軌道交通車輛螺栓連接質量檢測研究

蓋杰,王岳宸,余以正,孫健

(中車長春軌道客車股份有限公司 國家軌道客車工程研究中心,吉林 長春 130062)

軌道交通車輛是一個龐大和復雜的機械系統,使用了上萬量級數量的螺栓連接,螺栓連接質量的可靠性關系到車輛運行的安全性。為了保證螺栓連接的安全可靠性,方案設計階段通過螺栓設計和仿真來評估服役安全性[1-4],生產階段通過裝配控制和檢測來保證可靠性。

質量監(jiān)控是螺栓連接安全應用的重要一環(huán),是對擰緊工藝穩(wěn)定性、可靠性的一種考核。質量監(jiān)控一般包括兩個方面,一方面是監(jiān)控螺栓擰緊工藝準確性,通常采用“過程法”這種動態(tài)方式來評定;另一方面是評估已裝配螺栓連接的可靠性,通常采用“事后檢驗法”這種靜態(tài)方式來評價[5]。扭矩檢測是常用的靜態(tài)監(jiān)控形式,分為緊固法、松開法和標記法[6-7],其中緊固法目前應用最廣泛。螺栓擰緊后通常會發(fā)生扭矩衰減,一般在擰緊操作完成后的30 ms內會出現總扭矩衰減量的60%～70%[8-9]。受緊固工具、裝配程序、被連接件狀態(tài)、涂層、粗糙度等因素影響,緊固連接扭矩衰減還會出現離散。被連接件的狀態(tài)對扭矩衰減有主要影響,連接狀態(tài)可分為軟連接、硬連接和中性連接。軟連接的被連接件中間存在橡膠、塑料和軟金屬等,硬連接的被連接件是硬金屬,中性連接是介于軟連接和硬連接之間的連接。扭矩衰減大小關系是軟連接>中性連接>硬連接[7,10]。扭矩檢測需要針對不同連接類型制定不同的監(jiān)控方法。

德國工程師協會發(fā)布了螺栓工藝過程能力測試方法的VDI 2645-3標準,有峰值和殘余扭矩等檢測扭矩的測試方法,通過SPC方法還可計算檢測扭矩,以此評判工藝是否合格。由于殘余扭矩測量對檢測設備要求較高,大多數汽車行業(yè)企業(yè)都利用指示式扭矩扳手或數顯扭矩扳手以峰值扭矩方法評價螺栓連接的質量[11-13]。大眾汽車有監(jiān)控螺栓連接質量的企業(yè)標準VW 01110-2,規(guī)定用扭矩檢測來能保證裝配可靠和過程穩(wěn)定。該企業(yè)標準根據應用危險等級將螺栓連接分為A、B、C三類,危險等級較高的A/B類檢測扭矩范圍是0.8倍裝配扭矩到1.2倍裝配扭矩,危險等級較低C類檢測扭矩范圍是0.7倍裝配扭矩到1.2倍裝配扭矩,含塑料件的B/C類連接檢測扭矩范圍是0.5倍裝配扭矩到1.2倍裝配扭矩。

軌道交通車輛行業(yè)在螺栓連接質量監(jiān)控方面目前還沒有形成行業(yè)標準,也沒有定量的檢測扭矩指導。本文研究軌道交通車輛行業(yè)適用的螺栓連接質量監(jiān)控方法,包括擰緊工藝動態(tài)扭矩系數評估方法,檢驗扭矩的測試和分析方法,并給出典型螺栓連接的檢測扭矩分析結果,為軌道交通車輛螺栓連接質量評估標準的制定奠定基礎。

1 螺栓連接工藝

軌道交通車輛螺栓連接常用的擰緊工具有精度±1%的智能扭力擰緊系統(簡稱為智能扳手)和精度±5%的機械定值扭力扳手(簡稱為機械扳手)。智能扳手主要用于車輛制造中關鍵部位螺栓的裝配,機械扳手主要用于車輛制造中非關鍵部位螺栓的裝配和車輛運營后螺栓連接的維護。

