冷藏半掛車地板橫梁自動化擰緊控制策略研究

李曉甫，張世煒，吳 沙，周海波，劉文帥，曹志強

(中集車輛(集團)股份有限公司，廣東 深圳 518067)

隨著我國經濟的發展和人民生活水平的提高，人民對食品的多樣性和新鮮程度的需求也日益增大，拉動了冷藏冷凍食品消費的迅速增長，也帶動了冷藏車行業的發展[1-2]。冷藏半掛車地板橫梁是冷藏半掛車的重要組成部分，它通常是非金屬橫梁和金屬工字梁的組合，本文所研究的冷藏半掛車地板橫梁布置方案示意圖如圖1所示。

圖1 一種冷藏半掛車地板橫梁的布置方案示意圖

由圖1可知，冷藏半掛車的地板橫梁由鋼梁、PE梁和隔熱板組成。其中，PE梁具有強度大、韌性好、剛度大、耐熱和耐寒性好等特點。在PE梁和鋼梁之間布置了一層隔熱板，能進一步提升冷藏半掛車的保溫性能。在制造過程時，首先通過鉆頭完成鉆孔，之后采用自攻螺釘完成PE梁和鋼梁之間的緊固連接。

對于冷藏半掛車地板橫梁之間的連接，屬于非金屬材料與金屬材料之間的緊固連接。緊固連接通常可分為硬連接與軟連接。硬連接一般指金屬件之間的連接，該類連接的擰緊策略、所需的最小緊固力矩與緊固件規格之間的關系、連接可靠性的校核等方面已有較深入的研究，學術界與工業界已有較充分的認識。例如，車輪螺栓的擰緊可以采用扭矩法[3]，而柴油機氣缸蓋和傳動軸的螺栓連接可以采用扭矩-角度法[4-5]。然而，對于金屬件與較軟的非金屬件，或非金屬件之間的軟連接研究較少，尚未形成統一的認識。王軍[6]對某款柴油機油底殼的螺栓軟連接進行研究，通過工藝優化改善了產品的裝配質量。金柱發[7]通過試驗得出了在相同的目標扭矩范圍內，軟連接比硬連接更容易產生扭矩偏差的結論。

目前，國內冷藏半掛車地板橫梁連接在制造時多采用龍門鉆孔、工人擰緊螺釘的方式，工人的人身安全難以保障，工作效率低且螺釘連接的質量難以控制，地板橫梁制造的自動化和過程監控方面具有提升的空間。針對此問題，開發冷藏半掛車地板橫梁自動化擰緊裝置的必要性日益凸顯。對于自動化擰緊裝置，可以將鉆孔作業和擰緊作業集成在一個龍門上，自動完成螺釘擰緊作業。而在開發自動化擰緊裝置前，有必要研究冷藏半掛車地板橫梁的自動化擰緊策略，以指導自動化擰緊裝置的開發。

本文以圖1所示的冷藏半掛車地板橫梁為研究對象，研究冷藏半掛車地板橫梁的自動化擰緊策略。首先對電動螺刀以恒擰緊轉速、高扭矩閾值的控制策略進行地板橫梁的擰緊試驗，基于試驗結果分析可采用的擰緊策略。采用分析得出的不同擰緊策略開展一系列螺釘擰緊試驗，進一步對比分析出最優的擰緊策略。本文所確立的冷藏半掛車地板橫梁擰緊策略可以指導冷藏半掛車地板橫梁自動化擰緊裝置的開發。

1 地板橫梁擰緊試驗

1.1 試驗對象

本文以圖1所示的冷藏半掛車地板橫梁為研究對象，其中PE梁厚度為98.8 mm，鋼梁上翼板的厚度為3.4 mm。PE梁與鋼梁之間有一層厚度為1 mm的隔熱板。由于隔熱板厚度較小以及材料較軟，隔熱板對鉆孔擰緊的影響可以忽略不計。PE梁的材料為線性低密度聚乙烯，鋼梁的材料為QSTE460TM。連接使用的螺釘為高強度沉頭自擠螺釘。該螺釘淬火硬化，表面鍍黃銅。螺釘總長度為77 mm，有效螺紋長度為34 mm。螺紋公稱直徑為8.5 mm，螺距為1.25 mm。試驗前共準備12組測試件，在擰緊試驗前對測試件完成鉆孔，孔徑為7.6 mm。

