(duì)電動(dòng)擰緊裝置的在線檢測(cè)與質(zhì)量控制也成為生產(chǎn)過(guò)程中必不可少的一環(huán)。

目前國(guó)內(nèi)外電動(dòng)擰緊裝置的校準(zhǔn)方式一般有2種：一種是利用靜態(tài)校準(zhǔn)儀進(jìn)行校準(zhǔn)，另一種則是動(dòng)態(tài)扭矩測(cè)試儀[1]。雖然2種方法都是目前較常用的檢測(cè)方法，但二者都存在一個(gè)最主要的問(wèn)題，即校準(zhǔn)過(guò)程無(wú)法反映生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況的擰緊狀態(tài)。

隨著“十四五”規(guī)劃的開(kāi)展以及企業(yè)數(shù)字化工廠的不斷完善，擰緊工藝及擰緊裝置的復(fù)雜程度和自動(dòng)化程度也逐漸提高，而機(jī)械架構(gòu)使其在一定程度上無(wú)法滿足實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部檢測(cè)要求。因此如何實(shí)現(xiàn)電動(dòng)擰緊裝置的擰緊工藝質(zhì)量的在線檢測(cè)，保證螺栓連接件的擰緊質(zhì)量，保障高速列車運(yùn)行平穩(wěn)、可靠，已成為高速列車產(chǎn)業(yè)技術(shù)的重要研究課題，同時(shí)也是本次研究的主要方向。

1 總體思路

根據(jù)電動(dòng)擰緊裝置的使用現(xiàn)狀，基于擰緊策略及質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)，采用目前先進(jìn)的綜合校驗(yàn)臺(tái)，引入智能螺栓模擬器，集成液壓剎車模塊、便攜式動(dòng)態(tài)傳感器等技術(shù)，輔以綜合測(cè)試分析系統(tǒng)，通過(guò)實(shí)際生產(chǎn)工況模擬、擰緊策略控制和工具綜合管理以及計(jì)算機(jī)輔助裝配（computer aided assembly，CAA）平臺(tái)的系統(tǒng)集成，對(duì)工作數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和分析，對(duì)電動(dòng)擰緊裝置的輸出扭矩和使用狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，基于區(qū)塊化和局域網(wǎng)數(shù)字技術(shù)，完成現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)計(jì)算，滿足各類自動(dòng)化流水線電動(dòng)擰緊裝置在線檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)各擰緊工藝的擰緊質(zhì)量控制，完成“計(jì)量+產(chǎn)業(yè)”結(jié)合，保障高速列車關(guān)鍵部件的質(zhì)量要求，保障高速列車運(yùn)行平穩(wěn)可靠。

2 技術(shù)方案

由于高速列車中螺栓種類復(fù)雜，擰緊工藝也不盡相同。連接件材料的軟硬程度、彈性變化量和扭矩衰減程度的差異是影響擰緊策略的重要因素。同時(shí)螺栓的安裝結(jié)構(gòu)、擰緊步數(shù)和間隔時(shí)間的不同也會(huì)對(duì)扭矩輸出產(chǎn)生一定的影響。因此如何確保扭矩在線檢測(cè)滿足實(shí)際生產(chǎn)工況要求，是本次研究的一個(gè)關(guān)鍵要素。

以轉(zhuǎn)向架組裝為例，裝配過(guò)程大致涉及41種螺栓，其中包含了高速列車五大扭矩?cái)Q緊工藝如表1所示。不同工位的擰緊策略、工作角度各不相同，因此，不僅需要使校準(zhǔn)過(guò)程滿足生產(chǎn)工況要求，還要使傳感器覆蓋各量程區(qū)間，滿足各扭矩、多角度擰緊裝置的在線檢測(cè)。

表1 高速列車五大扭矩?cái)Q緊工藝Tab.1 Five torque tightening techniques for high-speed trains

2.1 在線智能檢測(cè)設(shè)備整體架構(gòu)

