液壓螺栓拉伸量數(shù)據(jù)測量裝置的研究

田　勇

(烏魯木齊鐵路局　科學(xué)技術(shù)研究所， 新疆烏魯木齊 830011)

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液壓螺栓拉伸量數(shù)據(jù)測量裝置的研究

田勇

(烏魯木齊鐵路局科學(xué)技術(shù)研究所， 新疆烏魯木齊 830011)

傳統(tǒng)液壓螺栓拉伸量數(shù)據(jù)測量方式主要是采用傳統(tǒng)機械指針式百分表，這種靠人工監(jiān)測手工記錄數(shù)據(jù)的操作方式，存在著人為誤讀和很多不確定因素，直接影響了螺栓的緊固質(zhì)量和設(shè)備的整體性能。新型液壓螺栓拉伸量數(shù)據(jù)測量裝置采用位移傳感器采集拉伸量信號，通過數(shù)字式百分表實時顯示螺栓拉伸量測量數(shù)據(jù)，同時將采集的數(shù)據(jù)通過多通道采集系統(tǒng)轉(zhuǎn)換模塊經(jīng)RS-232串口將數(shù)據(jù)統(tǒng)一傳輸?shù)街醒肟刂破髦?，對采集來的多路?shù)據(jù)進行虛擬儀表顯示和內(nèi)部邏輯運算、判斷、分析、報誤等，并將測量數(shù)據(jù)自動存儲并上傳形成表格文件，供檢驗及管理人員進行數(shù)據(jù)核查和問題分析。

螺栓拉伸量； 位移傳感器； 人機界面； 數(shù)據(jù)測量

在核電裝備、風(fēng)電裝備、石油裝備及鐵路裝備的大功率內(nèi)燃機車柴油機等高端裝備中，大量使用高強度、大扭矩的螺栓和螺母進行連接緊固。特別是大功率和諧內(nèi)燃機車柴油機的新造總裝和檢修解體組裝作業(yè)中，大扭矩螺栓和螺母的拆卸和組裝作業(yè)是其重要的工藝環(huán)節(jié)，而大功率柴油機的主軸承螺母和汽缸蓋螺母等關(guān)鍵部件拆裝都是采用螺栓液壓拉伸作業(yè)方式進行。螺栓液壓拉伸最關(guān)鍵的工藝要求就是拉伸量測量的控制，隨著鐵路大功率和諧內(nèi)燃機車的快速發(fā)展，這就對在作業(yè)過程中螺栓拉伸量長度數(shù)據(jù)的控制精度和測量方式提出了新的要求，以滿足不斷發(fā)展的大功率和諧機車柴油機檢修作業(yè)的工藝需要。

1　傳統(tǒng)液壓螺栓拉伸量數(shù)據(jù)測量方式

傳統(tǒng)液壓螺栓拉伸量數(shù)據(jù)測量方式主要是采用傳統(tǒng)機械指針式百分表對作業(yè)過程中的螺栓拉伸量進行測量調(diào)試，同時用手工記錄數(shù)據(jù)的人工操作方式，再將觀測到的數(shù)據(jù)記錄在螺栓拉伸量測量表格上，經(jīng)現(xiàn)場檢驗人員的簽字確認，作為質(zhì)量檢查的依據(jù)和存檔資料，這種靠手工記錄數(shù)據(jù)的操作方式，記錄過程中存在著人為誤讀和很多不確定因素，直接影響著螺栓的緊固質(zhì)量和內(nèi)燃機車設(shè)備的整體性能和運行質(zhì)量，主軸承螺栓拉伸量指針式百分表測量見圖1，汽缸蓋螺栓拉伸量指針式百分表測量見圖2。

尤其是在大功率內(nèi)燃機車柴油機的檢修作業(yè)過程中，采用傳統(tǒng)方式測量螺栓拉伸量，由于人為因素測量不準確，數(shù)據(jù)不能自動讀取和存儲，特別是主軸承和汽缸蓋等關(guān)鍵螺栓拉伸量不足或過大，都將造成檢修作業(yè)重新返工影響交車，如果不符合工藝質(zhì)量標準要求的大功率內(nèi)燃機車上線運行，一旦發(fā)生曲軸和汽缸蓋漏氣、拉缸、抱瓦等問題，將導(dǎo)致干支線機車途中停輪等嚴重鐵路事故，甚至可能造成不可預(yù)測的重大鐵路安全事故損失，為此，研究開發(fā)了適用于液壓螺栓拉伸量數(shù)據(jù)測量裝置(以下簡稱裝置)。

