軌道交通車輛中螺栓安裝預(yù)緊力精度分析及控制措施

王守兵，黃明高，黃欣，汪林峰

（中車株洲電力機(jī)車有限公司，湖南株洲 412001）

0 引言

以電力機(jī)車、城軌車輛、高鐵為代表的軌道交通裝備作為一種大型復(fù)雜的機(jī)電產(chǎn)品，在其結(jié)構(gòu)上大量使用了螺栓連接形式，用于很多傳遞載荷的關(guān)鍵部位。因此螺栓連接的可靠性直接影響著產(chǎn)品質(zhì)量，螺栓連接結(jié)構(gòu)中螺栓的安裝預(yù)緊力是最核心的參數(shù)[1]。本文通過(guò)理論分析、試驗(yàn)測(cè)試、統(tǒng)計(jì)分析等方式研究了軌道交通車輛螺栓安裝預(yù)緊力散差的主要影響因素及控制措施，為提高螺栓連接結(jié)構(gòu)的可靠性提出可行的解決方案。

1 軌道交通螺栓連接特點(diǎn)

近年來(lái)各個(gè)行業(yè)都非常重視對(duì)螺栓預(yù)緊力的研究，如汽車發(fā)動(dòng)機(jī)螺栓、航空發(fā)動(dòng)機(jī)螺栓、風(fēng)電塔筒螺栓、高鐵制動(dòng)盤螺栓，給我們提供較為豐富的參考依據(jù)。與汽車、航空行業(yè)相比，軌道交通車輛中所使用的緊固件規(guī)格普遍較大，主要分布在M6～M36范圍內(nèi)，一般規(guī)格越大，風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)越高。主要使用高強(qiáng)度等級(jí)的碳鋼和不銹鋼材質(zhì)緊固件，緊固件常用涂層為鍍鋅和達(dá)克羅。被連接件一般為碳鋼、鋁合金、不銹鋼等金屬材料（個(gè)別被連接件是非金屬材料）。常用的防松措施有墊圈結(jié)構(gòu)防松、有效力矩型螺母防松、機(jī)械防松等。常用的工具有預(yù)置式機(jī)械轉(zhuǎn)矩扳手、液壓轉(zhuǎn)矩扳手、電動(dòng)轉(zhuǎn)矩扳手、智能數(shù)顯轉(zhuǎn)矩角度扳手、智能擰緊機(jī)等。螺栓擰緊工藝以轉(zhuǎn)矩法為主，個(gè)別位置采用轉(zhuǎn)矩角度法。同時(shí)軌道交通車輛行業(yè)一個(gè)主要特點(diǎn)是以小批量定制化生產(chǎn)模式為主。

2 螺栓預(yù)緊力精度分析

螺栓預(yù)緊力的重要性不言而喻，但在實(shí)際安裝時(shí)卻很難測(cè)量螺栓的預(yù)緊力。近年來(lái)超聲波測(cè)應(yīng)力技術(shù)在螺栓預(yù)緊力測(cè)試上已趨于成熟并廣泛應(yīng)用，給螺栓預(yù)緊力的分析帶來(lái)了極大的便利。但也還具有很大的局限性，例如：超聲波測(cè)試精度受溫度影響較大，只能測(cè)量軸向應(yīng)力，無(wú)法測(cè)量扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，且需要對(duì)螺栓進(jìn)行加工貼片等預(yù)處理。

因緊固件和被連接件摩擦因數(shù)、幾何尺寸、材質(zhì)、工具精度、工人操作方法、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境等因素影響，螺栓安裝后的預(yù)緊力會(huì)有一定的偏差，導(dǎo)致連接結(jié)構(gòu)力學(xué)性能產(chǎn)生分散性。經(jīng)過(guò)大量測(cè)試及理論分析，航空發(fā)動(dòng)機(jī)止口螺栓安裝后的預(yù)緊力散差約為±30%[2]，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋螺栓預(yù)緊力散差約為±35%[3]，某型號(hào)高鐵制動(dòng)盤螺栓預(yù)緊力散差約為±24%[4]。我們采用超聲波螺栓軸力測(cè)試技術(shù)對(duì)軌道交通車輛的部分位置進(jìn)行了螺栓安裝預(yù)緊力現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 部分螺栓安裝位置預(yù)緊力測(cè)試結(jié)果

根據(jù)德國(guó)工程師協(xié)會(huì)《VDI2230高強(qiáng)度螺栓連接的系統(tǒng)計(jì)算》設(shè)計(jì)導(dǎo)則[5]可知，最大預(yù)緊力FMmax與最小預(yù)緊力FMmin的精度表現(xiàn)在擰緊系數(shù)αA上：

