基于VDI2230設(shè)計(jì)的軌道車輛螺栓扭矩緊固特殊過程控制方法研究

陸冠任 任東軍

摘 要：本文以新加坡地鐵車輛的螺栓聯(lián)接為例，介紹了基于VDI2230設(shè)計(jì)的螺栓聯(lián)接結(jié)構(gòu)，結(jié)合ISO22613標(biāo)準(zhǔn)體系關(guān)于特殊過程的要求，識別出滿足扭矩緊固過程的控制參數(shù)，并結(jié)合新加坡R151項(xiàng)目的實(shí)施經(jīng)驗(yàn)確定其有效性，用于進(jìn)行特殊過程控制。

關(guān)鍵詞：軌道車輛;螺栓聯(lián)接；特殊過程；扭力緊固；過程參數(shù)

1 螺栓聯(lián)接在軌道交通車輛的應(yīng)用

近幾年，我國軌道交通系統(tǒng)發(fā)展迅速，截至2021年9月30日，大陸地區(qū)累計(jì)49個城市開通城市軌道交通運(yùn)營，線路總長度8553.40千米，其中地鐵6737.73千米，占比78.77%；市域快軌運(yùn)營里程865.21千米，占比10.12%；輕軌217.60千米，占比2.54%；現(xiàn)代有軌電車516.36千米，占比6.04%；中低速磁浮交通57.7千米，占比0.67%；單軌及其他系統(tǒng)158.8千米，占比1.86%，截至2020年底，全國城軌交通累計(jì)配屬車輛8342列。

螺栓聯(lián)接作為軌道交通車輛最常見的方式，以作者從事的新加坡R151項(xiàng)目車輛為例，全車帶力矩緊固要求的螺栓聯(lián)接數(shù)量（不含供應(yīng)商供貨范圍）達(dá)12873處，其中轉(zhuǎn)向架裝配部分更高達(dá)332處。螺栓聯(lián)接直接決定了車輛的運(yùn)行安全，為此軌道車輛的ISO22163體系將螺栓聯(lián)接對應(yīng)的扭力緊固作為特殊過程進(jìn)行要求和管理，但相對于焊接特殊過程可以參照EN1508標(biāo)準(zhǔn)和粘接特殊過程參照DIN6701標(biāo)準(zhǔn)而言，扭力緊固并無相關(guān)體系性標(biāo)準(zhǔn)。各主機(jī)廠在執(zhí)行過程中，僅參考ISO22163的附加指導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)，從裝配操作過程和技術(shù)層面而言，難以執(zhí)行且無法有效降低失效風(fēng)險(xiǎn)。

2 扭力緊固特殊過程的問題

扭力緊固作為ISO22163定義的15類中的第13種，應(yīng)按IRQB guideline 6特殊過程的管理要求組織建立對應(yīng)管理程序，相比較焊接和粘接體系，缺少相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，而在整個ISO22613體系要求中，僅在其7.1.5.3中要求對“特殊過程中所使用的工具（如扭矩扳手和壓接鉗）”按監(jiān)視和測量資源進(jìn)行管理。這使得絕大多數(shù)體系認(rèn)證和審核工作將控制扭矩扳手作為過程的重中之重進(jìn)行控制，不僅浪費(fèi)大量的人力和物力，而輸出的過程依然得不到保障，車輛的螺栓在運(yùn)行過程中松動和斷裂的現(xiàn)象依然沒有改觀。同時以國內(nèi)某地鐵項(xiàng)目和新加坡項(xiàng)目為對比，國內(nèi)項(xiàng)目未按ISO22163要求進(jìn)行力矩扳手管控，國外項(xiàng)目則嚴(yán)格按ISO22163要求進(jìn)行管控，其對比結(jié)果為國外項(xiàng)目相比國內(nèi)項(xiàng)目并無明顯的改善提升。

究其原因，則是當(dāng)前針對扭力緊固，并未認(rèn)識到其緊固的本質(zhì)及作為特殊過程的要求。根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》定義，螺栓聯(lián)接的目的是讓兩個被連接體緊密貼合，并拉伸螺桿產(chǎn)生軸向預(yù)應(yīng)力來夾緊兩個被連接件，以確保被連接零件的可靠連接和正常工作，即螺栓聯(lián)接的目的是獲得軸向預(yù)應(yīng)力（簡稱軸力F）。通過GB/T 16823.3《螺紋緊固件擰緊試驗(yàn)方法》可知，通過制作緊固樣件可對扭矩系數(shù)K，軸力F，螺紋摩擦系數(shù)μs，支撐面摩擦系數(shù)μw，總摩擦系數(shù)μtot進(jìn)行測定。