1.2 地板橫梁擰緊破壞性試驗

地板橫梁擰緊破壞性試驗指采用電動螺刀以恒擰緊轉速、高扭矩閾值的擰緊策略對地板橫梁進行擰緊，直至螺紋被穿透為止的試驗。地板橫梁擰緊破壞性試驗的示意圖如圖2所示，地板橫梁擰緊破壞性試驗的現場圖如圖3所示。分別選取3組測試件為試驗對象依次進行試驗。首先用夾具夾緊測試件，設定恒定轉速為200 r/min、扭矩閥值為25 N·m的擰緊策略，采用傳感器式擰緊螺絲刀Deprag311E36-0500，實時記錄擰緊扭矩和轉角的數據，試驗結果如圖4所示。選取1組試驗結果來解釋擰緊過程中扭矩的變化趨勢(見圖5)。圖5中各點的含義解釋如下：點1為PE梁攻絲起點；點2為螺釘開始攻入鋼梁的起點；點3為攻絲扭矩達到最大值的點；點4為鋼梁攻絲完成的點；點5為螺釘頭與PE梁開始接觸的點；點6為擰緊扭矩值最大的點；點7為螺紋攻穿的點。

圖2 地板橫梁擰緊破壞性試驗示意圖

圖3 地板橫梁擰緊破壞性試驗現場圖

圖4 地板橫梁擰緊破壞性試驗結果

圖5 擰緊過程中扭矩的變化趨勢

2 擰緊控制策略的選用

2.1 常用擰緊控制策略

擰緊控制策略是指采用控制擰緊過程中的某些參數對螺釘擰緊何時結束進行判斷的策略。在實際生產中，常用的擰緊控制策略包括扭矩法、轉角法和屈服點法[8-9]。

扭矩法是指通過將擰緊工具設置到某個扭矩值來控制螺栓連接的預緊力。該策略簡單明了，易于操作，成本低，被廣泛采用。然而，該策略容易受接觸面摩擦因數的影響且不能檢測擰緊過程中的差錯，控制精度較差。轉角法是指先將螺釘擰緊至貼合面后，再旋轉至某個規定角度。在彈性形變內，螺栓擰緊時的旋轉角度與螺栓伸長量成正比關系，因而可采取按規定旋轉角度來達到預定擰緊力的方法。該策略可有效避免連接件摩擦因數的不同對擰緊力的影響，擰緊質量穩定。屈服點法是指先將螺釘擰緊到某一個規定的起始力矩后，記錄扭矩-轉角曲線的斜率值的變化，當斜率下降至最大斜率值的1/2時，判定螺栓拉伸到了屈服點以控制擰緊停止的方法。該策略的優點是將摩擦因數不同的螺釘都擰緊到了屈服點，最大限度地發揮了螺紋強度的潛力。但此策略控制難度較大，價格昂貴。

2.2 擰緊控制策略的選用

結合上述地板橫梁擰緊破壞性試驗的試驗結果，分析可采用的擰緊策略。由圖4和圖5可知，自攻螺釘的擰入分為攻絲過程和擰緊過程。每個過程各有一個扭矩峰值，攻絲過程的峰值比擰緊過程的峰值略大。對于攻絲過程，攻絲的最大扭矩為13.8 N·m。攻絲過程完成時的角度基本恒定，均在16 000°附近，因此可以用角度的監控值先判斷攻絲過程的結束。對于擰緊過程，擰緊過程中的最大扭矩為12.1 N·m，在擰緊過程中其扭矩隨角度的變化基本是線性的，可考慮采用扭矩或轉角法。基于上述討論，有3種適用于冷藏半掛車地板橫梁的螺釘擰緊策略。

1)角度-扭矩控制策略：先使用角度控制保證攻絲完成，即將螺釘擰緊到角度16 000°，再用扭矩控制來控制擰緊過程，擰緊終止扭矩值為擰緊扭矩最大值附近的值。

2)角度-行程控制策略：先使用角度控制保證攻絲完成，即將螺釘擰緊到角度16 000°，再用行程控制保證螺釘的伸出工字梁的長度達到目標值。

3)角度-行程控制-扭矩監控策略：使用角度控制保證攻絲完成，即先將螺釘擰緊到角度16 000°，再用行程控制保證螺釘的伸出長度達到目標值，同時監控擰緊過程中的扭矩值在合理的范圍內。