擰緊系數(shù)與預(yù)緊力精度的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2所示。從長(zhǎng)期的大批量測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)看，螺栓預(yù)緊力存在±20%散差是普遍存在的情況，螺栓連接本身所能夠承受的軸力范圍也比較寬，有一定的軸力散差是可以接受的。但在特定的應(yīng)用場(chǎng)景中，或者一組螺栓中（如制動(dòng)盤）軸力存在較大散差對(duì)于結(jié)構(gòu)是不利的，應(yīng)分析原因并減少散差。

表2 擰緊系數(shù)與預(yù)緊力精度的關(guān)系

3 螺栓預(yù)緊力試驗(yàn)測(cè)試

為了分析預(yù)緊力精度的影響因素，對(duì)擰緊工具、擰緊速度、擰緊工藝、緊固件及被連接件摩擦因數(shù)等因素開(kāi)展單一變量對(duì)比測(cè)試。試驗(yàn)選取規(guī)格為M12、強(qiáng)度等級(jí)為8.8級(jí)的鍍鋅層螺栓。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)使用軸力傳感器、轉(zhuǎn)矩傳感器和機(jī)械扳手（達(dá)威力預(yù)置式扭力扳手、轉(zhuǎn)矩精度為±4%）、數(shù)顯扳手（Kistler數(shù)顯轉(zhuǎn)矩角度扳手、轉(zhuǎn)矩精度為±1%）、擰緊軸（Atlas電動(dòng)擰緊軸，轉(zhuǎn)矩精度為±1%）對(duì)試驗(yàn)樣件進(jìn)行模擬裝配試驗(yàn)，如圖1所示。試驗(yàn)條件及分組情況如表3所示，共開(kāi)展11組對(duì)比測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表4所示。

圖1 模擬裝配試驗(yàn)

表3 試驗(yàn)條件及測(cè)試分組

表4 測(cè)試結(jié)果

測(cè)試結(jié)果分析如下：

1）第1組（無(wú)潤(rùn)滑）的預(yù)緊力平均值為15.8 kN、散差為±13.6%，第2組（對(duì)螺紋和支撐面涂抹潤(rùn)滑劑）的預(yù)緊力平均值為39.6 kN、散差為±7.2%，說(shuō)明摩擦因數(shù)對(duì)軸力散差影響較大。第1組軸力散差的±13.6%中約一半的散差是由摩擦因數(shù)散差引起的。同時(shí)使用潤(rùn)滑脂摩擦因數(shù)大幅降低，軸力會(huì)大幅增加。因此后續(xù)測(cè)試均對(duì)螺紋和支撐面涂抹潤(rùn)滑劑，盡量排除摩擦因數(shù)散差的影響。

2）第2組（正常速度擰緊）的平均轉(zhuǎn)矩為70.3 N·m、散差為±3%、平均預(yù)緊力為39.6 kN，第5組（快速擰緊）的平均轉(zhuǎn)矩為75.4 N·m、散差為+1%～+20%，平均預(yù)緊力43.0 kN，說(shuō)明手動(dòng)擰緊時(shí)擰緊速度對(duì)轉(zhuǎn)矩和預(yù)緊力的影響較大，快速擰緊螺栓比均勻慢速擰緊螺栓的預(yù)緊力平均增大10%，因此在手動(dòng)擰緊時(shí)，擰緊速度過(guò)大會(huì)導(dǎo)致過(guò)沖，現(xiàn)場(chǎng)操作的規(guī)范性也是導(dǎo)致預(yù)緊力散差大的主要因素。

3）第6組（數(shù)顯扳手）的平均轉(zhuǎn)矩為70.5 N·m、散差為-1%～+2%，平均預(yù)緊力為42.5 kN，散差為±7.1%。與第2組相比，手動(dòng)擰緊時(shí)，數(shù)顯扳手的轉(zhuǎn)矩精度比機(jī)械扳手的轉(zhuǎn)矩精度略高，但對(duì)預(yù)緊力散差影響不大。因此，從擰緊結(jié)果來(lái)說(shuō)，低成本的機(jī)械扳手與高成本的數(shù)顯轉(zhuǎn)矩角度扳手差異不大，從可追溯性方面來(lái)說(shuō)，數(shù)顯扳手聯(lián)網(wǎng)后可以記錄擰緊數(shù)據(jù)（包含擰緊曲線），對(duì)識(shí)別異常擰緊狀態(tài)具有較好的作用。

4）第7組（擰緊軸）的平均轉(zhuǎn)矩為70.8 N·m、散差為0～+1%，平均預(yù)緊力為40.3 kN，散差為±4.9%。與采用機(jī)械扳手的手動(dòng)擰緊（第2組）相比，自動(dòng)擰緊軸緊固的精度更高，結(jié)果更穩(wěn)定，預(yù)緊力精度可達(dá)到±5%以內(nèi)。因此在工序作業(yè)內(nèi)容固定的批量生產(chǎn)中采用自動(dòng)擰緊軸緊固螺栓有利于提升緊固質(zhì)量。