在線智能檢測(cè)設(shè)備由綜合校驗(yàn)臺(tái)、便攜式動(dòng)態(tài)傳感器和擴(kuò)展接口等構(gòu)成。其中綜合校驗(yàn)臺(tái)集成智能螺栓模擬器、液壓剎車模塊，可對(duì)實(shí)際生產(chǎn)工況的連接硬度進(jìn)行模擬，使校準(zhǔn)過(guò)程最大程度符合生產(chǎn)工藝要求。同時(shí)，不同于普通的單一扭矩測(cè)量，該設(shè)備可進(jìn)行扭矩、角度控制、扭矩+角度控制和動(dòng)（靜）態(tài)扭矩測(cè)量等多種擰緊策略的扭矩檢測(cè)，為自動(dòng)化生產(chǎn)線電動(dòng)擰緊裝置適應(yīng)復(fù)雜工藝要求提供了解決方案。

2.1.1 綜合校驗(yàn)臺(tái)

綜合校驗(yàn)臺(tái)示意圖如圖1所示。

圖1 綜合校驗(yàn)臺(tái)示意圖Fig.1 Schematic diagram of integrated test table

智能螺栓模擬器由扭矩傳感器、壓力蓄能器和過(guò)載保護(hù)裝置等部分構(gòu)成，扭矩傳感器如圖2所示，模擬器結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，可通過(guò)設(shè)置參數(shù)，模擬現(xiàn)場(chǎng)各種螺栓連接的扭矩率大小。在測(cè)量過(guò)程中根據(jù)需求讀取峰值扭矩或動(dòng)態(tài)追蹤扭矩，并通過(guò)數(shù)字信號(hào)反饋至處理器中。集成液壓剎車模塊，在達(dá)到預(yù)設(shè)扭矩時(shí)進(jìn)行鎖死，可節(jié)省常規(guī)螺栓的反松步驟。此外，模擬器還可切換動(dòng)態(tài)模式或靜態(tài)模式，可分別進(jìn)行動(dòng)態(tài)扭矩與靜態(tài)扭矩的測(cè)量，為不同情況下的質(zhì)量控制提供保障。

圖3 模擬器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Simulator structure diagram

設(shè)備設(shè)有外界擴(kuò)展功能，可通過(guò)連接扭矩傳感器及智能扭矩扳子，實(shí)現(xiàn)“螺紋連接掃描”功能，獲得螺栓實(shí)際連接特性，并進(jìn)行工況再現(xiàn)，使校準(zhǔn)參數(shù)的設(shè)置更符合現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況。同時(shí)，擴(kuò)展接口還可外接大量程扭矩模擬器，使校準(zhǔn)能力范圍得到進(jìn)一步擴(kuò)大。

2.1.2 便攜式動(dòng)態(tài)扭矩傳感器

為了滿足部分特殊角度的電動(dòng)擰緊裝置計(jì)量需求，配備動(dòng)態(tài)傳感器如圖4所示，最大量程可達(dá)5 000 N·m。通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸裝置與專用表頭相連接，不僅可以串接綜合校驗(yàn)臺(tái)，使測(cè)量范圍更加精確，也可利用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)試件實(shí)現(xiàn)多角度電動(dòng)擰緊裝置的扭矩在線檢測(cè)，并通過(guò)扭矩控制圖實(shí)時(shí)分析，確保工件夾緊力滿足擰緊質(zhì)量要求。

圖4 動(dòng)態(tài)傳感器Fig.4 Dynamic sensor

2.2 綜合測(cè)試分析系統(tǒng)

綜合測(cè)試分析系統(tǒng)集成工具管理、測(cè)試、分析、監(jiān)控和維護(hù)等多種功能，可對(duì)測(cè)量過(guò)程進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，顯示擰緊過(guò)程曲線，同時(shí)也可進(jìn)行設(shè)備能力指數(shù)（cmachinc capability index，CMK）、獲取能力（bring in capability，BIC）和保持能力（keep in capability，KIC）等多種能力測(cè)試，保證擰緊工具的性能穩(wěn)定性，滿足現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量控制要求。

2.2.1 擰緊點(diǎn)管理

該功能主要通過(guò)設(shè)置相應(yīng)擰緊參數(shù)，如目標(biāo)扭矩、擰緊步驟和轉(zhuǎn)速等，對(duì)擰緊點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)一管理。在后續(xù)進(jìn)行檢測(cè)任務(wù)時(shí)，可直接調(diào)用系統(tǒng)內(nèi)存儲(chǔ)的擰緊點(diǎn)，并可根據(jù)實(shí)際工藝要求，修改個(gè)別參數(shù)。這樣一來(lái)，不僅減少擰緊參數(shù)的設(shè)置時(shí)間，也將參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化，有利于校準(zhǔn)過(guò)程的質(zhì)量控制。

