軌道交通車輛風缸箍帶安裝螺栓擰緊特性與復檢標準研究

劉進華 孫博 劉磊

摘要：軌道交通車輛的風缸屬于壓力容器，在制作中應盡量減少焊接工作量，因此箍帶式安裝成為普遍采用的方式，其中箍帶安裝螺栓的可靠性對風缸安裝可靠性有較為重要的影響。鑒于此，通過相關實驗對風缸箍帶安裝螺栓的擰緊特性、軸力衰減特性、擰緊工藝、復檢標準進行了研究，初步掌握了風缸箍帶安裝螺栓的相關特性，為其設計、工藝和檢驗提供了依據。

關鍵詞：風缸箍帶;螺栓;擰緊特性;軸力衰減;復檢標準

0 ? ?引言

隨著株機公司螺栓連接管理體系逐漸完善，對螺栓緊固特殊過程的質量要求也逐漸提高，公司實驗室各類螺栓實驗設備豐富了螺栓連接檢測手段，從各個方面對螺栓連接的性能進行驗證，最大程度保證了軌道交通車輛中螺栓連接的性能。

在軌道交通車輛中，風缸箍帶安裝螺栓屬于一種復雜柔性連接螺栓，有多個方面可對其性能產生影響，因此研究難度極大。在實際運用過程中，客戶針對此螺栓的復檢扭矩及緊固性能提出問題，本文以現有檢測條件為基礎，針對風缸箍帶安裝螺栓的擰緊特性與復檢標準進行研究分析。

1 ? ?風缸箍帶基本安裝結構

風缸箍帶是由箍帶座、不銹鋼螺栓/鎖緊螺母、不銹鋼箍帶及橡膠墊組成，如圖1所示。不銹鋼箍帶與橡膠墊共同包裹著風缸，通過螺栓/螺母連接固定。箍帶會穿過箍帶座，并隨箍帶座將風缸固定在車下。

2 ? ?擰緊過程特性研究

采用數顯扭矩扳子擰緊風缸箍帶螺栓，每轉30°實時讀取扭矩值，直至扭矩達到設計扭矩23 N·m，根據數據繪制扭矩—角度曲線，如圖2所示。

由扭矩—角度曲線可知，風缸箍帶螺栓擰緊角度超過4圈，屬于典型的柔性螺栓連接，扭矩隨角度增長而增長，且角度越大，扭矩增長速率越快。

3 ? ?軸力衰減特性研究

柔性螺栓連接的特點之一是扭矩的衰減量大，而扭矩的衰減會影響軸力，最終造成風缸箍帶的包裹力不足，從而產生風缸掉落的風險，因此需對軸力的衰減進行研究。螺栓軸力的測量可采用超聲波螺栓軸力測試儀完成，通過測量超聲波在螺栓中傳播的信號變化，計算分析出螺栓軸力的變化。螺栓軸力的測試方便快捷，不受空間限制，可以在生產現場直接測試。

以下為先后3次進行螺栓軸力衰減測試的結果。

3.1 ? ?裝車產品測試

在裝車的風缸模塊上選取5個風缸箍帶螺栓進行軸力跟蹤測試，分別在7月28日安裝后、4 h后、9月8日裝車運行后進行測試，測試結果如表1所示。

由表1可知，螺栓夾緊力在4 h后即衰減較為嚴重，衰減最多的4號螺栓只有初始值的35%，衰減較少的2號螺栓約為初始值的60%。而動調后的衰減只有4 h后的50%～60%，與初始安裝的值相比，動調后夾緊力衰減到只有初始值的20%～30%，說明箍帶螺栓軸力確實衰減比較嚴重。

3.2 ? ?柔性與剛性螺栓連接對比實驗

在實驗室選取5個螺栓分別編號1～5號，其中1號作為對比實驗樣品直接緊固到剛性裝置上，2～5號分別緊固到4根箍帶上，緊固力矩23 N·m。每隔一段時間測試一次軸力變化，并繪制軸力隨時間變化的曲線，如圖3所示。

由圖3可以看出，剛性連接螺栓軸力衰減較慢，140 min只衰減至初始軸力的90%左右。風缸箍帶螺栓軸力在前30 min衰減快于剛性連接，約衰減至初始軸力的40%。30 min以后軸力衰減較慢，近似于剛性連接，140 min時軸力衰減至初始軸力的30%左右。這說明箍帶螺栓軸力的衰減主要發生在30 min以內。