圖1　主軸承螺栓拉伸量指針百分表測量

圖2　汽缸蓋螺栓拉伸量指針百分表測量

2　液壓螺栓拉伸量數(shù)據(jù)測量裝置

2.1常用螺栓和螺母連接緊固方式

目前常用的螺栓和螺母的連接緊固方式有兩種：一種是螺栓扭矩方式，在設(shè)計中一般給出的是擰緊扭矩， 而對特殊要求的連接緊固采用螺母轉(zhuǎn)角計算和扭矩與轉(zhuǎn)角相互校準、調(diào)整，扭矩方式的計算來自拉伸力，但受螺栓的新舊程度, 螺栓和螺母有沒有潤滑及螺紋摩擦副等因素影響, 會產(chǎn)生扭剪力和側(cè)向力，對聯(lián)接的接觸面會有摩擦損傷，其精度控制也不是特別精確。另一種是螺栓拉伸方式，在設(shè)計中一般給出的是預(yù)緊力。螺栓拉伸方式是利用液壓油缸精確控制螺栓預(yù)緊力直接對螺栓端頭施加外力，將螺栓拉伸到工藝要求的拉伸量長度，然后通過金屬撥桿來撥動螺母擰緊，這樣就保留了對螺栓施加的載荷。采用拉伸方式對螺栓和螺母進行緊固，由于不受螺栓和螺母潤滑及螺紋摩擦副的影響，使用純拉力直接拉長螺栓，無扭剪力和側(cè)向力，對聯(lián)接的接觸面無摩擦損傷，得到的剩余載荷與有效載荷比扭矩緊固方式更大，所以拉伸方式是更高效、更精確的緊固方式。特別適用于緊固精度要求較高的接合應(yīng)用中。

2.2研發(fā)裝置的必要性

在日趨激烈的市場競爭中，產(chǎn)品的最大競爭力就是質(zhì)量，作為產(chǎn)品質(zhì)量保證的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，產(chǎn)品的測試及測量方式具有極其重要地位和作用，

隨著我國鐵路裝備技術(shù)的不斷發(fā)展，對機車檢修質(zhì)量和檢修效率提出了更高的要求。傳統(tǒng)的人工檢測及手工記錄的數(shù)據(jù)測量方式已遠遠不能適應(yīng)鐵路部門管理信息化的要求，特別是對大功率機車柴油機螺栓拉伸量被測數(shù)據(jù)信息不僅要能在現(xiàn)場實時顯示監(jiān)測，而且還能對各項關(guān)鍵數(shù)據(jù)自動讀取、分析判斷、數(shù)據(jù)存儲、傳輸打印等，還可將被測數(shù)據(jù)通過局域網(wǎng)等手段傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫用于數(shù)據(jù)共享，這就迫切需要一種新型螺栓拉伸量數(shù)據(jù)測量裝置。

2.3研發(fā)裝置的可行性

隨著計算機電子技術(shù)信息技術(shù)的飛速發(fā)展，微型化、集成化、智能化、虛擬化和網(wǎng)絡(luò)化成為計算機技術(shù)為核心的現(xiàn)代測控技術(shù)的一個發(fā)展趨勢，特別是智能傳感器及人機視覺技術(shù)等新型技術(shù)在工業(yè)控制中的應(yīng)用，使得數(shù)據(jù)虛擬顯示、記錄存儲、分析判斷等功能的實現(xiàn)成為可能。

2.4裝置組成原理

螺栓拉伸量數(shù)據(jù)測量原理是利用多個位移傳感器采集拉伸量模擬信號，通過數(shù)字式百分表實時顯示螺栓拉伸量測量數(shù)據(jù)供現(xiàn)場操作人員使用， 以滿足作業(yè)現(xiàn)場操作顯示螺栓拉伸量數(shù)值的需求，同時再將采集來的數(shù)據(jù)送到多通道采集系統(tǒng)轉(zhuǎn)換模塊中經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，經(jīng)CAN總線由RS-232串口將數(shù)據(jù)統(tǒng)一傳輸?shù)饺藱C界面的控制器中，對采集來的多路數(shù)據(jù)進行內(nèi)部邏輯運算、判斷、分析、報誤等， 便于操作人員隨時掌握拉伸變化量，避免操作人員疏忽大意造成誤判斷，同時測量數(shù)據(jù)按工藝要求自動存儲并上傳形成歷史表格文件，測試測量數(shù)據(jù)可供檢驗、驗收及管理人員后臺數(shù)據(jù)共享并據(jù)此進行數(shù)據(jù)核查和問題分析，螺栓拉伸量數(shù)據(jù)測量裝置組成原理見圖3所示。

