軌道交通車輛螺栓連接質(zhì)量檢測(cè)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(gè)龐大和復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng),使用了上萬量級(jí)數(shù)量的螺栓連接,螺栓連接質(zhì)量的可靠性關(guān)系到車輛運(yùn)行的安全性。為了保證螺栓連接的安全可靠性,方案設(shè)計(jì)階段通過螺栓設(shè)計(jì)和仿真來評(píng)估服役安全性[1-4],生產(chǎn)階段通過裝配控制和檢測(cè)來保證可靠性。

質(zhì)量監(jiān)控是螺栓連接安全應(yīng)用的重要一環(huán),是對(duì)擰緊工藝穩(wěn)定性、可靠性的一種考核。質(zhì)量監(jiān)控一般包括兩個(gè)方面,一方面是監(jiān)控螺栓擰緊工藝準(zhǔn)確性,通常采用“過程法”這種動(dòng)態(tài)方式來評(píng)定;另一方面是評(píng)估已裝配螺栓連接的可靠性,通常采用“事后檢驗(yàn)法”這種靜態(tài)方式來評(píng)價(jià)[5]。扭矩檢測(cè)是常用的靜態(tài)監(jiān)控形式,分為緊固法、松開法和標(biāo)記法[6-7],其中緊固法目前應(yīng)用最廣泛。螺栓擰緊后通常會(huì)發(fā)生扭矩衰減,一般在擰緊操作完成后的30 ms內(nèi)會(huì)出現(xiàn)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(huì)出現(xiàn)離散。被連接件的狀態(tài)對(duì)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(guān)系是軟連接>中性連接>硬連接[7,10]。扭矩檢測(cè)需要針對(duì)不同連接類型制定不同的監(jiān)控方法。

德國工程師協(xié)會(huì)發(fā)布了螺栓工藝過程能力測(cè)試方法的VDI 2645-3標(biāo)準(zhǔn),有峰值和殘余扭矩等檢測(cè)扭矩的測(cè)試方法,通過SPC方法還可計(jì)算檢測(cè)扭矩,以此評(píng)判工藝是否合格。由于殘余扭矩測(cè)量對(duì)檢測(cè)設(shè)備要求較高,大多數(shù)汽車行業(yè)企業(yè)都利用指示式扭矩扳手或數(shù)顯扭矩扳手以峰值扭矩方法評(píng)價(jià)螺栓連接的質(zhì)量[11-13]。大眾汽車有監(jiān)控螺栓連接質(zhì)量的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)VW 01110-2,規(guī)定用扭矩檢測(cè)來能保證裝配可靠和過程穩(wěn)定。該企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)應(yīng)用危險(xiǎn)等級(jí)將螺栓連接分為A、B、C三類,危險(xiǎn)等級(jí)較高的A/B類檢測(cè)扭矩范圍是0.8倍裝配扭矩到1.2倍裝配扭矩,危險(xiǎn)等級(jí)較低C類檢測(cè)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(cè)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(zhì)量監(jiān)控方面目前還沒有形成行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),也沒有定量的檢測(cè)扭矩指導(dǎo)。本文研究軌道交通車輛行業(yè)適用的螺栓連接質(zhì)量監(jiān)控方法,包括擰緊工藝動(dòng)態(tài)扭矩系數(shù)評(píng)估方法,檢驗(yàn)扭矩的測(cè)試和分析方法,并給出典型螺栓連接的檢測(cè)扭矩分析結(jié)果,為軌道交通車輛螺栓連接質(zhì)量評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)的制定奠定基礎(chǔ)。

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(tǒng)(簡稱為智能扳手)和精度±5%的機(jī)械定值扭力扳手(簡稱為機(jī)械扳手)。智能扳手主要用于車輛制造中關(guān)鍵部位螺栓的裝配,機(jī)械扳手主要用于車輛制造中非關(guān)鍵部位螺栓的裝配和車輛運(yùn)營后螺栓連接的維護(hù)。

智能扳手可實(shí)時(shí)數(shù)字顯示擰緊扭矩,并有聲、光和振動(dòng)提示,擰緊扭矩合格后將結(jié)果上傳系統(tǒng),能實(shí)現(xiàn)對(duì)擰緊扭矩的嚴(yán)格監(jiān)控。機(jī)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(shè)定是一個(gè)扭矩范圍,而機(jī)械扳手扭矩設(shè)定是一個(gè)扭矩固定值。緊固連接一般要求裝配扭矩是基于設(shè)計(jì)扭矩T上下浮動(dòng)5%,即是T×(1±5%),因此機(jī)械扳手的設(shè)定緊固扭矩是設(shè)計(jì)扭矩T,智能扳手設(shè)定扭矩范圍為0.95T～1.05T。