2.2.2 數(shù)據(jù)管理

測(cè)試軟件通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，給出擰緊值合格與否的判定結(jié)論，并形成擰緊曲線。技術(shù)人員可根據(jù)曲線分析該電動(dòng)擰緊裝置的使用性能及擰緊狀態(tài)。同時(shí)，系統(tǒng)可自動(dòng)生成測(cè)試報(bào)告，并存儲(chǔ)至相應(yīng)的管理架構(gòu)中，有利于量值溯源與傳遞。

2.2.3 CMK能力測(cè)試

CMK即設(shè)備能力指數(shù)，是對(duì)生產(chǎn)設(shè)備能夠滿足要求及穩(wěn)定性的能力評(píng)價(jià)。綜合測(cè)試分析系統(tǒng)可以通過(guò)采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法進(jìn)行測(cè)量，考慮短期的離散，排除對(duì)過(guò)程有影響的非機(jī)器因素。實(shí)現(xiàn)在盡量短的時(shí)間內(nèi)，相同的操作者、采用標(biāo)準(zhǔn)的作業(yè)方法和相同的加工材料，保證電動(dòng)擰緊裝置CMK值不小于1.67，確保電動(dòng)擰緊裝置的使用準(zhǔn)確與可靠。

2.3 設(shè)備連接及技術(shù)框架

由于智能螺栓模擬器與液壓控制裝置都為集成系統(tǒng)，因此在設(shè)備連接時(shí)，首先需要調(diào)試擰緊裝置的擰緊策略，然后將電動(dòng)擰緊裝置的方榫頭與模擬器接口連接，并設(shè)置連接硬度、扭矩閾值和采樣頻率等基本參數(shù)，而后進(jìn)行扭矩輸出，通過(guò)綜合測(cè)試分析系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及處理，最終輸出測(cè)量結(jié)果。此外，也可根據(jù)需求串接動(dòng)態(tài)扭矩傳感器，使測(cè)量范圍跨度進(jìn)一步縮小，測(cè)量精確性進(jìn)一步提高。設(shè)備連接圖如圖5所示、技術(shù)路線框架如圖6所示。

圖5 設(shè)備連接圖Fig.5 Device connection diagram

圖6 技術(shù)路線框架Fig.6 Technical route framework

3 應(yīng)用驗(yàn)證

3.1 在線智能檢測(cè)設(shè)備計(jì)量特性評(píng)估

3.1.1 誤差評(píng)估

假設(shè)電動(dòng)擰緊裝置按照3級(jí)精度管理，則本設(shè)備的擴(kuò)展不確定度應(yīng)小于被校裝置擴(kuò)展不確定度的1/3，根據(jù)JJG 797-2013《扭矩扳子檢定儀檢定規(guī)程》[2]中的相關(guān)要求，利用0.1級(jí)標(biāo)準(zhǔn)扭矩扳子在量程范圍內(nèi)均勻取點(diǎn)，對(duì)設(shè)備進(jìn)行計(jì)量檢定。以100 N·m測(cè)量點(diǎn)為例，誤差測(cè)量數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 誤差測(cè)量數(shù)據(jù)Tab.2 Error measurement data

通過(guò)公式（1）可得示值相對(duì)誤差為-0.19%，符合精度條件為：

式中，為測(cè)量平均值（N·m）；xS為施加的標(biāo)準(zhǔn)扭矩值（N·m）。

3.1.2 重復(fù)性評(píng)估

校準(zhǔn)結(jié)果的重復(fù)性是指在一組重復(fù)性測(cè)量條件下，計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)對(duì)同一對(duì)象重復(fù)測(cè)量所得示值或測(cè)得值間的一致程度，能夠反映計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)相應(yīng)參數(shù)校準(zhǔn)結(jié)果的隨機(jī)誤差統(tǒng)計(jì)特征。依據(jù)JJF 1033-2016《計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)考核規(guī)范》[3]，對(duì)檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行獨(dú)立重復(fù)測(cè)量，取100 N·m為測(cè)量點(diǎn)，重復(fù)次數(shù)為10次，重復(fù)性測(cè)量數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 重復(fù)性測(cè)量數(shù)據(jù)Tab.3 Repeatability measurement data

