CRH6型動車組輪對軸箱前蓋螺栓擰緊方法研究

舒同太

(智滬鐵路設備有限公司，201812，上海∥高級工程師)

0 引言

2020年6月20日，南寧鐵路局集團公司南寧動車所在對某組動車組進行一級修作業時，發現00 車2位軸箱前蓋電線支架用手可輕微晃動，但檢查安裝螺栓防松標記未錯位；使用160 N·m的扭矩(為目標緊固力矩200 N·m的 80%)對全列28顆軸箱前蓋電線支架安裝螺栓(螺栓規格為M20 mm×105 mm)校核發現，均存在轉動10°～30°的扭矩衰減情況。對此，中國國家鐵路集團有限公司機輛部立即通報全路停用了電動伺服智能扭矩扳手。為充分了解CRH6型動車組(以下簡稱“CRH6型車”)輪對軸箱前蓋螺栓組裝使用電動伺服智能扭矩扳手擰緊的可靠性，2020年8月1日至8月31日組織抽查復核了金山鐵路運用的CRH6型車2組輪對軸箱部件的組裝螺栓扭矩衰減情況。扭矩復核使用數顯式手動咔噠扳手，復核扭矩的合格標準為目標扭矩值的80%。結果發現，CRH6型2組車復核的768顆輪對軸箱部件螺栓中有264顆螺栓防松標識錯位，占復核螺栓總數的34.38%。涉及復核的所有車組，均為軸箱前蓋螺栓。目標扭矩為120 N·m，其中帶電線支架的前蓋螺栓松動比例較大。

為解決這一問題，本文以金山鐵路CRH6型車的輪對軸箱前蓋螺栓(帶電線支架和不帶電線支架)為研究對象，通過研究使用電動伺服智能扭矩扳手對CRH6型車軸箱前蓋螺栓實施擰緊作業，分析不同工況擰緊作業后螺栓扭矩衰減的差異，以及擰緊速度、復擰工序和停頓間隔等方面因素對螺栓扭矩衰減的影響；明確CRH6型車軸箱前蓋螺栓擰緊方法標準，以及其它不同規格螺栓及安裝位置擰緊方法，以確保動車組檢修投入運用后輪對軸箱部件緊固螺栓的可靠性，消除動車組運用中輪對軸箱部件螺栓扭矩衰減的安全隱患。

1 研究對象

1.1 研究車型及部件類型

選擇檢修投入運用后發生扭矩衰減的CRH6型軸箱前蓋螺栓組裝，其檢測范圍見表1。

表1 CRH6型車軸箱前蓋檢測范圍

1.2 CRH6型車軸箱前蓋螺栓安裝環境

CRH6型車軸箱前蓋螺栓規格有M16 mm×55 mm和M16 mm×105 mm兩種，其目標扭矩均為120 N·m，強度等級均為10.9，螺栓材質為碳鋼，連接方式為盲孔，連接頭形式為六角頭，連接件材質為鋁合金或鋁合金與鑄鐵組合，墊片形式為平墊+彈墊，部件接觸面為油漆面，螺栓頭支撐面為加工面，輔料為Molykote1000。

1.3 CRH6型車軸箱前蓋螺栓規格和安裝扭矩

根據CRH6型車的輪對軸箱前蓋螺栓扭矩衰減程度進行分階段測試研究，并將研究范圍按螺栓規格、安裝螺栓位置和扭矩進行歸類，見表2。

表2 CRH6型車軸箱前蓋螺栓的規格、扭矩和安裝位置

2 工具選擇及合格標準

2.1 工具選擇

2.1.1 擰緊工具

對擰緊工具進行安裝精度檢測，并計算其誤差百分比，從而選擇符合條件的電動伺服智能扭矩扳手及手動擰緊工具。測試方法為使用兩種工具分別在測試工裝上對每個目標扭矩擰緊20次，記錄其作業扭矩及誤差百分比，從中選擇誤差百分比不超過±6%的工具作為測試工具。