智能扳手可實時數字顯示擰緊扭矩,并有聲、光和振動提示,擰緊扭矩合格后將結果上傳系統,能實現對擰緊扭矩的嚴格監(jiān)控。機械扳手沒有扭矩值顯示,只有聲音提示,不能監(jiān)控緊固扭矩。智能扳手扭矩設定是一個扭矩范圍,而機械扳手扭矩設定是一個扭矩固定值。緊固連接一般要求裝配扭矩是基于設計扭矩T上下浮動5%,即是T×(1±5%),因此機械扳手的設定緊固扭矩是設計扭矩T,智能扳手設定扭矩范圍為0.95T～1.05T。

工人每日均會對使用的扳手進行標定,按圖紙要求的設計扭矩和工藝要求對螺栓進行裝配。質檢人員會在螺栓裝配后對螺栓裝配質量進行定性檢測。

2 擰緊工藝測試及評估

為評估擰緊工藝,本文采用動態(tài)扭矩測試對機械扳手和智能扳手的實際施加扭矩進行測試,應用SPC方法對擰緊工藝進行評估。

動態(tài)扭矩是螺栓擰緊過程中的扭矩峰值。采用扭矩轉角傳感器(精度±1%)和多功能便攜式轉矩分析儀可測試動態(tài)扭矩。在擰緊工具上安裝連接扭矩轉角傳感器,在擰緊螺栓過程中通過轉矩分析儀采集動態(tài)扭矩。本文對9種螺栓連接共85個樣本的機械扳手擰緊和對5種螺栓連接共45個樣本的智能扳手擰緊進行動態(tài)扭矩測試。

為實現不同型號螺栓、不同操作人員和不同設計扭矩的擰緊工藝歸一化評估,本文定義并使用無量綱數-動態(tài)扭矩系數αT作為分析參數。動態(tài)扭矩系數αT是動態(tài)扭矩與設計扭矩之比。根據SPC方法和擰緊扭矩目標T×(1±5%),動態(tài)扭矩系數要求規(guī)格是1±0.05,即動態(tài)扭矩系數αT的規(guī)格中心是1.0,規(guī)格下限是0.95,規(guī)格上限是1.05。如果測得動態(tài)扭矩系數在規(guī)格要求0.95～1.05范圍內則判定擰緊扭矩滿足裝配需求。

圖1(a)和圖1(b)分別是機械扳手和智能扳手擰緊動態(tài)扭矩系數控制圖。測試得到機械扳手擰緊的動態(tài)扭矩系數αT范圍為0.79～1.66。相比設計扭矩,動態(tài)扭矩最大上浮為66%,最大下浮為21%。從圖1(a)可直觀看到機械扳手對應的動態(tài)扭矩超出規(guī)格上限和下限,不滿足裝配扭矩要求。測試得到智能扳手擰緊的動態(tài)扭矩系數αT范圍為0.94～1.04,動態(tài)扭矩系數最小值0.94比規(guī)格下限0.95低0.8%,偏差小于1%,可能是由檢測設備精度引起的。從圖1(b)可知,智能扳手對應的動態(tài)扭矩基本在規(guī)定上限和下限范圍內。

(a) 機械扳手

根據螺栓工藝過程能力要求,裝配扭矩需要準確、集中且穩(wěn)定。動態(tài)扭矩測試結果表明,機械扳手擰緊的動態(tài)扭矩離散大、偏差大,不滿足裝配扭矩要求和扭矩檢驗條件,被擰緊螺栓存在超屈服的風險。

3 起動和殘余扭矩測試與分析

為評估已裝配螺栓連接的可靠性,普遍使用緊固法來“事后”檢驗螺栓連接,如果檢測到扭矩衰減后的扭矩特征符合規(guī)定的檢測扭矩范圍,則螺栓連接穩(wěn)定、可控且一致,判定螺栓連接合格。檢測扭矩范圍的確定方法是本文的研究重點。