3 擰緊控制策略的驗證及分析

3.1 擰緊控制策略的選擇及分析

對于上述討論的3種擰緊控制策略，本文通過試驗對比分析出最適用于冷藏半掛車地板橫梁的螺釘擰緊策略。在試驗中，用螺釘擰緊后，由于扭矩衰減現象得到的殘余扭矩和螺釘伸出工字梁的長度作為評價擰緊控制策略好壞的依據。扭矩衰減現象是擰緊工作完畢后發生在緊固件上的扭矩降低的現象(見圖6)。衰減后的扭矩低于目標值但較為穩定，一般在擰緊操作完成后的30 ms內會完成60%以上的扭矩衰減。扭矩衰減過后的穩定值被稱為殘余扭矩。殘余扭矩通常通過靜態扭矩測試方法得到。靜態扭矩測試方法[10]是用手動擰緊工具對已擰緊的螺釘施加一個順螺栓擰緊方向逐漸增大的扭矩，直至螺栓再一次產生擰緊運動的瞬間，同時記錄產生運動時的扭矩值的方法。對于殘余扭矩，其值越大說明擰緊控制策略越好。

圖6 螺釘的扭矩衰減現象

在控制策略的驗證分析前，需要確定螺釘伸出工字梁長度的目標值。因此對現場人工打釘所得到的螺釘伸出工字梁長度和殘余扭矩進行測試，測試結果見表1。由表1可知，測試結果的均值為20.16 mm。基于此確定螺釘伸出工字梁長度的目標值為20 mm。

選取1.1節中的9組測試件為試驗對象，每3組測試件采用一種螺釘擰緊控制策略，根據圖2的示意圖進行擰緊試驗。在螺釘擰緊后，用扭矩扳手進行靜態扭矩測試，記錄螺釘的殘余扭矩，同時采用游標卡尺記錄每組測試件伸出工字梁的長度。試驗結果見表2。對表2的試驗結果進行數據分析。對于螺釘伸出工字梁的長度，用均方差分析其偏離目標值的程度。對于殘余扭矩，用均值分析殘余扭矩的大小，結果見表3。

表1 人工打釘得到的評價指標試驗結果

表2 不同擰緊控制策略的驗證試驗結果

表3 不同擰緊控制策略的試驗結果分析

由表3可知，3種擰緊控制策略的擰緊效果都要比人工擰緊的效果好。在3種擰緊控制策略中，角度-扭矩擰緊控制策略的控制效果最差，采用角度-行程擰緊控制策略和角度-行程控制-扭矩監控擰緊控制策略均具有較好的控制效果。而角度-行程控制-扭矩監控擰緊控制策略比角度-行程擰緊控制策略多了一個扭矩監控環節，可降低擰緊質量不合格問題出現的可能性。基于上述討論，冷藏半掛車地板橫梁的自動化擰緊設備推薦采用角度-行程控制-扭矩監控擰緊控制策略。

3.2 控制策略在自動化擰緊裝置上的驗證

采用角度-行程控制-扭矩監控擰緊控制策略指導地板橫梁自動化擰緊裝置的開發，裝置如圖7所示。在該裝置上進行一系列的螺釘擰緊試驗，試驗結果見表4。將表1和表4的結果根據評價指標的均值和均方差進行對比。在均值上，采用自動化擰緊裝置得到了殘余扭矩的均值大于人工擰緊得到的結果。此結果驗證了角度-行程控制-扭矩監控擰緊控制策略具有更好的擰緊效果。在均方差上，采用自動化擰緊裝置得到的螺釘伸出工字梁長度和殘余扭矩的均方差遠小于人工擰緊得到的結果。此結果驗證了角度-行程控制-扭矩監控擰緊控制策略具有更好的穩定性。基于上述討論，驗證了角度-行程控制-扭矩監控擰緊控制策略應用于地板橫梁自動化擰緊裝置的可行性。

圖7 地板橫梁自動化擰緊裝置

表4 裝置打釘得到的評價指標試驗結果

4 結語

通過上述研究可以得出如下結論。

1)本文研究了冷藏半掛車地板橫梁自動化擰緊控制策略，通過橫梁擰緊破壞性試驗結果分析了3種可采用的螺釘擰緊控制策略。通過對3種螺釘擰緊控制策略的擰緊效果進行對比分析，得出了冷藏半掛車地板橫梁自動化擰緊設備最適用于采用角度-行程控制-扭矩監控擰緊控制策略的結論。

2)本文將角度-行程控制-扭矩監控擰緊控制策略應用于地板橫梁自動化擰緊設備中，通過與人工打釘的結果進行對比，驗證了角度-行程控制-扭矩監控擰緊控制策略應用于地板橫梁自動化擰緊裝置的可行性。

3)對于冷藏半掛車地板橫梁的連接屬于非金屬與金屬的連接，本文對此提出了一種新的螺釘擰緊方法的研究思路，拓寬了一般金屬間螺釘擰緊的方法和思路，對專用車生產自動化和連接質量監控產生了積極作用。