圖3　螺栓拉伸量數(shù)據(jù)測量裝置組成原理

2.5裝置組成架構(gòu)

螺栓拉伸量數(shù)據(jù)測量裝置的設(shè)計應(yīng)遵循系統(tǒng)完整、安全可靠、接口統(tǒng)一、功能完備、使用簡單、攜帶方便的原則，螺栓拉伸量數(shù)據(jù)測量裝置主要由位移傳感器、數(shù)字顯示表、多通道數(shù)據(jù)采集器、交流電變壓器、24 V電源模塊、直流信號調(diào)理模塊、觸摸顯示屏等模塊組成。作業(yè)時將拉伸器吊裝到拉伸螺栓上，用螺栓拉體將拉伸螺栓旋緊，位移傳感器指針伸進螺栓拉體孔與拉伸螺栓頭部平面接觸后數(shù)字顯示表調(diào)零，啟動液壓泵站使液壓壓力值達到工藝要求，對應(yīng)螺栓拉伸量達到最大值，用專用撥桿將螺母旋緊后并使液壓泵站卸壓，此時，數(shù)字顯示表所顯示的值即為螺栓實際拉伸量，同時，測量過程通過數(shù)據(jù)采集器送入測量裝置。

采用位移數(shù)字顯示百分表采集螺栓拉伸量數(shù)據(jù)進行現(xiàn)場監(jiān)測，同時通過接口將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)蕉嗤ǖ罃?shù)據(jù)采集模塊，然后經(jīng)CAN總線將數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換、濾波、放大及調(diào)理等處理，送入控制模塊完成數(shù)據(jù)的通訊輸入、過程顯示、邏輯計算、存儲分析、判斷報誤等測控過程。采用RS-232上傳、下載控制程序或利用USB快速上傳、下載人機畫面程序，使用SD存儲卡進一步擴展數(shù)據(jù)存儲容量或通過局域網(wǎng)將測試的數(shù)據(jù)進行上傳數(shù)據(jù)庫存儲，并以CSV文本格式通過接口上傳到上位計算機上形成數(shù)據(jù)試驗或分析報告，螺栓拉伸量數(shù)據(jù)測量裝置組成架構(gòu)見圖4所示。

圖4　螺栓拉伸量數(shù)據(jù)測量裝置組成架構(gòu)

2.6測量軟件

螺栓拉伸量數(shù)據(jù)測量裝置的人機互動界面顯示系統(tǒng)采用基于C語言語法的宏命令DOPSoft編程軟件進行人機互動程序編寫，實現(xiàn)測試控制及對測量結(jié)果的邏輯判斷等功能，編輯軟件DOPSoft支持Windows XP / Vista / 7等操作系統(tǒng)，多路位移數(shù)據(jù)傳感器與中央控制模塊通過RS-232串口采用RTU模式Modbus總線協(xié)議進行通訊，上位計算機采用LabVIEW可視化圖形編程軟件編寫數(shù)據(jù)分析處理管理系統(tǒng)程序，實現(xiàn)對歷史數(shù)據(jù)進行查詢統(tǒng)計和分析判斷等功能，人機互動界面程序運行過程原理見圖5.

圖5　人機互動界面程序運行過程原理圖

2.7測量功能

螺栓拉伸量數(shù)據(jù)測量裝置主要功能由動態(tài)拉伸測量、歷史數(shù)據(jù)查詢、實時曲線分析和幫助使用說明等部分組成，在動態(tài)拉伸測量界面可測試3種類型產(chǎn)品、16個部位、實時顯示4組動態(tài)測量拉伸值和最大值，通過與預(yù)先設(shè)置的螺栓拉伸量上限值和下限值數(shù)據(jù)對比進行分析判斷，做出合格及不合格結(jié)論并報警顯示，同時自動生成并存儲測試時間日期、位號、測量值、操作者、試驗類型、試驗結(jié)果等數(shù)據(jù)，避免了人工采集造成的漏檢、誤檢，提高了測量的準確度，螺栓拉伸量數(shù)據(jù)測量裝置人機界面主界面如圖6。