擰緊扭矩隨轉角變化有2種曲線形式,見圖2。擰緊螺栓時螺栓從靜止到轉動是靜摩擦轉動摩擦的過程,所以理論上扭矩隨轉角增加過程中會出現極大值點(圖2(a)),在極值點螺栓發(fā)生脫離起動,對應扭矩常被稱為起動扭矩。極小值點對應的扭矩是殘余扭矩, 理論上殘余扭矩是螺栓連接真正的剩余扭矩。有些情況靜摩擦轉動摩擦過程不明顯,轉角-扭矩曲線出現圖2(b)的形式,此時起動扭矩和殘余扭矩差異不明顯。

(a) 轉角-扭矩曲線形式一

起動扭矩和殘余扭矩是螺栓緊固后的兩個可量化的扭矩檢測特征,需要與使用的檢測工具匹配。殘余扭矩測量通過采集轉角-扭矩曲線確定殘余扭矩,如果測得殘余扭矩在規(guī)定范圍內則判定合格,該檢測方法對檢測設備要求較高。起動扭矩檢測方法是復緊螺栓時, 當扳手讀數達到起動扭矩下限,螺母不轉動,而螺母轉動時的讀數值小于起動扭矩上限則可判定為合格。該檢測方法對設備要求較低,使用數顯扳手等“可讀扭矩”扳手即可,測試方便。

3.1 起動和殘余扭矩測試

本文以軌道車輛車下典型硬連接、中性連接和軟連接螺栓連接為研究對象,分別為①緊急通風逆變器連接螺栓M12(8.8級),設計扭矩為61 N/m,被連接件均為鋼材的硬連接;②接地線連接螺栓M8(A2-70),設計扭矩為12.8 N/m,被連接件為鋁合金的中性連接;③車下線管對接法蘭連接螺栓M8(A2-70),設計扭矩為12.8 N/m,被連接件中含6 mm厚度橡膠的軟連接。3種螺栓連接見圖3。

圖3 3種螺栓連接實物圖

起動扭矩和殘余扭矩測試方法是按設計扭矩T使用精度±1%數顯扳手對螺栓進行擰緊,保證裝配扭矩滿足設計要求。擰緊30 min內使用Inspector數顯扳手復緊螺栓,該扳手能采集到轉角-扭矩曲線,從曲線讀取到起動扭矩和殘余扭矩。一般在裝配后30 min內進行扭矩測試,因為此時間段扭矩衰減和環(huán)境狀態(tài)都相對穩(wěn)定。3種連接類型測試樣本數量均為30個。

3.2 起動和殘余扭矩結果分析

3種連接螺栓起動扭矩和殘余扭矩平均值μ和標準差σ統計分析結果見表1。從表1可以看出,每種連接的起動扭矩平均值μ比殘余扭矩平均值大0～0.7T,起動扭矩標準差σ與殘余扭矩標準差σ基本相同,說明起動扭矩特征穩(wěn)定性與殘余扭矩穩(wěn)定性相當。圖4給出了起動扭矩和殘余扭矩正態(tài)分布概率密度曲線, 可直觀看到起動扭矩和殘余扭矩在平均值上有偏差,離散程度基本一致,特別是逆變器硬連接的2種扭矩特征的概率密度曲線完全重合,這是因為復緊過程中靜摩擦轉動摩擦過程不明顯,絕大部分殘余扭矩與起動扭矩相同。

表1 3種連接螺栓起動扭矩和殘余扭矩統計分析結果

圖4 起動扭矩和殘余扭矩正態(tài)分布概率密度曲線

對于本次測試樣本,緊急通風逆變器連接螺栓殘余扭矩平均值為0.99T,平均扭矩衰減為1%,最大扭矩衰減為10%。接地線連接螺栓殘余扭矩平均值為0.84T,平均扭矩衰減為16%,最大衰減為40%。車下線管對接法蘭連接螺栓殘余扭矩平均值為0.46,平均扭矩衰減為54%,最大扭矩衰減為68%。相比被連接件均為金屬材料的硬連接和軟連接,含6 mm厚橡膠的軟連接出現了嚴重的扭矩衰減。如果軟連接應用在風險等級較高部位,在質量監(jiān)控中需要根據非金屬材料厚度和材質等特性詳細測試和分析評估。

