HXN5抱軸螺栓裝配扭矩管理系統研究

齊峰

中國鐵路北京局集團有限公司懷柔北機務段 北京 101408

引言

目前HXN5抱軸螺栓的安裝方式不能避免超扭矩安裝，且由于扭矩過大，容易造成人員受傷。未提高檢修作業質量、減少人員受傷，開發HXN5抱軸螺栓裝配扭矩管理系統是十分必要的。本文基于HXN5抱軸螺栓拆裝的必要性，目前存在的裝配問題，提出針對性的解決方案，實現HXN5抱軸螺栓裝配的量值化、智能化。

1 HXN5抱軸螺栓拆裝的必要性

HXN5抱軸螺栓的拆裝主要是由機車廠家對機車進行C5修或者廠修時完成的。HXN5型內燃機車在機務段內檢修過程中發現抱軸螺栓發生松動、斷裂等情況，需要對電機輪對進行拆解、檢測、檢修，完成后再重新組裝。在輪對踏面磨耗到限需要臨時更換新輪對時，也需要對HXN5抱軸螺栓進行拆裝。HXN5抱軸螺栓的拆裝是機務段檢修中必須掌握的一項檢修技術，提高HXN5抱軸螺栓裝配質量也是“提質增效”的重點之一。

2 當前普遍的作業流程

HXN5抱軸螺栓的拆卸，一般采用大扭矩氣動沖擊扳手進行拆卸，大部分螺栓可以通過氣動沖擊扳手直接拆卸下來，少部分螺栓由于生銹等原因，采用氣動沖擊扳手無法拆卸，此時需要3個人采用加長加力桿人工拆卸，甚至需要動用氣割對螺栓進行切割拆卸。

HXN5抱軸螺栓的安裝，一般采用氣動沖擊扳手進行依次預緊，然后再依次擰緊，使用氣動沖擊扳手對每顆螺栓持續的沖擊式擰緊，之后再使用大扭矩的扭矩扳手對螺栓進行復緊校驗。由于HXN5抱軸螺栓擰緊的合格扭矩達到了1800Nm以上，1個人力量有限無法達到此扭矩值，需要2人甚至3人使用大扭矩的扭矩扳手對螺栓進行復緊校驗。此時用扭矩扳手進行校驗，顯示為合格。

3 當前作業流程存在的問題和弊端

HXN5抱軸螺栓拆卸時如遇到需要人為采用加長加力桿拆卸時，經常遇到螺栓突然松動，此時容易造成人員受傷，已發生多起工人腰部扭傷事件。

由于大扭矩氣動沖擊扳手無法精確控制扭矩，往往會造成HXN5抱軸螺栓過扭矩安裝。此時雖然使用大扭矩扳手進行了復緊校驗，顯示扭矩合格，但由于螺栓安裝扭矩超過正常的標準扭矩值范圍，使螺栓的拉伸量超過螺栓的屈服強度。行車過程中的震動導致過扭矩安裝的抱軸螺栓極其容易發生斷裂事故，已發生多起HXN5抱軸螺栓斷裂的情況。當一顆螺栓斷裂后，其他螺栓應力也會隨之發生改變，容易發生斷裂情況。如檢查檢修不及時，很容易造成重大事故的發生，對社會生產、財產和人身安全危害巨大。

發生螺栓斷裂事故時，由于無法查詢到螺栓裝配時的實際扭矩值記錄，這對事故原因的分析造成很大困擾。

4 螺栓斷裂或松動的處理方式

斷裂的螺栓一般采用電焊粘出；松動螺栓更換全新螺栓。此時需要將抱軸螺栓全部拆下，對電機、輪對等進行全面的檢修、檢測、評估等工作，確保無安全隱患后，將所有抱軸螺栓更換為全新螺栓，再進行重新安裝[1]。電焊粘出的方式，對操作者的技術要求極高，操作不當很容易造成抱軸箱螺紋孔的損壞甚至報廢，即便是操作得當也會對抱軸箱螺紋孔造成一定的損傷，因為高溫容易使其材料的晶格結構發生變化，使其螺紋強度降低。

5 針對目前存在的問題提出解決方案

針對HXN5抱軸螺栓安裝的一系列問題，開發設計HXN5抱軸螺栓裝配扭矩管理系統。系統構成為：上位服務器；定制化扭矩管理系統軟件；預緊工具；精確控制扭矩的擰緊工具（電動或氣動）；高精度定制化扭矩傳感器；無線網絡傳輸系統。