特殊過程最早的定義來自ISO9000標(biāo)準(zhǔn)體系，指某些加工或裝配質(zhì)量不易或不能通過其后的檢驗(yàn)或試驗(yàn)而得到充分驗(yàn)證的過程（工序），對照螺栓聯(lián)接的扭力緊固無法經(jīng)濟(jì)有效地獲得軸力F值滿足特殊過程的定義。螺栓聯(lián)接的扭力緊固特殊過程控制要解決的核心問題是，如何通過過程控制的手段保證軌道車輛上螺栓聯(lián)接部位的軸力F值符合設(shè)計(jì)的要求。

3 扭力緊固特殊過程的問題分析

3.1 基于VDI2230設(shè)計(jì)的螺栓影響軸力的因素分析

以龐巴迪公司的新加坡R151項(xiàng)目為例，螺栓聯(lián)接根據(jù)VDI2230進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)，而在VDI2230中指出在螺栓安裝過程中有5個方面會影響軸力F，分別為：

a.相對于另一個面移動的接觸面間的摩擦比（可等同理解為摩擦系數(shù)μw及μs）；b.螺栓聯(lián)接結(jié)構(gòu)的幾何特征；c.螺栓聯(lián)接結(jié)構(gòu)的應(yīng)力；d.扭緊方法；e.扭緊工具。五個因素展開分析如下。

3.2 軸力F及緊固扭矩T關(guān)系分析

依據(jù)GB/T 16823.2《螺紋緊固件緊固通則》定義，在彈性區(qū)內(nèi)軸力F及緊固扭矩T關(guān)系可表達(dá)為T=Ts+Tw=（Ft/2（P/π+μs·d2·sec d））+（Ft/2·μw·Dw）=KFd，其中Ts定義為螺紋扭矩，Tw定義為支撐面扭矩，d為螺紋公稱直徑，μs為螺紋摩擦系數(shù)，μw為支撐面摩擦系數(shù)，Dw為支撐面摩擦扭矩的等效直徑，K為扭矩系數(shù)可等效為K=1/2d（P/π+μs·d2·sec d+μw·Dw）。

在輸入T和螺紋直徑d為定值的條件下，軸力F與緊固扭矩T的關(guān)系可認(rèn)為與扭矩系數(shù)K正相關(guān)，或與兩個摩擦系數(shù)μw及μs正相關(guān)。即為確保獲得目標(biāo)軸力，需對過程參數(shù)K或過程參數(shù)摩擦系數(shù)μw及μs進(jìn)行測量監(jiān)控，當(dāng)過程參數(shù)穩(wěn)定可控后，結(jié)果必然受控。

3.3 螺栓聯(lián)接結(jié)構(gòu)的幾何特征

螺栓聯(lián)接結(jié)構(gòu)的幾何特征分為宏觀幾何特征和微觀幾何特征。

3.3.1 宏觀幾何特征

宏觀幾何特征主要按以下分布討論：首先，分為單螺栓聯(lián)接和多螺栓聯(lián)接。其次，單螺栓聯(lián)接分為同心或偏心結(jié)構(gòu)。然后，多螺栓聯(lián)接分為在一個平面直線上軸對稱、對稱和非對稱。不同的結(jié)構(gòu)對應(yīng)的螺栓聯(lián)接件受力而產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力σ1分布及作用在螺栓上的應(yīng)力σ2分布，從而改變軸力F的大小。

此部分在裝配中的影響為螺栓的緊固順序及被聯(lián)接工件安裝時是否需要夾緊。

3.3.2 微觀幾何特征

微觀幾何特征主要討論的是：a.螺栓或螺母頭與被夾緊面之間的不平整度；b.螺紋副的夾角（例如自鎖螺紋）、齒形及咬合間隙。

此部分在裝配中的影響為螺栓聯(lián)接結(jié)構(gòu)的所有零部件的表面幾何尺寸需要受到控制。另外，在VDI2230標(biāo)準(zhǔn)中還給出一種極端情況，當(dāng)有大于25μm的不平整度（例如壓痕）可能產(chǎn)生極限表面壓力，即聯(lián)接面之間為局部點(diǎn)接觸代替面接觸時，且接觸點(diǎn)的強(qiáng)度和硬度足以滿足給定扭力狀態(tài)下的目標(biāo)軸力，雖然緊固成功，但聯(lián)接結(jié)構(gòu)經(jīng)過運(yùn)行后點(diǎn)接觸部分壓潰從而產(chǎn)生失效。