4 檢測扭矩分析

不管是殘余扭矩檢測還是起動扭矩檢測,都需要確定相對穩(wěn)定、可控、合理檢測扭矩范圍來評判螺栓連接是否合格。根據SPC方法假設扭矩特征服從正態(tài)分布N(μ,σ2),當過程處于穩(wěn)態(tài)時螺栓連接扭矩特征有99.73%落在μ±3σ范圍內(3σ法則),95.45%落在μ±2σ范圍內(2σ法則),其中μ代表統計平均值,因此可通過3σ原則或2σ原則確定扭矩檢測范圍。

本文主要分析起動扭矩檢測方法的扭矩檢測范圍,殘余扭矩檢測范圍確定方法類似。從3種連接螺栓起動扭矩μ±2σ和μ±3σ的統計結果可以看出,起動扭矩統計值μ-3σ比μ-2σ小0.6～0.8,接地線連接螺栓起動扭矩統計值μ-3σ只有0.33。如果將起動扭矩統計值μ-3σ作為扭矩下限,對扭矩檢測要求偏低,不能起到嚴格監(jiān)控的作用,因此本文選用μ-2σ作為起動扭矩檢測下限。為得到穩(wěn)定性和控制性較好的扭矩檢測范圍,起動扭矩檢測上限選用μ+3σ值。根據正態(tài)分布統計理論,起動扭矩在[μ-2σ,μ+3σ]范圍內的概率是97.59%,即扭矩監(jiān)控不合格概率是2.41%。按上述方法,緊急通風逆變器連接螺栓起動扭矩范圍為[0.87,1.15],接地線連接螺栓起動扭矩范圍為[0.72,1.12],車下線管對接法蘭連接螺栓起動扭矩范圍為[0.40,0.73]。在實際質量監(jiān)控中,上述起動扭矩上下限可適當四舍五入取整,考慮監(jiān)控合格率和穩(wěn)定性,取整下限需小于起動扭矩下限,取整上限需大于起動扭矩上限,例如車下線管對接法蘭連接螺栓的扭矩檢測下限和上限可取設計扭矩的40%和設計扭矩的80%。

從起動扭矩測試結果來看,緊急通風逆變器連接螺栓和接地線連接螺栓的起動扭矩均在檢測扭矩范圍內,螺栓連接合格。車下線管對接法蘭連接螺栓30件測試樣本中僅有1個測試樣本的起動扭矩為4.2 N/m,不在檢測扭矩范圍內。

5 結論

本文研究適用于軌道交通車輛螺栓連接質量監(jiān)控,包括擰緊工藝動態(tài)扭矩系數測試和評估、起動和殘余扭矩測試,以及檢測扭矩分析方法。針對軌道車輛典型螺栓連接,通過測試和分析得到如下結論:

(1)定義動態(tài)扭矩系數對擰緊工藝進行評估。機械扳手擰緊的動態(tài)扭矩偏差大、離散大,不滿足裝配扭矩要求和扭矩檢驗條件。智能扳手擰緊滿足裝配扭矩要求。

(2)螺栓起動扭矩和殘余扭矩在平均值方面有0～0.7偏差,離散程度基本相同。

(3)針對本次測試樣本,硬連接螺栓平均扭矩衰減為1%,中性連接平均扭矩衰減為16%。含6 mm厚橡膠的軟連接出現了嚴重的扭矩衰減,平均扭矩衰減了54%。

(4)將扭矩特征[μ-2σ,μ+3σ]作為檢測扭矩范圍,使扭矩監(jiān)控更嚴格且可靠性高。應用此方法得到了3種典型連接螺栓的檢測扭矩。