2.1.2 校核工具

為避免檢測過程中因扭矩過大而造成螺栓或工具損壞，特采用數顯式手動咔噠扳手進行校核。

2.2 擰緊方法及合格標準

2.2.1 螺栓擰緊作業順序

使用扭矩扳手擰緊螺栓的基本步驟如下：

1)對角預緊。將待裝配件定位后，手動將螺栓旋入2圈，檢查有無螺紋錯扣，然后使用手動棘輪扳手按對角順序擰緊到貼合位置，對角擰緊順序見圖1。

2)對角擰緊。按對角擰緊方式和圖1中的對角擰緊順序進行擰緊。

3)對角復擰。按對角擰緊方式和圖1中的對角擰緊順序進行復擰。

圖1 螺栓安裝的對角擰緊順序

2.2.2 作業合格標準

在使用扭矩扳手進行擰緊時，以目標扭矩值×(1±6%)為合格范圍。

2.3 校核方法及合格標準

2.3.1 扭矩衰減校核方法

1)校核流程。在按規范要求安裝完成后對螺栓做防松標記；靜置一段時間后，使用數顯式手動咔噠扳手按100%目標扭矩值(設定扳手扭矩比例i=100%)進行校核，觀察防松標記是否錯位。結合作業順序，對所有螺栓均按此流程校核。

2)操作要求。在進行螺栓扭矩校核時，應按要求進行操作，保持扳手與螺栓方向垂直，并平穩施加扭矩；在接近目標扭矩時，需緩慢擰緊直至聽到扳手發出聲響。

3)記錄要求。校核時應進行數據記錄；校核后，對發現防松標識錯位的拍照存檔，并記錄所屬車組號及軸端號。

2.3.2 校核合格標準

在8副輪對上進行測試驗證。若測試合格率達100%，則該擰緊方法的場內測試合格。

3 測試方法及設計思路

3.1 擰緊螺栓速度的影響[1]

選取不同規格螺栓進行擰緊，驗證其擰緊速度對扭矩衰減的影響。分快速和慢速2種作業模式，擰緊螺栓后按照合格標準進行扭矩衰減檢查和數據統計，驗證其是否達到扭矩合格標準。對比試驗設計如下：① 電動伺服智能扭矩扳手采用較高轉速對角擰緊，各步之間無停頓；② 電動伺服智能扭矩扳手采用較低轉速對角擰緊，各步之間無停頓。

快速模式：例如，第一步，設置0～25%目標扭矩值，轉速為180 r/min；第二步，設置25%～100%目標扭矩值，轉速為54 r/min。

慢速模式：例如，第一步，設置0～50%目標扭矩值，轉速為20～60 r/min；第二步，設置50%～90%目標扭矩值，轉速為5～10 r/min；第三步，設置90%～100%目標扭矩值，轉速為1～2 r/min。

3.2 停頓間隔的影響

選取不同規格螺栓進行擰緊停頓間隔影響的驗證，設置相同擰緊速度，分無停頓、有停頓兩種作業模式，擰緊后按照合格標準進行扭矩衰減檢查和數據統計，驗證是否達到扭矩合格標準。對比試驗設計如下：

1)采用多段擰緊法進行擰緊，各段之間無停頓。例如：第一步，設置0～50%目標扭矩值，轉速為20～60 r/min；第二步，設置50%～90%目標扭矩值，轉速為5～10 r/min；第三步，設置90%～100%目標扭矩值，轉速為1～2 r/min。

2)采用多段擰緊法進行擰緊，各段之間增加200 ms停頓。例如：第一步，設置0～50%目標扭矩值，轉速為20～60 r/min，該段結束后停頓200 ms；第二步，設置50%～90%目標扭矩值，轉速為5～10 r/min，該段結束后停頓200 ms；第三步，設置90%～100%目標扭矩值，轉速為1～2 r/min。

3.3 復擰的影響

選取不同規格螺栓進行擰緊復擰工序驗證，設置相同擰緊速度，分無復擰、有復擰兩種作業模式，擰緊后按照合格標準進行扭矩衰減檢查和數據統計，驗證是否達到扭矩合格標準。對比試驗設計如下：

1)采用多段擰緊法進行擰緊，對角擰緊后結束作業。例如：第一步，設置0～50%目標扭矩值，轉速為20～60 r/min；第二步，設置50%～90%目標扭矩值，轉速為5～10 r/min；第三步，設置90%～100%目標扭矩值，轉速為1～2 r/min。

2)采用多段擰緊法進行擰緊，對角擰緊后進行復擰作業。例如：第一步，設置0～50%目標扭矩值，轉速為20～60 r/min；第二步，設置50%～90%目標扭矩值，轉速為5～10 r/min；第三步，設置90%～100%目標扭矩值，轉速為1～2 r/min。擰緊結束后，重新進行對角復擰。