工人每日均會(huì)對(duì)使用的扳手進(jìn)行標(biāo)定,按圖紙要求的設(shè)計(jì)扭矩和工藝要求對(duì)螺栓進(jìn)行裝配。質(zhì)檢人員會(huì)在螺栓裝配后對(duì)螺栓裝配質(zhì)量進(jìn)行定性檢測(cè)。

2 擰緊工藝測(cè)試及評(píng)估

為評(píng)估擰緊工藝,本文采用動(dòng)態(tài)扭矩測(cè)試對(duì)機(jī)械扳手和智能扳手的實(shí)際施加扭矩進(jìn)行測(cè)試,應(yīng)用SPC方法對(duì)擰緊工藝進(jìn)行評(píng)估。

動(dòng)態(tài)扭矩是螺栓擰緊過程中的扭矩峰值。采用扭矩轉(zhuǎn)角傳感器(精度±1%)和多功能便攜式轉(zhuǎn)矩分析儀可測(cè)試動(dòng)態(tài)扭矩。在擰緊工具上安裝連接扭矩轉(zhuǎn)角傳感器,在擰緊螺栓過程中通過轉(zhuǎn)矩分析儀采集動(dòng)態(tài)扭矩。本文對(duì)9種螺栓連接共85個(gè)樣本的機(jī)械扳手?jǐn)Q緊和對(duì)5種螺栓連接共45個(gè)樣本的智能扳手?jǐn)Q緊進(jìn)行動(dòng)態(tài)扭矩測(cè)試。

為實(shí)現(xiàn)不同型號(hào)螺栓、不同操作人員和不同設(shè)計(jì)扭矩的擰緊工藝歸一化評(píng)估,本文定義并使用無量綱數(shù)-動(dòng)態(tài)扭矩系數(shù)αT作為分析參數(shù)。動(dòng)態(tài)扭矩系數(shù)αT是動(dòng)態(tài)扭矩與設(shè)計(jì)扭矩之比。根據(jù)SPC方法和擰緊扭矩目標(biāo)T×(1±5%),動(dòng)態(tài)扭矩系數(shù)要求規(guī)格是1±0.05,即動(dòng)態(tài)扭矩系數(shù)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(cè)得動(dòng)態(tài)扭矩系數(shù)在規(guī)格要求0.95～1.05范圍內(nèi)則判定擰緊扭矩滿足裝配需求。

圖1(a)和圖1(b)分別是機(jī)械扳手和智能扳手?jǐn)Q緊動(dòng)態(tài)扭矩系數(shù)控制圖。測(cè)試得到機(jī)械扳手?jǐn)Q緊的動(dòng)態(tài)扭矩系數(shù)αT范圍為0.79～1.66。相比設(shè)計(jì)扭矩,動(dòng)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(jī)械扳手對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)扭矩超出規(guī)格上限和下限,不滿足裝配扭矩要求。測(cè)試得到智能扳手?jǐn)Q緊的動(dòng)態(tài)扭矩系數(shù)αT范圍為0.94～1.04,動(dòng)態(tài)扭矩系數(shù)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(cè)設(shè)備精度引起的。從圖1(b)可知,智能扳手對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)扭矩基本在規(guī)定上限和下限范圍內(nèi)。

(a) 機(jī)械扳手

根據(jù)螺栓工藝過程能力要求,裝配扭矩需要準(zhǔn)確、集中且穩(wěn)定。動(dòng)態(tài)扭矩測(cè)試結(jié)果表明,機(jī)械扳手?jǐn)Q緊的動(dòng)態(tài)扭矩離散大、偏差大,不滿足裝配扭矩要求和扭矩檢驗(yàn)條件,被擰緊螺栓存在超屈服的風(fēng)險(xiǎn)。

3 起動(dòng)和殘余扭矩測(cè)試與分析

為評(píng)估已裝配螺栓連接的可靠性,普遍使用緊固法來“事后”檢驗(yàn)螺栓連接,如果檢測(cè)到扭矩衰減后的扭矩特征符合規(guī)定的檢測(cè)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(cè)扭矩范圍的確定方法是本文的研究重點(diǎn)。