3.3 ? ?橡膠墊對軸力衰減的影響

在實驗室選取2個風缸箍帶，其中一個將橡膠墊取出后安裝，另一個正常安裝，緊固力矩23 N·m。每隔一段時間測試一次軸力變化，并繪制軸力隨時間變化的曲線，如圖4所示。

由圖4可以看出，有無橡膠墊螺栓軸力衰減速率差不多，無橡膠墊時螺栓緊固后的初始軸力會高于有橡膠墊，因此橡膠墊不是造成軸力衰減的主要原因。

4 ? ?螺栓復擰工藝研究

由軸力衰減特性分析可知，30 min左右是螺栓軸力衰減速度由快到慢的轉折點，因此，為獲得良好的軸力特性，既有較高的軸力又能衰減緩慢，制訂了在30 min對螺栓進行復擰的工藝。

復擰工藝有兩種：扭矩法和轉角法。扭矩法是指以相同的設計扭矩進行復擰，而轉角法是指使用扳手將螺栓旋轉一定角度。對這兩種復擰工藝擰緊效果分別進行實驗研究分析。

4.1 ? ?扭矩法工藝研究

在實驗室選取5個螺栓分別編號1～5號，分別緊固到5根箍帶上，緊固力矩23 N·m，在30 min時復擰23 N·m。每隔3 min測試一次軸力變化，并繪制軸力隨測量次數變化的曲線，如圖5所示。其中2、3、5號螺栓復擰時未轉動。

由圖5可以發現，復擰能夠讓軸力得到提升，而且復擰后軸力的衰減速率與未復擰的基本一致。然而，有3個螺栓復擰時未轉動角度，其軸力也未得到改善，可能的原因是此時螺栓的殘余扭矩并未同軸力一樣大幅衰減，因此在復擰時同樣的扭矩無法轉動。

4.2 ? ?轉角法工藝研究

選取一個正常安裝的風缸箍帶螺栓，在安裝后30 min按一定的角度進行復擰，每轉30°測量一次軸力，繪制軸力—角度曲線，如圖6所示。

由實驗數據可知，復擰一定的角度能夠讓螺栓軸力得到線性提升，因此采用轉角法復擰是一種可靠的復擰工藝。

5 ? ?扭矩復檢標準研究

為檢測螺栓緊固效果，一般采用扭矩扳子按一定的扭矩標準對螺栓再次擰緊，如螺栓轉動角度則不合格，這種檢查方式就叫扭矩復檢。風缸箍帶螺栓為柔性連接，且扭矩衰減影響因素很多，因此需研究扭矩復檢的標準，確定扭矩復檢標準采用的方法是螺栓殘余扭矩檢測法。

共選取116個風缸箍帶螺栓進行殘余扭矩檢測，采用數顯式扭矩扳子，在螺栓產生微小轉動時讀取扭矩值，將測得的數據統計匯總，繪制數量—扭矩柱狀圖，如圖7所示。

由圖7可以看出，螺栓殘余扭矩呈正態分布，計算殘余扭矩的平均值為18.5 N·m，標準差為2.5，螺栓復檢標準一般為平均值上下3個標準差的范圍，因此風缸箍帶螺栓檢查扭矩下限為11 N·m，上限為26 N·m。

6 ? ?結論與建議

綜合以上分析結果，得出如下結論：

（1）風缸箍帶螺栓緊固后，螺栓軸力會在30 min內迅速衰減至40%左右，后續衰減較緩慢，最終衰減至初始值的20%～30%。

（2）采用殘余扭矩測試法確定風缸箍帶螺栓扭矩復檢標準為：扭矩大于11 N·m、小于26 N·m為合格。

（3）采用轉角法復擰是一種可靠的復擰工藝。

收稿日期：2021-04-16

作者簡介：劉進華（1969—），男，湖北天門人，高級工程師，長期從事軌道交通產品的設計、工藝工作。

孫博（1993—），男，遼寧大連人，工程師，長期從事軌道交通產品的工藝質量工作。

劉磊（1990—），男，甘肅會寧人，工程師，長期從事軌道交通產品的工藝質量工作。