5.1 上位服務器

應采用加固三防筆記本電腦，抗震動、抗沖擊、寬溫運行，IP5X防塵，IPX3防水，保證使用現場耐用度。

5.2 定制化扭矩管理系統

通過了解現有的其他管理系統軟件，對扭矩管理系統軟件提出以下要求。

5.2.1 軟件應包含：登錄界面、操作界面、設置界面、人員及權限管理界面、查詢界面等。①登錄界面，可根據權限登錄軟件，不同權限人員登錄軟件后，軟件使用的權限等級不同。②操作界面，要求界面各功能模塊分區清晰、簡潔、易于操作。③設置界面，包含網絡設置、扭矩設置、系統設置等功能。④人員及權限管理界面，包含人員管理，各人員的權限等級管理等功能。⑤查詢界面，要求可根據時間、人員、車號等信息進行歷史數據的查詢。

5.2.2 數據庫必須為加密數據庫，避免數據泄密。數據庫歷史數據要求不可刪除，方便后期隨時查詢。

在一個道德意識淺薄、公共意識低下的社會環境下，不可能營造出高品位的會計人員職業道德。營造良好的會計從業環境，不是僅靠會計業界的努力就能做到的，而是依托社會各方面的變革與協調，尤其是應與法律、各行各業的職業道德同步，只有這樣才能做好會計人員職業道德建設。

5.2.3 要求軟件可生成檢修報告，方便打印成紙質資料進行存檔。

5.2.4 軟件須預留接入段內綜合管理系統的端口。滿足鐵路機車檢修管理信息化、量值化、智能化、自動化的需求。

5.2.5 要求軟件進行升級時，不影響升級前數據庫的查詢使用。

5.3 預緊工具

應選用符合HXN5抱軸螺栓預緊扭矩需求的動力工具（可采用小扭矩充電式沖擊扳手），采用可快充的鋰電池，長壽命的無刷電機，提高工作效率。

HXN5抱軸螺栓采用的是10.9級的高強度螺栓，必須分兩次進行擰緊，第一次為初擰，初擰緊固到螺栓標準軸力（即設計預拉力）的60%～80%，初擰的扭矩值不得小于終擰扭矩值的30%，HXN5抱軸螺栓的標準扭矩值為1860Nm，預緊的扭矩值應≥558Nm，可選用600Nm的充電式沖擊扳手進行預緊，不得使用預緊工具進行長時間打緊，當螺栓轉不動時立即停止打緊，避免初擰扭矩過高，影響最終擰緊的扭矩精度。

5.4 精確控制扭矩的擰緊工具

應采用失速式的氣動或電動扭矩扳手，優點是此類扭矩扳手以電力或壓縮空氣作為動力，節省人力，提高工作效率，按下開關后，可持續不斷的輸出無沖擊動力，相較于液壓扳手，避免需要一直重復按動液壓開關、轉速低等問題，大大提高工作效率；相較于沖擊扳手，此類扭矩扳手無沖擊，無振動，低噪音，避免振動對螺栓、人體造成的傷害。

出于安全因素以及現場動力源的考慮，建議使用失速式氣動扭矩扳手（無觸電風險），采用高精密壓縮空氣壓力控制原件，匹配的高精密氣動馬達，壓縮空氣流量均勻，壓力動力曲線平緩，保證持續輸出無沖擊的穩定動力。配備的高精密齒輪減速機構，對氣動馬達輸出的動力進行平穩放大。要求相關計量機構對其進行扭矩校準，確保輸出扭矩值量值的可靠性。

5.5 高精度定制化扭矩傳感器

扭矩傳感器須由相關計量單位檢定和校準，確保量值的統一和準確可靠。

經研究，可采用兩種解決方案：

方案一：采用大扭矩數字扭矩扳手，HXN5抱軸螺栓使用精確控制扭矩的擰緊工具擰緊后，再使用大扭矩數字扭矩扳手進行依次復緊校驗，并采集每顆螺栓的扭矩值上傳至上位服務器。

此方案的弊端：增加一次擰緊工序，由于HXN5抱軸螺栓擰緊的合格扭矩達到了1800Nm以上，1個人力量有限無法達到此扭矩值，此時需要2人甚至3人使用大扭矩數字扭矩扳手對螺栓進行復緊校驗，容易造成人員受傷。如人員配合不當，力度很難掌控，很容易超出合格的扭矩范圍。

另外，不能杜絕數據人為造假，現場工人還可以采用以前的大扭矩氣動沖擊扳手進行擰緊，很容易使螺栓的拉伸量超過螺栓的屈服強度，此時再使用大扭矩數字扭矩扳手進行復緊，也可以得到各個螺栓的合格扭矩數值，但實際扭矩數值已超過合格扭矩。