擰緊扭矩隨轉(zhuǎn)角變化有2種曲線形式,見圖2。擰緊螺栓時(shí)螺栓從靜止到轉(zhuǎn)動(dòng)是靜摩擦轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦的過程,所以理論上扭矩隨轉(zhuǎn)角增加過程中會(huì)出現(xiàn)極大值點(diǎn)(圖2(a)),在極值點(diǎn)螺栓發(fā)生脫離起動(dòng),對(duì)應(yīng)扭矩常被稱為起動(dòng)扭矩。極小值點(diǎn)對(duì)應(yīng)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(zhuǎn)動(dòng)摩擦過程不明顯,轉(zhuǎn)角-扭矩曲線出現(xiàn)圖2(b)的形式,此時(shí)起動(dòng)扭矩和殘余扭矩差異不明顯。

(a) 轉(zhuǎn)角-扭矩曲線形式一

起動(dòng)扭矩和殘余扭矩是螺栓緊固后的兩個(gè)可量化的扭矩檢測(cè)特征,需要與使用的檢測(cè)工具匹配。殘余扭矩測(cè)量通過采集轉(zhuǎn)角-扭矩曲線確定殘余扭矩,如果測(cè)得殘余扭矩在規(guī)定范圍內(nèi)則判定合格,該檢測(cè)方法對(duì)檢測(cè)設(shè)備要求較高。起動(dòng)扭矩檢測(cè)方法是復(fù)緊螺栓時(shí), 當(dāng)扳手讀數(shù)達(dá)到起動(dòng)扭矩下限,螺母不轉(zhuǎn)動(dòng),而螺母轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的讀數(shù)值小于起動(dòng)扭矩上限則可判定為合格。該檢測(cè)方法對(duì)設(shè)備要求較低,使用數(shù)顯扳手等“可讀扭矩”扳手即可,測(cè)試方便。

3.1 起動(dòng)和殘余扭矩測(cè)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(duì)象,分別為①緊急通風(fēng)逆變器連接螺栓M12(8.8級(jí)),設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(duì)接法蘭連接螺栓M8(A2-70),設(shè)計(jì)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(shí)物圖

起動(dòng)扭矩和殘余扭矩測(cè)試方法是按設(shè)計(jì)扭矩T使用精度±1%數(shù)顯扳手對(duì)螺栓進(jìn)行擰緊,保證裝配扭矩滿足設(shè)計(jì)要求。擰緊30 min內(nèi)使用Inspector數(shù)顯扳手復(fù)緊螺栓,該扳手能采集到轉(zhuǎn)角-扭矩曲線,從曲線讀取到起動(dòng)扭矩和殘余扭矩。一般在裝配后30 min內(nèi)進(jìn)行扭矩測(cè)試,因?yàn)榇藭r(shí)間段扭矩衰減和環(huán)境狀態(tài)都相對(duì)穩(wěn)定。3種連接類型測(cè)試樣本數(shù)量均為30個(gè)。

3.2 起動(dòng)和殘余扭矩結(jié)果分析

3種連接螺栓起動(dòng)扭矩和殘余扭矩平均值μ和標(biāo)準(zhǔn)差σ統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果見表1。從表1可以看出,每種連接的起動(dòng)扭矩平均值μ比殘余扭矩平均值大0～0.7T,起動(dòng)扭矩標(biāo)準(zhǔn)差σ與殘余扭矩標(biāo)準(zhǔn)差σ基本相同,說明起動(dòng)扭矩特征穩(wěn)定性與殘余扭矩穩(wěn)定性相當(dāng)。圖4給出了起動(dòng)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(dòng)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?yàn)閺?fù)緊過程中靜摩擦轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦過程不明顯,絕大部分殘余扭矩與起動(dòng)扭矩相同。

表1 3種連接螺栓起動(dòng)扭矩和殘余扭矩統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果

圖4 起動(dòng)扭矩和殘余扭矩正態(tài)分布概率密度曲線

對(duì)于本次測(cè)試樣本,緊急通風(fēng)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(duì)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(xiàn)了嚴(yán)重的扭矩衰減。如果軟連接應(yīng)用在風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)較高部位,在質(zhì)量監(jiān)控中需要根據(jù)非金屬材料厚度和材質(zhì)等特性詳細(xì)測(cè)試和分析評(píng)估。