3.4 螺栓聯(lián)接結(jié)構(gòu)的應(yīng)力

螺栓結(jié)構(gòu)通過應(yīng)力的疊加從而改變了目標(biāo)軸力，導(dǎo)致螺栓聯(lián)接失效，主要影響軸力的應(yīng)力包括：

（1）實(shí)際的聯(lián)接結(jié)構(gòu)的工作應(yīng)力與設(shè)計(jì)模型不一致。同時應(yīng)考慮熱應(yīng)力的參與導(dǎo)致材料特性發(fā)生變化。

（2）交變應(yīng)力，由于交變應(yīng)力無法準(zhǔn)確預(yù)測峰谷值，從而導(dǎo)致與設(shè)計(jì)模型不一致。

（3）加壓表面（被夾緊面）的強(qiáng)度及硬度。主要表現(xiàn)為：被夾緊物體在長時間的力的加載下互相發(fā)生滲透，實(shí)際產(chǎn)生在被夾緊物體表面的壓強(qiáng)大于其表面壓強(qiáng)從而導(dǎo)致塌陷，同時還應(yīng)考慮熱應(yīng)力的參與。

（4）螺紋咬合長度，即要求螺栓長度應(yīng)多于螺母或內(nèi)螺紋結(jié)構(gòu)3扣以上（參考標(biāo)準(zhǔn)DIN78）。另一方面螺母的強(qiáng)度等級應(yīng)低于螺栓的強(qiáng)度等級。

（5）剪切載荷，原則上螺栓只受拉力，不承載剪切力。當(dāng)承載剪切力時，需額外根據(jù)DIN50141標(biāo)準(zhǔn)要求施行剪切/孔彎曲壓力連接試驗(yàn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)驗(yàn)證。

3.5 扭緊方法&擰緊工具

VDI2230中定義了一個“組裝不確定因數(shù)αA”用于確定扭緊方法，αA為同一規(guī)格條件下螺紋連接的允許軸力的最大值和最小值之比獲得。該數(shù)值越大，意味著螺栓軸力范圍越大，也就對安裝精度要求不高，反之則對安裝精度要求較高。

當(dāng)αA值在1.4以下時，需要用專用緊固工具進(jìn)行螺栓聯(lián)接，并控制安裝后的軸力或螺栓的彈性伸縮長度（例如汽車流水線工位上的擰緊軸）。αA值在1.4～1.6時，需要用轉(zhuǎn)角法來控制（帶轉(zhuǎn)角控制的高精度扭力扳手）。當(dāng)αA值在1.6之上后，則可以用扭力法來控制（顯示力矩值的扭力扳手）。

綜合以上因素，將扭力過程中涉及的零部件質(zhì)量影響和裝配方法影響列示如下表：

通過上表可以得出，摩擦系數(shù)μs和μw轉(zhuǎn)化到幾何特征和結(jié)構(gòu)應(yīng)力中，在結(jié)構(gòu)應(yīng)力中的工作應(yīng)力、交變應(yīng)力、剪切載荷，與組裝過程的產(chǎn)品質(zhì)量和裝配方法無直接關(guān)系，為設(shè)計(jì)過程考慮的風(fēng)險(xiǎn)因素。部分與零部件供貨質(zhì)量相關(guān)，為產(chǎn)品質(zhì)量管理控制范疇，可采用APQP、PPAP、SPC、MSA等手段控制，其余與裝配方法過程相關(guān)的因素，即為產(chǎn)品的過程控制參數(shù)。

4 扭力緊固特殊過程的參數(shù)控制

通過以上分析，獲得基于VDI2230設(shè)計(jì)的螺栓，對應(yīng)的過程控制參數(shù)歸納如下：

4.1 設(shè)計(jì)規(guī)定的αA，選擇合適的緊固方法和緊固工具

當(dāng)采用αA值-扭矩法時，采用的扭力扳手不是過程控制參數(shù)，而是作為計(jì)量器具，易采用MSA分析控制工具精度的穩(wěn)定性。

當(dāng)采用αA值-轉(zhuǎn)角法及其他方法時，扭緊工具作為過程參數(shù)須嚴(yán)格控制，例如，采用班前試樣檢測的方式驗(yàn)證工具是否合適。