5）對(duì)比第7組、第8組和第9組轉(zhuǎn)矩及預(yù)緊力測(cè)試結(jié)果，這3組的轉(zhuǎn)矩和預(yù)緊力散差非常小，在本次測(cè)試中自動(dòng)擰緊軸的轉(zhuǎn)速在5～20 r/min范圍內(nèi)變化，對(duì)擰緊結(jié)果影響不大，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)可參照該測(cè)試結(jié)果進(jìn)行速度設(shè)置。

6）分析第8組（轉(zhuǎn)矩法）和第10組（轉(zhuǎn)矩角度法）預(yù)緊力測(cè)試結(jié)果，轉(zhuǎn)矩法安裝后的預(yù)緊力散差為±4.9%，轉(zhuǎn)矩角度法為±2.5%。轉(zhuǎn)矩角度法明顯提高了預(yù)緊力的精度，但需要使用帶角度測(cè)量功能的工具，同時(shí)工藝參數(shù)的選取也更加復(fù)雜，可用于預(yù)緊力精度要求較高的部件安裝中。

7）分析第2組（轉(zhuǎn)矩法）和第3組（擰兩次）轉(zhuǎn)矩和預(yù)緊力測(cè)試結(jié)果，第3組測(cè)試是在第2組的基礎(chǔ)上進(jìn)行再次擰緊的結(jié)果。再次擰緊時(shí)轉(zhuǎn)矩會(huì)增大，但預(yù)緊力的平均值和散差均沒(méi)有明顯變化，因?yàn)槁菟ú⑽丛俅无D(zhuǎn)動(dòng)，因此在實(shí)際安裝時(shí)對(duì)螺栓進(jìn)行重復(fù)擰緊一次，對(duì)擰緊結(jié)果影響不大。

8）分析第2組（轉(zhuǎn)矩法）和第4組（拆卸后重新擰緊）轉(zhuǎn)矩和預(yù)緊力測(cè)試結(jié)果，第4組測(cè)試是在第2組的基礎(chǔ)上拆卸后重新擰緊的結(jié)果。預(yù)緊力平均值有所降低、散差明顯增大（由±7%增大到±10.2%），因此，如果再次使用拆卸后的螺栓時(shí)，就應(yīng)考慮摩擦因數(shù)變化對(duì)擰緊結(jié)果影響。

9）上述測(cè)試中也給出了擰緊系數(shù)αA的測(cè)試結(jié)果。在使用VDI2230進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，也可參照測(cè)試結(jié)果在1.2～1.4之間選取，從而得到更加精準(zhǔn)的計(jì)算結(jié)果。

4 提高螺栓預(yù)緊力精度的措施

提高螺栓預(yù)緊力的精度應(yīng)從總體上考慮產(chǎn)品的可靠性、方案的可行性和經(jīng)濟(jì)性等因素，沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和流程，應(yīng)該根據(jù)每個(gè)企業(yè)的現(xiàn)狀因地制宜，循序漸進(jìn)地將螺栓預(yù)緊力控制在可接受范圍內(nèi)。

根據(jù)螺栓預(yù)緊力散差分析及測(cè)試結(jié)果，對(duì)于軌道交通行業(yè)，目前建議采取以下措施提高螺栓預(yù)緊力精度：1）控制緊固件的一致性。緊固件的表面涂層、生產(chǎn)工藝、材料一致性、尺寸精度、形位公差等因素很大程度上決定著緊固件的摩擦因數(shù)和力學(xué)性能，借鑒汽車、航空等行業(yè)的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)不同重要等級(jí)的緊固件制定不同的要求，可以在很大程度上提高螺栓預(yù)緊力的精度。2）控制被連接件的一致性。緊固件安裝到產(chǎn)品上，裝配結(jié)果的好壞與被連接件的表面粗糙度、平面度、端面的垂直度、孔的位置度、螺紋孔的質(zhì)量有較大關(guān)系，提高對(duì)被連接件螺栓安裝位置的相關(guān)要求有利于進(jìn)一步提高螺栓預(yù)緊力的精度。3）升級(jí)擰緊工具和擰緊策略。對(duì)于重要位置螺栓使用自動(dòng)擰緊設(shè)備，采用轉(zhuǎn)矩角度法擰緊策略更能夠保證較高的螺栓預(yù)緊力精度。

5 結(jié)語(yǔ)

本文研究了螺栓安裝預(yù)緊力的精度，通過(guò)分析軌道交通裝備螺栓連接特點(diǎn)和其他行業(yè)經(jīng)驗(yàn)，采用單一變量試驗(yàn)測(cè)試研究的方式研究了擰緊工具、擰緊速度、擰緊工藝、緊固件及被連接件摩擦因數(shù)等因素對(duì)預(yù)緊力散差的影響，并提出提高螺栓預(yù)緊力精度的幾個(gè)措施，為提升軌道交通行業(yè)螺栓連接質(zhì)量提供了參考依據(jù)。