4 檢測(cè)扭矩分析

不管是殘余扭矩檢測(cè)還是起動(dòng)扭矩檢測(cè),都需要確定相對(duì)穩(wěn)定、可控、合理檢測(cè)扭矩范圍來評(píng)判螺栓連接是否合格。根據(jù)SPC方法假設(shè)扭矩特征服從正態(tài)分布N(μ,σ2),當(dāng)過程處于穩(wěn)態(tài)時(shí)螺栓連接扭矩特征有99.73%落在μ±3σ范圍內(nèi)(3σ法則),95.45%落在μ±2σ范圍內(nèi)(2σ法則),其中μ代表統(tǒng)計(jì)平均值,因此可通過3σ原則或2σ原則確定扭矩檢測(cè)范圍。

本文主要分析起動(dòng)扭矩檢測(cè)方法的扭矩檢測(cè)范圍,殘余扭矩檢測(cè)范圍確定方法類似。從3種連接螺栓起動(dòng)扭矩μ±2σ和μ±3σ的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出,起動(dòng)扭矩統(tǒng)計(jì)值μ-3σ比μ-2σ小0.6～0.8,接地線連接螺栓起動(dòng)扭矩統(tǒng)計(jì)值μ-3σ只有0.33。如果將起動(dòng)扭矩統(tǒng)計(jì)值μ-3σ作為扭矩下限,對(duì)扭矩檢測(cè)要求偏低,不能起到嚴(yán)格監(jiān)控的作用,因此本文選用μ-2σ作為起動(dòng)扭矩檢測(cè)下限。為得到穩(wěn)定性和控制性較好的扭矩檢測(cè)范圍,起動(dòng)扭矩檢測(cè)上限選用μ+3σ值。根據(jù)正態(tài)分布統(tǒng)計(jì)理論,起動(dòng)扭矩在[μ-2σ,μ+3σ]范圍內(nèi)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(fēng)逆變器連接螺栓起動(dòng)扭矩范圍為[0.87,1.15],接地線連接螺栓起動(dòng)扭矩范圍為[0.72,1.12],車下線管對(duì)接法蘭連接螺栓起動(dòng)扭矩范圍為[0.40,0.73]。在實(shí)際質(zhì)量監(jiān)控中,上述起動(dòng)扭矩上下限可適當(dāng)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(dòng)扭矩下限,取整上限需大于起動(dòng)扭矩上限,例如車下線管對(duì)接法蘭連接螺栓的扭矩檢測(cè)下限和上限可取設(shè)計(jì)扭矩的40%和設(shè)計(jì)扭矩的80%。

從起動(dòng)扭矩測(cè)試結(jié)果來看,緊急通風(fēng)逆變器連接螺栓和接地線連接螺栓的起動(dòng)扭矩均在檢測(cè)扭矩范圍內(nèi),螺栓連接合格。車下線管對(duì)接法蘭連接螺栓30件測(cè)試樣本中僅有1個(gè)測(cè)試樣本的起動(dòng)扭矩為4.2 N/m,不在檢測(cè)扭矩范圍內(nèi)。

5 結(jié)論

本文研究適用于軌道交通車輛螺栓連接質(zhì)量監(jiān)控,包括擰緊工藝動(dòng)態(tài)扭矩系數(shù)測(cè)試和評(píng)估、起動(dòng)和殘余扭矩測(cè)試,以及檢測(cè)扭矩分析方法。針對(duì)軌道車輛典型螺栓連接,通過測(cè)試和分析得到如下結(jié)論:

(1)定義動(dòng)態(tài)扭矩系數(shù)對(duì)擰緊工藝進(jìn)行評(píng)估。機(jī)械扳手?jǐn)Q緊的動(dòng)態(tài)扭矩偏差大、離散大,不滿足裝配扭矩要求和扭矩檢驗(yàn)條件。智能扳手?jǐn)Q緊滿足裝配扭矩要求。

(2)螺栓起動(dòng)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(duì)本次測(cè)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(xiàn)了嚴(yán)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(cè)扭矩范圍,使扭矩監(jiān)控更嚴(yán)格且可靠性高。應(yīng)用此方法得到了3種典型連接螺栓的檢測(cè)扭矩。