方案二：研發設計專用扭矩傳感器。

使用標準扭矩傳感器，需要傳感器連接精確控制扭矩的擰緊工具后再連接套筒，需要設計定制加高反力臂，由于增加2個有間隙配合的連接，會大大增加機械連接的不穩定性，同時影響整套系統最終扭矩輸出精度的穩定性。

研發設計專用扭矩傳感器，據考察研究，可設計套筒形式的扭矩傳感器，此類型傳感器可以直接替代套筒來使用，機械連接性可靠。精確控制扭矩的擰緊工具直接作用于專用扭矩傳感器套筒，對HXN5螺栓進行擰緊，傳感器內部的彈性軸上粘貼應變計組成測量電橋，當傳感器彈性軸受扭矩產生微小變形后引起電橋電阻值變化，應變電橋電阻的變化轉變為電信號的變化從而實現扭矩測量[2]。由傳感器套筒內部的單片機進行電信號采集，并通過計算將電信號轉換為扭矩數值。當精確控制扭矩的擰緊工具擰到合格扭矩停機時，扭矩傳感器套筒會采集此時的峰值扭矩，并通過工業級無線網絡如WiFi、Zig Bee或藍牙等傳輸方式，將扭矩數值上傳至上位服務器。

5.6 無線網絡傳輸系統

應采用抗干擾能力強的工業級WiFi、Zig Bee或藍牙等無線傳輸方式，工業級網絡設備應具備防塵、防靜電、抗浪涌等功能，保證數據在復雜的工業環境下的穩定傳輸。

根據鐵總對網絡安全的要求，無線網絡必須為加密的局域性網絡，禁止連接互聯網，禁止任何不相關設備接入。

整套系統需要滿足HXN5抱軸螺栓裝配的工藝流程，須記錄車號、工作班組、工作人員、裝配時間、裝配地點等信息，須能記錄每顆螺栓對應的唯一實際扭矩值。

6 新解決方案解決的實際痛點

HXN5抱軸螺栓裝配扭矩管理系統解決了檢修作業中各個螺栓沒有對應扭矩記錄的問題通過HXN5抱軸螺栓裝配扭矩管理系統的應用，結束了之前憑經驗修車，出現螺栓松動或斷裂事故后，由于沒有各個抱軸螺栓實際的扭矩數值記錄，導致無法找到事故真正的原因[3]。

6.1 檢修量值化，智能化

HXN5抱軸螺栓裝配扭矩管理系統，可以記錄檢修車型，機車車號，檢修作業位置，檢修作業人員，檢修作業時間，每一顆螺栓的實際對應扭矩值會實時上傳至上位服務器，并自動生成檢修報告，對所有數據進行永久性保存，方便后期隨時查詢相關數據。

6.2 減輕工人勞動強度

整個檢修過程，全程配備動力工具。抱軸螺栓的拆卸，由失速式氣動扭矩扳手進行拆卸，壓縮空氣作為動力源，杜絕因螺栓突然松動造成的人員受傷（如腰部扭傷）。抱軸螺栓的擰緊，螺栓預緊配備小扭矩充電式電動沖擊扳手，擰緊過程由扭矩傳感器配合失速式氣動扭矩扳手，杜絕大型氣動沖擊扳手對人體的振動傷害，同時不需要再使用大扭矩的機械扭矩扳手進行復緊校驗，減少腰部扭傷等人身傷害，大大減輕工人勞動強度。

6.3 提高檢修質量

施加正確的扭矩對于確保正確的夾緊力和安全的螺栓連接至關重要，合格的扭矩范圍是螺栓擰緊的關鍵指標。HXN5抱軸螺栓裝配扭矩管理系統的應用，確保了每顆抱軸螺栓的實際扭矩值都在合格范圍內，既保證了抱軸箱的夾緊力，又避免因為超過螺栓的屈服強度而造成螺栓斷裂的風險，使得抱軸螺栓的檢修擰緊質量大大提高。

6.4 合格的裝配可大大減少事故的發生

HXN5抱軸螺栓裝配扭矩管理系統的應用，提高檢修質量的同時，會避免由于螺栓擰緊扭矩不合格造成的螺栓松動、斷裂的風險，如檢修不及時，很容易造成重大事故。

7 結束語

在鐵總提出鐵路機車檢修管理信息化、量值化、智能化、自動化需求的前提下，鑒于國家鐵路局關于印發《鐵路計量發展規劃（2021-2035年）》的通知[4]。針對HXN5抱軸螺栓拆裝的必要性、作業流程、目前存在的弊端，提出HXN5抱軸螺栓裝配扭矩管理系統的探索研發設計，從根本上實現了HXN5抱軸螺栓裝配的信息化、智能化、自動化、扭矩量值化，符合并實現鐵路計量發展規劃的量值溯源。