利用貝塞爾公式（2）對(duì)測(cè)得值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)偏差計(jì)算為：

式中，xi為第i次測(cè)量值（N·m）；為測(cè)量平均值（N·m）；n為測(cè)量次數(shù)。

所得到的標(biāo)準(zhǔn)偏差0.12 N·m即為重復(fù)性結(jié)果[4]，同時(shí)，重復(fù)性通常也是校準(zhǔn)結(jié)果的測(cè)量不確定度來(lái)源之一。

根據(jù)得到的誤差、重復(fù)性等系列測(cè)量結(jié)果，通過(guò)各不確定度分量進(jìn)行擴(kuò)展不確定度評(píng)定，最終確定本設(shè)備的擴(kuò)展不確定度優(yōu)于0.5%，其精度可完全滿足電動(dòng)擰緊裝置的在線檢測(cè)。

3.2 綜合校驗(yàn)臺(tái)工況模擬驗(yàn)證

對(duì)于不同材質(zhì)的結(jié)合面，由于存在不同程度的扭矩衰減，因此電動(dòng)擰緊裝置在達(dá)到目標(biāo)扭矩時(shí)所轉(zhuǎn)過(guò)的角度也存在一定的差異，這也就是常說(shuō)的高扭矩率和低扭矩率。所謂高扭矩率指扭矩從試驗(yàn)扭矩級(jí)的10%～100%，相對(duì)應(yīng)的角位移不大于27°，不存在扭矩衰減；而低扭矩率則存在扭矩衰減，扭矩從試驗(yàn)扭矩級(jí)的10%～100%，相對(duì)應(yīng)的角位移不小于650°[5]。

在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)選取一把狀態(tài)良好的電動(dòng)擰緊裝置，測(cè)量范圍為（10～100）N·m。選取相應(yīng)測(cè)量點(diǎn)，分別進(jìn)行高扭矩率（硬連接）、低扭矩率（軟連接）連接方式下扭矩的在線檢測(cè)，同時(shí)，在相同環(huán)境下，相同的操作人員，用同一工具進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)，工況模擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 工況模擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.4 Condition simulation experiment data

經(jīng)試驗(yàn)分析數(shù)據(jù)表明，使用高扭矩率連接所測(cè)得的扭矩明顯大于使用低扭矩率連接所測(cè)量的扭矩，即使用不同硬度的連接方式是影響測(cè)量結(jié)果的主要原因之一。在與現(xiàn)場(chǎng)工況進(jìn)行實(shí)際比對(duì)之后，發(fā)現(xiàn)該智能螺栓模擬器所模擬的工況輸出扭矩與實(shí)際生產(chǎn)扭矩相差較小，由此可以確認(rèn)該設(shè)備可有效模擬實(shí)際工況，避免因檢測(cè)和生產(chǎn)工況不一而帶來(lái)的數(shù)據(jù)誤差，對(duì)工件的擰緊質(zhì)量有十足的保證。低、高扭矩率連接狀態(tài)下扭矩/角度擰緊曲線如圖7、圖8所示。

圖7 低扭矩率連接狀態(tài)下扭矩/角度擰緊曲線Fig.7 Torque/Angle tightening curve under low torque rate connection

圖8 高扭矩率連接狀態(tài)下扭矩/角度擰緊曲線Fig.8 Torque/Angle tightening curve under high torque rate connection condition

4 結(jié)論

電動(dòng)擰緊裝置在線智能檢測(cè)技術(shù)利用工況模擬、智能分析和綜合管理，依托產(chǎn)業(yè)計(jì)量總體構(gòu)架，實(shí)現(xiàn)各自動(dòng)化生產(chǎn)線電動(dòng)擰緊裝置的在線檢測(cè)及擰緊質(zhì)量控制。通過(guò)數(shù)據(jù)采集、運(yùn)算、分析以及曲線應(yīng)用，使復(fù)雜的統(tǒng)計(jì)簡(jiǎn)單化、形象化和直觀化，推進(jìn)了數(shù)字化工廠生產(chǎn)線關(guān)鍵工序的智能化應(yīng)用實(shí)施，建立了在線檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)模式，提升轉(zhuǎn)向架等關(guān)鍵零部件質(zhì)量精度，提升高速列車運(yùn)營(yíng)安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性，提升高速列車產(chǎn)業(yè)在線檢測(cè)技術(shù)服務(wù)水平。