4 CRH6型車的輪對軸箱前蓋螺栓擰緊方法

對CRH6型車的輪對軸箱前蓋螺栓制定個性化擰緊方法和作業方式：① 通過調整螺栓擰緊時的停頓間隔、速度等影響因素來優化擰緊方法，在螺栓擰緊至扭矩目標值并增加其保持時間；② 保留電動伺服智能扭矩扳手擰緊后的數顯式手動咔噠扳手復擰工序。

綜合考慮不同工況下的影響因素，通過調整螺栓擰緊的停頓間隔和速度等方式制定不同的擰緊方法(見表3)，并驗證其擰緊效果。

表3 CRH6型車的輪對軸箱前蓋螺栓擰緊方法

5 擰緊方法的測試

根據設計方案，對電動伺服智能扭矩扳手擰緊的影響因素和CRH6型車的輪對軸箱前蓋螺栓擰緊方法進行現場測試驗證。本測試將普通前蓋螺栓(不帶電線支架，M16 mm×55 mm)定義為測試類型1，前蓋正下方2顆螺栓(帶電線支架，AG37前蓋，AG43前蓋，接地前蓋，M16 mm×105 mm)定義為測試類型2，前蓋正上方4顆螺栓(帶電線支架，AG37前蓋，AG43前蓋，接地前蓋，M16 mm×180 mm)定義為測試類型3。按照測試方法操作，用合格標準進行檢測，并將測試數據進行匯總整理，以判定擰緊方法是否合格。需要注意的是扭矩檢測應在前次擰緊停頓5 min后進行。

5.1 兩步快速擰緊法的測試

兩步快速擰緊法可快速完成多顆螺栓作業，但擰緊后復核出多顆螺栓松動，防松標記錯位明顯。螺栓松動的扭矩均處于80%～90%的目標扭矩值之間，如表4所示。

表4 兩步快速擰緊法前蓋螺栓測試結果

5.2 兩步快速復擰法

兩步快速復擰法增加了螺栓的復擰工序，部分螺栓在90%目標扭矩值檢測時未出現松動情況，扭矩衰減有明顯改善，如表5所示。

表5 兩步快速復擰法前蓋螺栓測試結果

5.3 三步慢速復擰法

三步慢速擰緊法大幅降低螺栓擰緊速度，且增加了扭矩分段步驟設置，可在擰緊過程中增加螺栓轉動的穩定性；增加步驟間的間隔時間和復擰，可以釋放擰緊過程的彈性應變，經螺栓檢測可知松動效果極大地減少了，如表6所示。

表6 三步慢速復擰法前蓋螺栓測試結果

5.4 四步慢速停頓復擰法

該方法增加了扭矩分段步驟設置和停頓間隔次數，更大程度上釋放了擰緊過程中的彈性應變，最終測試結果均達到合格標準。

軸箱前蓋目標扭矩為120 N·m、螺栓規格為M16 mm×55 mm、M16 mm×105 mm和M16 mm×180 mm，均使用彈墊+平墊方式緊固安裝；經測試驗證，按規范要求安裝完成后對螺栓做防松標記，靜置一段時間后使用數顯式手動咔噠扳手按100%目標扭矩進行檢測，防松標記無錯位。測試結果如表7所示。

表7 四步慢速停頓復擰法前蓋螺栓測試結果

6 結語

經對CRH6車的動輪、拖輪各8副輪對進行實物測試，結果表明：電動伺服智能扭矩扳手擰緊速度對扭矩衰減有明顯的影響，慢速擰緊效果較好[2]；螺栓擰緊過程中的復擰工序和增加停頓間隔對扭矩衰減有明顯的改進。

通過現場測試驗證，電動伺服智能扭矩扳手使用“四步慢速停頓復擰法”，通過調整擰緊速度、增加停頓間隔和采用復擰工序，可有效解決螺栓扭矩衰減情況，能夠保證CRH6型車的輪對軸箱前蓋裝配質量要求。

“四步慢速停頓復擰法”從2021年6月開始應用到各型動車組輪對軸箱螺栓組裝過程中，使得輪對軸箱組裝由原來的24副/d增加到32副/d，產能提高了33.3%；輪對軸箱組裝人員由原來的40人減為32人，人工成本節約160萬元/年。到目前為止動車組輪對軸箱組裝螺栓運行安全可靠，未出現扭矩衰減的情況。