4.2 確定產(chǎn)品是否需要夾持

采用螺栓聯(lián)接的組裝產(chǎn)品是否需要夾持，夾持方法是否有特殊要求，以避免與宏觀幾何特征下的受力發(fā)生變化。

4.3 被夾緊面的過程控制

該過程控制參數(shù)主要包括：被夾緊面的不平整度；兩個貼合面的配合狀態(tài)；表面強(qiáng)度（典型的，例如許多螺栓聯(lián)接面要求底漆，而不是面漆）；各種防松墊圈的安裝是否正確。

4.4 螺紋副的過程控制

該過程控制參數(shù)主要包括：內(nèi)外螺紋表面是否需要清潔，表面鍍層是否被破壞，內(nèi)外螺紋表面是否進(jìn)行潤滑及潤滑是否充分（包括正和負(fù)潤滑），螺栓和螺母的等級是否匹配（以碳鋼螺栓為例，8.8級螺栓配合8級螺母）。安裝后螺紋預(yù)留長度是否符合設(shè)計(jì)要求。

4.5 熱應(yīng)力的過程控制

該過程控制參數(shù)主要包括：裝配溫度、工作溫度、安裝摩擦熱消除（如控制螺紋旋進(jìn)速度，采用冷卻液降溫）。

針對以上過程控制參數(shù)，以新加坡R151項(xiàng)目的某失效部位螺栓，采用DOE實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)參照組后對其螺栓聯(lián)接結(jié)構(gòu)進(jìn)行樣件制作，并按GB/T 16823.3螺紋緊固件擰緊試驗(yàn)方法進(jìn)行驗(yàn)證。通過控制以上5個方面的參數(shù)，其樣件完全獲得的軸力完全達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)期的軸力。并有效解決了螺栓失效的裝配過程問題。

5 基于過程參數(shù)的控制方法設(shè)計(jì)及實(shí)施

扭力緊固特殊過程的控制方法，可采用基于風(fēng)險(xiǎn)分析的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，并按PDCA的原則實(shí)施。

首先，針對該特殊過程進(jìn)行P-FEMA風(fēng)險(xiǎn)分析，其中風(fēng)險(xiǎn)分析的失效模式可重點(diǎn)傾向于過程參數(shù)失效。根據(jù)作者在《P-FMEA在軌道車輛制造業(yè)過程設(shè)計(jì)開發(fā)中的應(yīng)用研究》一文的結(jié)論，將過程參數(shù)失效的措施對應(yīng)到具體的5M1E的控制和改進(jìn)，同時形成過程檢查標(biāo)準(zhǔn)，建立過程參數(shù)狀態(tài)記錄以用于追溯性管理。

其次，再依據(jù)過程風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的頻次，確定檢查計(jì)劃，頻次低的可采用過程參數(shù)抽檢，相反則可采用全檢或全過程監(jiān)測。如果企業(yè)有條件，可在MES系統(tǒng)中進(jìn)行數(shù)據(jù)采集開發(fā)，實(shí)現(xiàn)信息自動化。

最后，應(yīng)定期地對特殊過程進(jìn)行再確認(rèn)，以保證5M1E滿足過程風(fēng)險(xiǎn)控制的要求。

結(jié)語

本文通過對ISO22613體系關(guān)于特殊過程的要求進(jìn)行分析，以龐巴迪內(nèi)部采用VDI2230設(shè)計(jì)制造的螺栓為研究對象，針對該特殊過程系統(tǒng)提出其過程參數(shù)，并結(jié)合新加坡R151項(xiàng)目的實(shí)施經(jīng)驗(yàn)，確定其有效性。國內(nèi)外軌道車輛主機(jī)廠其扭力緊固過程的螺栓聯(lián)接基于VDI2230設(shè)計(jì)開發(fā)時可直接應(yīng)用，對其他方式設(shè)計(jì)開發(fā)的螺栓聯(lián)接過程控制提供了一定借鑒。

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作者簡介：陸冠任（1987— ），男，漢族，吉林輝南人，學(xué)士，中級工程師，研究方向：智能制造及工業(yè)化。