圖6　螺栓拉伸量數(shù)據(jù)測量裝置人機界面主界面

2.8數(shù)據(jù)處理

通過接口將CSV文本存儲格式導(dǎo)出以Excel的文件格式數(shù)據(jù)存儲在上位計算機上，采用LabVIEW可視化圖形軟件編寫計算機終端的螺栓拉伸量數(shù)據(jù)分析處理管理軟件，對歷史數(shù)據(jù)進行查詢統(tǒng)計和分析判斷，根據(jù)歷史數(shù)據(jù)繪制歷史趨勢曲線圖，能直觀反映出拉伸量的變化幅度，并能自動計算出合格數(shù)與不合格數(shù)數(shù)量并自動繪制測試過程拉伸曲線并最終形成數(shù)據(jù)分析報告，液壓螺栓拉伸量測量數(shù)據(jù)分析界面見圖7。

圖7　螺栓拉伸量數(shù)據(jù)測量裝置數(shù)據(jù)分析界面

2.9現(xiàn)場應(yīng)用

測量裝置通過庫爾勒等機務(wù)段柴油機檢修作業(yè)現(xiàn)場實地應(yīng)用，實現(xiàn)了數(shù)字化測量和顯示、測量數(shù)據(jù)超限判斷、數(shù)據(jù)存儲分析等，生成測量的時間日期、位號、各表測量值、操作者、試驗類型、試驗結(jié)果等數(shù)據(jù)，按照檢修工藝要求，主軸承和汽缸蓋螺栓緊固后伸長量應(yīng)為0.65～0.75 mm，HMI界面顯示的數(shù)據(jù)與位移傳感器檢測的值均在工藝許可范圍內(nèi)達到了預(yù)期的要求，柴油機檢修主軸承螺栓拉伸應(yīng)用測試見圖8。

圖8　機務(wù)段主軸承螺栓拉伸應(yīng)用測試

3　結(jié)束語

液壓螺栓拉伸量數(shù)據(jù)測量裝置的應(yīng)用，實現(xiàn)了主軸承和汽缸蓋螺栓檢修的數(shù)字化測量、顯示及超限判斷，通過采用位移傳感測量技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)機械指針式百分表進行數(shù)字化測量螺栓拉伸量，集成傳感器技術(shù)、人機交互技術(shù)、通訊接口等技術(shù)實現(xiàn)被測數(shù)據(jù)的自動測量、數(shù)字顯示、數(shù)據(jù)存儲、分析判斷等功能，便于操作人員、管理人員等隨時掌握拉伸變化量，避免工作人員疏忽大意造成誤判斷，實現(xiàn)了檢測作業(yè)由人控到機控的有效轉(zhuǎn)變，達到了拉伸檢測作業(yè)的規(guī)范性、可靠性、高效率的管理，大大提高了螺栓拉伸緊固連接質(zhì)量，保證了大功率柴油機機車整體檢修水平，同時將檢修數(shù)據(jù)上傳數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)了檢修數(shù)據(jù)信息共享，提高了檢修作業(yè)信息化管理水平。

[1]魏克新，趙鋼，等.自動控制綜合應(yīng)用技術(shù)[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2008.

[2]中達電通股份有限公司， DOP-B人機界面使用手冊[Z].

[3]雷振山,魏麗，趙晨光，等.LabVIEW高級編程與虛擬儀器工程應(yīng)用[M].北京：中國鐵道出版社，2013.

[4]烏魯木齊鐵路局科學(xué)技術(shù)研究所.數(shù)字式螺栓拉伸測量裝置研制報告[R].2015.

Hydraulic Bolt Drawing Value Data Measurement Method Research

TIANYong

(Urumqi Railway Administration Institute of Science and Technology, Urumqi 830011 Xinjiang, China)

The traditional hydraulic bolt tensile data measurement methods mainly adopts the traditional mechanical pointer type dial indicator，this by artificial monitoring manual record data mode of operation, there is a man-made misreading and many uncertain factors，directly affect the quality of the bolt fastening and the overall performance of the equipment. The new type of hydraulic bolt tensile data using amount of tensile collected displacement sensor signal measurement, through the digital dial indicator real-time display bolt tensile measurement data, at the same time will be collected by multichannel data acquisition system conversion module via RS232 serial interface to transmit data to industrial touch screen controller, multi-channel data collected for internal logic operations, judgment, analysis and reporting errors, and the measured data will be automatically stored file and upload form, for the inspection and management personnel for data verification and problem analysis.

bolt on tensile strength; displacement transducer; industrial touch screen; measurements

1008-7842 (2016) 04-0024-04

男，高級工程師(

2016-04-13)

U262.29

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.04.06